Η Θεωρία της Σχετικότητας και η Ταχύτητα του Φωτός

Ένα κοινώς γνωστό γεγονός στη φυσική είναι ότι δεν μπορείτε να κινηθείτε γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Ενώ αυτό είναι βασικα αλήθεια, είναι επίσης μια υπερβολική απλοποίηση. Σύμφωνα με το Θεωρία της σχετικότητας, υπάρχουν τρεις τρόποι με τους οποίους μπορούν να κινηθούν τα αντικείμενα:

• Με την ταχύτητα του φωτός
• Λιγότερο από την ταχύτητα του φωτός
• Ταχύτερη από την ταχύτητα του φωτός

Μία από τις βασικές ιδέες Albert Einstein που χρησιμοποιείται για να αναπτύξει τη θεωρία της σχετικότητας ήταν ότι το φως σε ένα κενό κινείται πάντα με την ίδια ταχύτητα. Τα σωματίδια του φωτός, ή φωτόνια, επομένως κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Αυτή είναι η μόνη ταχύτητα με την οποία μπορούν να κινηθούν τα φωτόνια. Δεν μπορούν ποτέ να επιταχύνουν ή να επιβραδύνουν. (Σημείωση: Τα φωτόνια αλλάζουν ταχύτητα όταν περνούν από διάφορα υλικά. Αυτό είναι το πώς γίνεται η διάθλαση, αλλά είναι η απόλυτη ταχύτητα του φωτονίου σε ένα κενό που δεν μπορεί να αλλάξει.) Στην πραγματικότητα, όλα τα bosons κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, όσο μπορούμε να πούμε.

Το επόμενο μεγάλο σύνολο σωματιδίων (εξ όσων γνωρίζουμε, όλα αυτά που δεν είναι μποζόνια) κινούνται πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Η σχετικότητα μας λέει ότι είναι φυσικά αδύνατο να επιταχύνουμε ποτέ αυτά τα σωματίδια αρκετά γρήγορα ώστε να φτάσουμε στην ταχύτητα του φωτός. Γιατί είναι αυτό? Στην πραγματικότητα ισοδυναμεί με ορισμένες βασικές μαθηματικές έννοιες.

Δεδομένου ότι αυτά τα αντικείμενα περιέχουν μάζα, η σχετικότητα μας λέει ότι η εξίσωση κινητική ενέργεια του αντικειμένου, με βάση την ταχύτητά του, καθορίζεται από την εξίσωση:

μι_κ = Μ₀(γ - 1)ντο²

μι_κ = Μ₀ντο² / τετραγωνική ρίζα του (1 - v²/ντο²) - Μ₀ντο²

Υπάρχουν πολλά πράγματα στην παραπάνω εξίσωση, οπότε ας αποσυμπιέσουμε αυτές τις μεταβλητές:

• γ είναι ο συντελεστής Lorentz, ο οποίος είναι ένας παράγοντας κλίμακας που εμφανίζεται επανειλημμένα στη σχετικότητα. Δείχνει την αλλαγή σε διαφορετικές ποσότητες, όπως η μάζα, το μήκος και ο χρόνος, όταν τα αντικείμενα κινούνται. Από γ = 1 / τετραγωνική ρίζα του (1 - v²/ντο²), αυτό είναι που προκαλεί την διαφορετική εμφάνιση των δύο εξισώσεων που παρουσιάζονται.
• Μ₀ είναι η μάζα ανάπαυσης του αντικειμένου, που λαμβάνεται όταν έχει μια ταχύτητα 0 σε ένα δεδομένο πλαίσιο αναφοράς.
• ντο είναι η ταχύτητα του φωτός στον ελεύθερο χώρο.
• v είναι η ταχύτητα με την οποία κινείται το αντικείμενο. Τα σχετικιστικά αποτελέσματα είναι αξιοσημείωτα σημαντικά για πολύ υψηλές τιμές v, γι 'αυτό και αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να αγνοηθούν πολύ πριν έρθει ο Αϊνστάιν.

Παρατηρήστε τον παρονομαστή που περιέχει τη μεταβλητή v (Για ταχύτητα). Καθώς η ταχύτητα πλησιάζει και πλησιάζει στην ταχύτητα του φωτός (ντο), ότι v²/ντο² η διάρκεια θα είναι πιο κοντά και πιο κοντά στο 1... που σημαίνει ότι η αξία του παρονομαστή ("η τετραγωνική ρίζα του 1 - v²/ντο²") θα πλησιάσει στο 0.

Καθώς ο παρονομαστής γίνεται μικρότερος, η ίδια η ενέργεια γίνεται όλο και μεγαλύτερη, πλησιάζοντας άπειρο. Επομένως, όταν προσπαθείτε να επιταχύνετε ένα σωματίδιο σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός, χρειάζεται όλο και περισσότερη ενέργεια για να το κάνετε. Στην πραγματικότητα η επιτάχυνση της ταχύτητας του ίδιου του φωτός θα πάρει μια άπειρη ποσότητα ενέργειας, κάτι που είναι αδύνατο.

Με αυτό το σκεπτικό, κανένα σωματίδιο που κινείται πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός μπορεί πάντα να φτάσει στην ταχύτητα του φωτός (ή, κατ 'επέκταση, να πάει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός).

Τι γίνεται λοιπόν αν είχαμε ένα σωματίδιο που κινείται γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Είναι ακόμη δυνατό;

Αυστηρά μιλώντας, είναι δυνατόν. Τέτοια σωματίδια, που ονομάζονται ταχυόνια, έχουν εμφανιστεί σε ορισμένα θεωρητικά μοντέλα, αλλά σχεδόν πάντα καταλήγουν να αφαιρούνται επειδή αντιπροσωπεύουν μια θεμελιώδη αστάθεια στο μοντέλο. Μέχρι σήμερα, δεν έχουμε πειραματικά στοιχεία που να δείχνουν ότι υπάρχουν ταχόνια.

Αν υπήρχε ένα ταχυόν, θα κινείται πάντα ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Χρησιμοποιώντας τον ίδιο συλλογισμό όπως στην περίπτωση των σωματιδίων βραδύτερου από το φως, μπορείτε να αποδείξετε ότι θα χρειάζονταν μια άπειρη ποσότητα ενέργειας για να επιβραδύνει ένα ταχυόν κάτω από την ταχύτητα του φωτός.

Η διαφορά είναι ότι, στην περίπτωση αυτή, καταλήγετε στο v-term είναι λίγο μεγαλύτερο από ένα, πράγμα που σημαίνει ότι ο αριθμός στην τετραγωνική ρίζα είναι αρνητικός. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν φανταστικό αριθμό και δεν είναι καν εννοιολογικώς σαφές τι σημαίνει μια φανταστική ενέργεια. (Όχι, αυτό είναι δενσκοτεινή ενέργεια.)

Όπως ανέφερα προηγουμένως, όταν το φως πηγαίνει από κενό σε άλλο υλικό, επιβραδύνεται. Είναι πιθανό ότι ένα φορτισμένο σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να εισέλθει σε ένα υλικό με επαρκή δύναμη για να κινηθεί γρηγορότερα από το φως μέσα σε αυτό το υλικό. (Η ταχύτητα του φωτός μέσα σε ένα δεδομένο υλικό ονομάζεται ταχύτητα φάσης του φωτός σε αυτό το μέσο.) Στην περίπτωση αυτή, το φορτισμένο σωματίδιο εκπέμπει μια μορφή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αυτό έχει γίνει κλήση Ακτινοβολία Cherenkov.

Υπάρχει ένας τρόπος γύρω από την ταχύτητα του περιορισμού του φωτός. Αυτός ο περιορισμός ισχύει μόνο για αντικείμενα που κινούνται μέσα στο χωροχρόνο, αλλά είναι δυνατόν spacetime να αναπτυχθεί με τέτοιο ρυθμό ώστε τα αντικείμενα μέσα σε αυτόν να διαχωρίζονται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

Ως ατελές παράδειγμα, σκεφτείτε δύο σούβες που επιπλέουν κάτω από ένα ποτάμι με μια σταθερή ταχύτητα. Ο ποταμός περνάει σε δύο κλάδους, με μια σχεδία να κυλάει κάτω από κάθε κλαδιά. Αν και οι ίδιες οι σχεδίες κάθε φορά κινούνται με την ίδια ταχύτητα, κινούνται ταχύτερα σε σχέση μεταξύ τους λόγω της σχετικής ροής του ίδιου του ποταμού. Σε αυτό το παράδειγμα, ο ποταμός είναι χωροχρόνου.

Κάτω από το σημερινό κοσμολογικό μοντέλο, οι μακρινές φτάσεις του σύμπαντος επεκτείνονται σε ταχύτητες ταχύτερες από την ταχύτητα του φωτός. Στο πρώιμο σύμπαν, το σύμπαν μας επεκτάθηκε και με αυτό το ρυθμό. Εντούτοις, μέσα σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη περιοχή του χωροχρόνου, οι περιορισμοί ταχύτητας που επιβάλλονται από τη σχετικότητα διατηρούνται.

Ένα τελευταίο σημείο που αξίζει να αναφερθεί είναι μια υποθετική ιδέα που αναπαρίσταται στην κοσμολογία μεταβλητής ταχύτητας φωτός (VSL), γεγονός που υποδηλώνει ότι η ταχύτητα του ίδιου του φωτός έχει αλλάξει με την πάροδο του χρόνου. Αυτό είναι ένα επακρώς αμφιλεγόμενη θεωρία και υπάρχουν λίγα άμεσα πειραματικά στοιχεία που την υποστηρίζουν. Κυρίως, η θεωρία έχει προταθεί επειδή έχει τη δυνατότητα να λύσει ορισμένα προβλήματα στην εξέλιξη του πρώιμου σύμπαντος χωρίς να καταφύγει θεωρία πληθωρισμού.