A relativitáselmélet és a fénysebesség

A fizikában általánosan ismert tény, hogy nem szabad a fénysebességnél gyorsabban mozogni. Bár ez az alapvetően igaz, ez túl egyszerűsítés is. Alatt relativitás-elmélet, valójában három módon mozgathatók az objektumok:

• A fény sebességén
• Lassabb, mint a fénysebesség
• Gyorsabb, mint a fény sebessége

Az egyik legfontosabb betekintés Albert Einstein A relativitáselmélet kifejlesztésére használták, hogy a vákuumban lévő fény mindig azonos sebességgel mozog. A fény részecskéi vagy fotonok, ezért a fénysebességgel mozogjon. Ez az egyetlen sebesség, amellyel a fotonok mozoghatnak. Soha nem tudnak felgyorsítani vagy lelassítani. (Jegyzet: A fotonok megváltoztatják a sebességet, ha különböző anyagokon haladnak át. Így történik a refrakció, de a foton abszolút sebessége vákuumban nem változhat.) Valójában az összes bozonok a fénysebességgel mozogjunk, amennyire csak tudjuk.

A következő nagyobb részecskekészlet (amennyire tudjuk, hogy mindegyik nem bozon) lassabban haladnak, mint a fénysebesség. A relativitás azt mondja, hogy fizikailag lehetetlen ezeket a részecskéket soha gyorsítani olyan gyorsan, hogy elérjük a fénysebességet. Miért ez? Valójában néhány alapvető matematikai fogalomnak felel meg.

Mivel ezek az objektumok tömeget tartalmaznak, a relativitáselmélet azt mondja nekünk, hogy az egyenlet kinetikus energia A tárgy sebességén alapuló értékét az alábbi egyenlet határozza meg:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / négyzetgyöke (1 - v²/c²) - m₀c²

Nagyon sok történik a fenti egyenlet, tehát csomagolja ki ezeket a változókat:

• γ a Lorentz-tényező, amely egy skála-tényező, amely többször megjelenik a relativitáselméletben. Ez jelzi a különféle mennyiségek, például tömeg, hossz és idő változását, amikor az objektumok mozognak. Mivel γ = 1 / / négyzetgyök (1 - v²/c²), ez okozza a bemutatott két egyenlet eltérő megjelenését.
• m₀ a tárgy többi tömege, amelyet akkor kapunk, ha az adott referenciakeretben 0-as sebességgel rendelkezik.
• c a fénysebesség a szabad térben.
• v az a sebesség, amellyel az objektum mozog. A relativista hatások csak a nagyon magas értéknél észlelhetők v, ezért ezeket a hatásokat sokáig figyelmen kívül lehet hagyni, mielőtt Einstein megjelent.

Figyelje meg a nevezőt, amely a változót tartalmazza v (az sebesség). Ahogy a sebesség egyre közelebb áll a fénysebességhez (c), hogy v²/c² a kifejezés egyre közelebb kerül az 1-hez... ami azt jelenti, hogy a nevező értéke ("négyzetgyöke 1 - v²/c²") közelebb kerül a 0-hoz.

Ahogyan a nevező kisebb lesz, maga az energia egyre nagyobb lesz, közeledik végtelenség. Ezért, amikor megpróbál egy részecskét közel a fénysebességhez gyorsítani, egyre több energiát igényel. Valójában maga a fénysebesség elérése végtelen mennyiségű energiát igényel, ami lehetetlen.

Ezen érvelés szerint egyetlen olyan részecske sem haladhatja meg a fénysebességet (vagy kiterjeszthetően gyorsabb, mint a fénysebesség), amely a fény sebességénél lassabban halad.

Mi lenne, ha van olyan részecske, amely gyorsabban mozog, mint a fény sebessége. Lehetséges még?

Szigorúan véve, ez lehetséges. Az ilyen részecskék, úgynevezett tachyonok, néhány elméleti modellben megmutatkoztak, de szinte mindig eltávolításra kerülnek, mivel a modell alapvető instabilitását képviselik. A mai napig nincs kísérleti bizonyíték arra, hogy a tachónok léteznek.

Ha létezik egy tachyon, akkor mindig gyorsabban mozog, mint a fény sebessége. Ugyanazzal az érveléssel, mint a fénynél lassabb részecskék esetében, bebizonyíthatja, hogy végtelen mennyiségű energiát igényel a tachyon fénysebességre történő lelassítása.

A különbség az, hogy ebben az esetben a v-term kissé nagyobb, mint egy, ami azt jelenti, hogy a négyzetgyökben lévő szám negatív. Ez egy képzeletbeli számot eredményez, és még fogalmilag sem világos, mit jelent egy képzeletbeli energia valójában. (Nem, ez az nemsötét energia.)

Mint korábban említettem, amikor a fény vákuumból egy másik anyagba jut, lelassul. Lehetséges, hogy egy töltött részecske, például egy elektron, elegendő erővel juthat be az anyagba ahhoz, hogy az anyagon belül a fénynél gyorsabban mozogjon. (A fénysebességet egy adott anyagon belül a fázissebesség a közeget.) Ebben az esetben a töltött részecske egy olyan formát bocsát ki elektromágneses sugárzás ezt hívják Cherenkov sugárzás.

A fény korlátozásának sebessége egy irányban van. Ez a korlátozás csak azokra az objektumokra vonatkozik, amelyek az űridőn keresztül mozognak, de lehetséges téridő önmagában olyan mértékben növekszik, hogy a benne lévő tárgyak gyorsabban szétváljanak, mint a fénysebesség.

Hiányos példaként gondoljon két tutara, amelyek állandó sebességgel lebegnek a folyón. A folyó két ágra válik, az egyik tutaj lebeg az egyes ágon. Bár maguk a tutajok mindig azonos sebességgel mozognak, magasabban a folyó viszonylagos áramlása miatt gyorsabban mozognak egymással szemben. Ebben a példában maga a folyó téridő.

A jelenlegi kozmológiai modell szerint a világegyetem távolabbi szélessége gyorsabban bővül, mint a fény sebessége. A korai világegyetemben a mi világegyetemünk is ilyen mértékben bővült. Ennek ellenére a téridő bármely meghatározott régiójában a relativitás által bevezetett sebességkorlátozások továbbra is fennállnak.

Az utolsó említésre méltó pont egy hipotetikus ötlet, amelyet változó fénysebességű (VSL) kozmológiának hívtak fel, amely arra utal, hogy maga a fénysebesség változott az idő múlásával. Ez egy rendkívüli módon ellentmondásos elmélet, és kevés közvetlen kísérleti bizonyíték támasztja alá azt. Az elméletet elsősorban azért terjesztették elő, mert képes megoldani a korai világegyetem evolúciójának bizonyos problémáit anélkül, hogy inflációs elmélet.