Теория относительности и скорость света

Одним из общеизвестных фактов в физике является то, что вы не можете двигаться быстрее скорости света. Пока это в принципе правда, это также чрезмерное упрощение. Под теория относительностиСуществует три способа перемещения объектов:

• Со скоростью света
• Медленнее, чем скорость света
• Быстрее скорости света

Одна из ключевых идей, которые Альберт Эйнштейн для развития его теории относительности было то, что свет в вакууме всегда движется с одинаковой скоростью. Частицы света, или фотоны, поэтому двигайтесь со скоростью света. Это единственная скорость, с которой фотоны могут двигаться. Они никогда не могут ускоряться или замедляться. (Замечания: Фотоны меняют скорость, когда проходят через разные материалы. Вот как происходит преломление, но абсолютная скорость фотона в вакууме не может измениться.) На самом деле, все бозонов двигайтесь со скоростью света, насколько мы можем судить.

Следующий основной набор частиц (насколько нам известно, все те, которые не являются бозонами) движутся медленнее, чем скорость света. Относительность говорит нам, что физически невозможно когда-либо ускорить эти частицы достаточно быстро, чтобы достичь скорости света. Почему это? На самом деле это сводится к некоторым базовым математическим понятиям.

Поскольку эти объекты содержат массу, теория относительности говорит нам, что уравнение кинетическая энергия объекта, исходя из его скорости, определяется по уравнению:

Е_К = м₀(γ - 1)с²

Е_К = м₀с² / квадратный корень из (1 - v²/с²) - м₀с²

В приведенном выше уравнении многое происходит, поэтому давайте распакуем эти переменные:

• γ является фактором Лоренца, который является масштабным фактором, который неоднократно проявляется в относительности. Это указывает на изменение в различных количествах, таких как масса, длина и время, когда объекты движутся. поскольку γ = 1 / / квадратный корень из (1 - v²/с²), это то, что вызывает различный вид двух указанных уравнений.
• м₀ масса покоя объекта, полученная, когда он имеет скорость 0 в данной системе координат.
• с скорость света в свободном пространстве.
• v скорость, с которой движется объект. Релятивистские эффекты заметны только для очень высоких значений vВот почему эти эффекты можно было игнорировать задолго до появления Эйнштейна.

Обратите внимание на знаменатель, который содержит переменную v (за скорость). Как скорость становится все ближе и ближе к скорости света (с), тот v²/с² срок будет все ближе и ближе к 1... Это означает, что значение знаменателя («квадратный корень из 1 - v²/с²") будет все ближе и ближе к 0.

Когда знаменатель становится меньше, энергия сама становится все больше и больше, приближаясь бесконечность. Поэтому, когда вы пытаетесь разогнать частицу почти до скорости света, для этого требуется все больше и больше энергии. На самом деле ускорение до скорости самого света потребует бесконечного количества энергии, что невозможно.

Исходя из этого, никакая частица, которая движется медленнее, чем скорость света, никогда не сможет достичь скорости света (или, соответственно, быстрее, чем скорость света).

Так что, если бы у нас была частица, которая движется быстрее скорости света. Это вообще возможно?

Строго говоря, это возможно. Такие частицы, называемые тахионами, обнаруживаются в некоторых теоретических моделях, но они почти всегда заканчиваются удалением, потому что они представляют фундаментальную нестабильность в модели. На сегодняшний день у нас нет экспериментальных доказательств того, что тахионы существуют.

Если бы тахион существовал, он всегда двигался бы быстрее скорости света. Используя те же рассуждения, что и в случае частиц, которые медленнее света, вы можете доказать, что потребовалось бы бесконечное количество энергии для замедления тахиона до скорости света.

Разница в том, что в этом случае вы в конечном итоге v-термин немного больше единицы, что означает, что число в квадратном корне является отрицательным. Это приводит к воображаемому числу, и даже концептуально не ясно, что на самом деле означает наличие воображаемой энергии. (Нет, это нетемная энергия.)

Как я упоминал ранее, когда свет уходит из вакуума в другой материал, он замедляется. Возможно, что заряженная частица, такая как электрон, может войти в материал с достаточной силой, чтобы двигаться быстрее, чем свет внутри этого материала. (Скорость света в данном материале называется фазовая скорость света в этой среде.) В этом случае заряженная частица излучает форму электромагнитное излучение это стало называться Черенковское излучение.

Существует один способ ограничения скорости света. Это ограничение относится только к объектам, которые движутся в пространстве-времени, но возможно пространство-время само расширяется со скоростью, при которой объекты внутри него отделяются быстрее скорости света.

В качестве несовершенного примера представим два плота, плавающих по реке с постоянной скоростью. Река разветвляется на две ветви, по одному плоту плывут по каждой ветви. Хотя каждый из плотов всегда движется с одинаковой скоростью, он движется быстрее относительно друг друга из-за относительного потока самой реки. В этом примере сама река является пространством-временем.

Согласно современной космологической модели, дальние границы Вселенной расширяются со скоростью, превышающей скорость света. В ранней вселенной наша вселенная также расширялась с такой скоростью. Тем не менее, в любой конкретной области пространства-времени ограничения скорости, налагаемые относительностью, сохраняются.

В заключение следует упомянуть гипотетическую идею, называемую космологией с переменной скоростью света (VSL), которая предполагает, что скорость света сама по себе со временем меняется. Это очень противоречивая теория, и есть мало прямых экспериментальных доказательств, подтверждающих это. В основном, теория была выдвинута, потому что она имеет потенциал для решения определенных проблем в эволюции ранней вселенной, не прибегая к теория инфляции.