Теорија релативности и брзине светлости

Једна од познатих чињеница у физици је да се не можете кретати брже од брзине светлости. Док је то у основи истина, такође је и прекомерно поједностављивање. Под теорија релативности, заправо постоје три начина на које се објекти могу кретати:

• Брзином светлости
• Спори од брзине светлости
• Бржи од брзине светлости

Један од кључних увида у то Алберт Ајнштајн коришћена за развијање његове теорије релативности је да се светлост у вакууму увек креће истом брзином. Честице светлости, или фотони, стога се крећите брзином светлости. То је једина брзина којом се фотони могу кретати. Никада не могу убрзати или успорити. (Белешка: Фотони мијењају брзину када пролазе кроз различите материјале. Тако долази до лома, али то је апсолутна брзина фотона у вакууму која се не може променити.) У ствари, све бозони кретати се брзином светлости, колико можемо да знамо.

Следећи велики скуп честица (колико знамо, све оне које нису бозони) креће се спорије од брзине светлости. Релативност нам говори како је физички немогуће икада убрзати ове честице довољно брзо да би достигле брзину светлости. Зашто је ово? Заправо износи неке основне математичке концепте.

Пошто ти предмети садрже масу, релативност нам говори да је једначина кинетичке енергије објекта на основу његове брзине одређује се једначином:

Е_к = м₀(γ - 1)ц²

Е_к = м₀ц² / квадратни корен од (1 - в²/ц²) - м₀ц²

У горњој се једнаџби догађа много тога, па распакирајмо ове променљиве:

• γ је Лорентз-ов фактор, који је фактор скале који се више пута појављује у релативности. Означава промену у различитим количинама, као што су маса, дужина и време, током кретања предмета. Од γ = 1 / / квадратни корен од (1 - в²/ц²), то узрокује различит изглед две приказане једначине.
• м₀ је остатак масе објекта, добијен када је брзина 0 у датом референтном оквиру.
• ц је брзина светлости у слободном простору.
• в је брзина којом се објект креће. Релативистички ефекти су приметно значајни само за веома високе вредности в, због чега су ови ефекти могли да се игноришу много пре него што је Ајнштајн дошао.

Запазите називник који садржи променљиву в (за брзина). Како се брзина ближи и ближи брзини светлости (ц), то в²/ц² појам ће се приближити и приближити 1... што значи да је вредност називника ("квадратни корен од 1 - в²/ц²") ће се приближити и приближити 0.

Како се називник смањује, сама енергија постаје све већа и већа, приближавајући се бесконачност. Стога, када покушате да убрзате честицу готово до брзине светлости, за то је потребно све више и више енергије. Заправо убрзање до саме светлости одузимало би бесконачну количину енергије, што је немогуће.

С тим разлогом, ниједна честица која се креће спорије од светлосне брзине никада не може достићи брзину светлости (или, продужењем, ићи брже од брзине светлости).

Па шта ако бисмо имали честицу која се креће брже од светлосне брзине. Да ли је то уопште могуће?

Строго гледано, могуће је. Такве честице, назване тахиони, показале су се у неким теоријским моделима, али готово увек се на крају уклањају јер представљају фундаменталну нестабилност у моделу. До данас немамо експерименталних доказа који би указивали на постојање тахиона.

Да постоји тахион, он би се увек кретао брже од брзине светлости. Користећи се истим резоновањем као у случају честица споријег од светлости, можете доказати да ће вам требати бесконачна количина енергије да успорите тахион до брзине светлости.

Разлика је у томе што у овом случају завршавате са в-терм је мало већи од један, што значи да је број у квадратном корену негативан. То резултира имагинарним бројем, а није ни концептуално јасно шта би заиста значила имати замишљену енергију. (Не, ово је нетамна енергија.)

Као што сам раније напоменуо, када светлост прелази из вакуума у ​​други материјал, успорава. Могуће је да наелектрисана честица, попут електрона, може ући у материјал који има довољно силе да се креће брже од светлости унутар тог материјала. (Брзина светлости у датом материјалу назива се фазна брзина светлости у том медијуму.) У овом случају наелектрисана честица емитује облик електромагнетно зрачење то се зове Черенковско зрачење.

Постоји један начин да се ограничи брзина свјетлости. Ово ограничење односи се само на објекте који се крећу кроз простор - али то је могуће Време простор да се шири таквом брзином да се предмети у њој одвајају брже од брзине светлости.

Као несавршен пример, размислите о два сплава који плутају низ реку константном брзином. Река се раздваја на две гране, с тим да је један сплав лебдио низ гране. Иако се сви сплавови увек крећу истом брзином, они се крећу брже један у односу на један релативно речни ток. У овом примјеру сама ријека је просторни.

Према тренутном космолошком моделу, удаљени досези универзума се шире брзином већом од брзине светлости. У раном универзуму, наш универзум се такође ширио овом брзином. Ипак, у било којем одређеном простору простора, ограничења брзине наметнута релативношћу важе.

Завршна тачка вредна помена је хипотетичка идеја која се назива названа космологија променљиве брзине светлости (ВСЛ), која сугерише да се сама брзина светлости током времена мењала. Ово је изузетно контроверзна теорија и мало је директних експерименталних доказа који би то подржали. Углавном је изнесена теорија јер има потенцијал да реши одређене проблеме у еволуцији раног универзума без прибегавања теорија инфлације.