Ali se lahko karkoli premika hitreje od svetlobne hitrosti?

Jose A. Bernat Bacete / Getty Images

Eno splošno znano dejstvo v fiziki je, da se ne morete premikati hitreje od svetlobne hitrosti. Medtem ko je to v bistvu res je tudi pretirano poenostavljanje. Pod teorija relativnosti , dejansko obstajajo trije načini premikanja predmetov:

• S svetlobno hitrostjo
• Počasnejša od svetlobne hitrosti
• Hitreje od svetlobne hitrosti

Premikanje s svetlobno hitrostjo

Eno ključnih spoznanj, ki Albert Einstein za razvoj njegove teorije relativnosti je bilo, da se svetloba v vakuumu vedno giblje z enako hitrostjo. Delci svetlobe oz fotoni , se torej gibljejo s svetlobno hitrostjo. To je edina hitrost, s katero se fotoni lahko premikajo. Nikoli ne morejo pospešiti ali upočasniti. ( Opomba: Fotoni spreminjajo hitrost, ko gredo skozi različne materiale. Tako pride do loma, vendar se absolutna hitrost fotona v vakuumu ne more spremeniti.) Pravzaprav vse bozoni premikajo se s svetlobno hitrostjo, kolikor lahko rečemo.

Počasnejša od svetlobne hitrosti

Naslednja večja skupina delcev (kolikor vemo, vsi tisti, ki niso bozoni) se giblje počasneje od svetlobne hitrosti. Relativnost nam pravi, da je fizično nemogoče te delce kdaj pospešiti dovolj hitro, da bi dosegli svetlobno hitrost. zakaj je to Pravzaprav obsega nekaj osnovnih matematičnih pojmov.

Ker ti predmeti vsebujejo maso, nam relativnost pove, da enačba kinetična energija predmeta na podlagi njegove hitrosti se določi z enačbo:

IN_k = m ₀( c - 1) c ^dva

IN_k = m ₀ c ^dva/ kvadratni koren iz (1 - v ^dva/ c ^dva) - m ₀ c ^dva

V zgornji enačbi se veliko dogaja, zato razpakirajmo te spremenljivke:

• c je Lorentzov faktor, ki je faktor lestvice, ki se večkrat pojavi v relativnosti. Označuje spremembo različnih količin, kot so masa, dolžina in čas, ko se predmeti premikajo. Od c = 1 // kvadratni koren iz (1 - v ^dva/ c ^dva), to je tisto, kar povzroča različen videz obeh prikazanih enačb.
• m ₀je masa mirovanja telesa, dobljena, ko ima v danem referenčnem sistemu hitrost 0.
• c je hitrost svetlobe v prostem prostoru.
• v je hitrost, s katero se predmet premika. Relativistični učinki so opazno pomembni le pri zelo visokih vrednostih v , zato bi te učinke lahko prezrli dolgo, preden se je pojavil Einstein.

Bodite pozorni na imenovalec, ki vsebuje spremenljivko v (za hitrost ). Ko se hitrost vedno bolj približuje svetlobni hitrosti ( c ), to v ^dva/ c ^dvaizraz bo vedno bližje 1 ... kar pomeni, da je vrednost imenovalca ('kvadratni koren iz 1 - v ^dva/ c ^dva') bo vedno bližje 0.

Ko se imenovalec manjša, postaja sama energija vedno večja in se približuje neskončnost . Zato, ko poskušate delec pospešiti skoraj do svetlobne hitrosti, za to potrebujete vedno več energije. Pravzaprav bi samo pospeševanje do svetlobne hitrosti zahtevalo neskončno količino energije, kar je nemogoče.

Po tem sklepanju noben delec, ki se giblje počasneje od svetlobne hitrosti, nikoli ne more doseči svetlobne hitrosti (ali, v nadaljevanju, hitreje od svetlobne hitrosti).

Hitreje od svetlobne hitrosti

Kaj pa, če bi imeli delec, ki se giblje hitreje od svetlobne hitrosti? Je to sploh mogoče?

Strogo gledano je možno. Takšni delci, imenovani tahioni, so se pojavili v nekaterih teoretičnih modelih, vendar so skoraj vedno na koncu odstranjeni, ker predstavljajo temeljno nestabilnost v modelu. Do danes nimamo nobenih eksperimentalnih dokazov, ki bi kazali na obstoj tahionov.

Če bi tahion obstajal, bi se vedno gibal hitreje od svetlobne hitrosti. Z enakim sklepanjem kot v primeru delcev, ki so počasnejši od svetlobe, lahko dokažete, da bi bila potrebna neskončna količina energije, da bi tahion upočasnili na svetlobno hitrost.

Razlika je v tem, da v tem primeru na koncu dobite v -izraz je nekoliko večji od ena, kar pomeni, da je število v kvadratnem korenu negativno. Posledica tega je namišljeno število in niti konceptualno ni jasno, kaj bi dejansko pomenilo imeti namišljeno energijo. (Ne, to je ne temna energija .)

Hitreje od počasne svetlobe

Kot sem že omenil, ko gre svetloba iz vakuuma v drug material, se upočasni. Možno je, da lahko nabit delec, kot je elektron, vstopi v material z zadostno silo, da se v tem materialu premika hitreje od svetlobe. (Hitrost svetlobe v danem materialu se imenuje fazna hitrost svetlobe v tem mediju.) V tem primeru nabit delec oddaja obliko elektromagnetno sevanje to se imenuje Čerenkovo ​​sevanje .

Potrjena izjema

Obstaja en način zaobiti omejitev hitrosti svetlobe. Ta omejitev velja le za predmete, ki se gibljejo skozi prostor-čas, vendar je možna za prostor-čas sam, da se širi s takšno hitrostjo, da se predmeti v njem ločujejo hitreje od svetlobne hitrosti.

Kot nepopoln primer pomislite na dva splava, ki plavata po reki s konstantno hitrostjo. Reka se razcepi na dva kraka, pri čemer po vsakem kraku plava po en splav. Čeprav se splavi vedno premikajo z enako hitrostjo, se premikajo hitreje drug glede na drugega zaradi relativnega toka same reke. V tem primeru je reka sama prostor-čas.

Po sedanjem kozmološkem modelu se oddaljeni kraji vesolja širijo s hitrostjo, večjo od svetlobne hitrosti. V zgodnjem vesolju se je tudi naše vesolje širilo s to hitrostjo. Kljub temu v kateri koli specifični regiji vesolja-časa veljajo omejitve hitrosti, ki jih nalaga relativnost.

Ena možna izjema

Še zadnja točka, ki jo je vredno omeniti, je predstavljena hipotetična ideja, imenovana kozmologija spremenljive hitrosti svetlobe (VSL), ki nakazuje, da se je sama hitrost svetlobe skozi čas spreminjala. To je izjemno kontroverzna teorija in malo je neposrednih eksperimentalnih dokazov, ki bi jo podprli. Večinoma je bila teorija predstavljena zato, ker ima potencial za rešitev določenih problemov v razvoju zgodnjega vesolja, ne da bi se zatekla k teorija inflacije .