Santykio teorija ir šviesos greitis

Vienas fizikoje visuotinai žinomas faktas yra tas, kad negalima judėti greičiau nei šviesos greičiu. Nors tai iš esmės tiesa, tai taip pat perdėtas supaprastinimas. Pagal Reliatyvumo teorija, iš tikrųjų yra trys būdai, kuriais objektai gali judėti:

• Šviesos greičiu
• Lėtesnis nei šviesos greitis
• Greitesnis nei šviesos greitis

Viena iš pagrindinių įžvalgų tai Albertas Einšteinas jo sukurta reliatyvumo teorija buvo ta, kad vakuume esanti šviesa visada juda tuo pačiu greičiu. Šviesos dalelės arba fotonai, todėl judėkite šviesos greičiu. Tai vienintelis greitis, kuriuo fotonai gali judėti. Jie niekada negali paspartinti ar sulėtinti greičio. (Pastaba: Fotonai keičia greitį, kai praeina pro skirtingas medžiagas. Taip vyksta refrakcija, tačiau absoliutus fotono greitis vakuume negali pasikeisti.) Tiesą sakant, visi bozonai judėkime šviesos greičiu, kiek galime pasakyti.

Kitas didelis dalelių rinkinys (kiek mes žinome, visos tos, kurios nėra bozonai) juda lėčiau nei šviesos greitis. Reliatyvumas mums sako, kad fiziškai neįmanoma niekada pakankamai greitinti šių dalelių, kad būtų pasiektas šviesos greitis. Kodėl tai? Tai iš tikrųjų sudaro keletą pagrindinių matematinių sąvokų.

Kadangi šiuose objektuose yra masė, reliatyvumas mums sako, kad lygtis kinetinė energija objekto vertė, remiantis jo greičiu, nustatoma pagal lygtį:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / kvadratinė šaknis iš (1 - v²/c²) - m₀c²

Aukščiau pateiktoje lygtyje vyksta daug dalykų, todėl išpakuokime tuos kintamuosius:

• γ yra Lorenco faktorius, kuris yra mastelio koeficientas, pakartotinai pasireiškiantis reliatyvumu. Tai rodo įvairių dydžių, pvz., Masės, ilgio ir laiko, pasikeitimą, kai objektai juda. Nuo γ = 1 / / (1 - / v²/c²), tai lemia skirtingą dviejų parodytų lygčių išvaizdą.
• m₀ yra likusi objekto masė, gauta, kai jo greitis 0 yra nurodytame atskaitos taške.
• c yra šviesos greitis laisvoje erdvėje.
• v yra greitis, kuriuo objektas juda. Reliatyvistinis poveikis pastebimas tik esant labai didelėms v, todėl šio poveikio buvo galima nepaisyti dar ilgai, kol Einšteinas atėjo.

Atkreipkite dėmesį į vardiklį, kuriame yra kintamasis v (dėl greitis). Kuo greitis artėja ir arčiau šviesos greičio (c), tai v²/c² kadencija suartės arčiau 1... o tai reiškia, kad vardiklio vertė („kvadratinė šaknis 1 - v²/c²") priartės arčiau 0.

Kai vardiklis mažėja, artėja ir pati energija begalybė. Todėl kai bandote dalelę pagreitinti beveik šviesos greičiu, tam reikia vis daugiau energijos. Tiesą sakant, pagreitis iki paties šviesos greičio pareikalautų begalinio energijos kiekio, o tai neįmanoma.

Remiantis šiais samprotavimais, nė viena dalelė, judanti lėčiau nei šviesos greitis, niekada negali pasiekti šviesos greičio (arba, plačiau, pereiti greičiau nei šviesos greitis).

O kaip būtų, jei mes turėtume dalelę, kuri juda greičiau nei šviesos greitis. Ar tai net įmanoma?

Griežtai tariant, tai įmanoma. Tokios dalelės, vadinamos tachionais, pasirodė kai kuriuose teoriniuose modeliuose, tačiau beveik visada jos pašalinamos, nes jos rodo esminį modelio nestabilumą. Iki šiol neturime eksperimentinių įrodymų, kad tachonai egzistuoja.

Jei tachonas egzistuotų, jis visada judėtų greičiau nei šviesos greitis. Taikydami tuos pačius samprotavimus, kaip ir lėtesnių nei šviesos dalelių atveju, galite įrodyti, kad norint sumažinti tachoną iki šviesos greičio, prireiks begalinės energijos.

Skirtumas tas, kad tokiu atveju jūs galų gale esate v- terminas yra šiek tiek didesnis nei vienas, o tai reiškia, kad skaičius kvadratinėje šaknyje yra neigiamas. Tai lemia įsivaizduojamą skaičių ir net konceptualiai nėra aišku, ką iš tikrųjų reikštų įsivaizduojama energija. (Ne, taip yra netamsi energija.)

Kaip jau minėjau anksčiau, kai šviesa pereina iš vakuumo į kitą medžiagą, ji sulėtėja. Gali būti, kad įkrauta dalelė, tokia kaip elektronas, gali patekti į medžiagą su pakankamai jėga, kad toje medžiagoje judėtų greičiau nei šviesa. (Šviesos greitis tam tikroje medžiagoje yra vadinamas fazės greitis šviesos toje terpėje.) Šiuo atveju įkrauta dalelė skleidžia formą elektromagnetinė radiacija tai tapo vadinama Čerenkovo ​​radiacija.

Šviesos apribojimo greitis yra vienas iš būdų. Šis apribojimas galioja tik objektams, judantiems erdvės metu, tačiau tai įmanoma kosmoso laikas pats plečiasi tokiu greičiu, kad jame esantys objektai atsiskiria greičiau nei šviesos greitis.

Kaip netobulą pavyzdį pagalvokite apie du plaustus, plaukiančius upe tolygiu greičiu. Upė šakės į dvi atšakas, po vieną plaustą plūduriuojančią žemyn iš kiekvienos šakos. Nors patys plaustai visada juda tuo pačiu greičiu, jie juda greičiau vienas kito atžvilgiu dėl santykinio pačios upės srauto. Šiame pavyzdyje pati upė yra erdvėlaikis.

Pagal dabartinį kosmologinį modelį tolimiausi Visatos plotmenys plečiasi greičiu, nei šviesos greitis. Ankstyvojoje visatoje tokiu greičiu taip pat plėtėsi ir mūsų visata. Vis dėlto bet kuriame konkrečiame erdvėlaikio regione reliatyvumo nustatyti greičio apribojimai išlieka.

Paskutinis taškas, kurį verta paminėti, yra hipotetinė idėja, vadinama kintamo šviesos greičio (VSL) kosmologija, kuri rodo, kad pats šviesos greitis bėgant laikui pasikeitė. Tai yra nepaprastai prieštaringos teorijos ir jai paremti nėra tiesioginių eksperimentinių įrodymų. Dažniausiai teorija buvo pateikta todėl, kad ji turi galimybę išspręsti tam tikras ankstyvosios visatos evoliucijos problemas nesiimant infliacijos teorija.