Suhteellisuusteoria ja valon nopeus

Yksi fysiikassa yleisesti tunnettu tosiasia on, että et voi liikkua valon nopeutta nopeammin. Vaikka se on pohjimmiltaan totta, se on myös liian yksinkertaistettu. Alla suhteellisuusteoria, esineitä voidaan liikuttaa kolmella tapaa:

• Valon nopeudella
• Valon nopeutta hitaampi
• Nopeampi kuin valon nopeus

Yksi keskeisistä oivalluksista Albert Einstein suhteellisuusteoriansa kehittämiseen käytettiin sitä, että tyhjössä oleva valo liikkuu aina samalla nopeudella. Valon hiukkaset, tai fotonit, sen vuoksi liikkua valon nopeudella. Tämä on ainoa nopeus, jolla fotonit voivat liikkua. He eivät voi koskaan nopeuttaa tai hidastaa. (Huomautus: Fotonit muuttavat nopeutta, kun ne kulkevat eri materiaalien läpi. Näin taittuminen tapahtuu, mutta fotonin absoluuttinen nopeus tyhjiössä ei voi muuttua.) Itse asiassa kaikki bosonit liikkua valon nopeudella, sikäli kuin voimme kertoa.

Seuraava suuri hiukkassarja (sikäli kuin tiedämme, kaikki ne, jotka eivät ole bosoneja) liikkuvat hitaammin kuin valon nopeus. Suhteellisuussuhde kertoo meille, että fyysisesti on mahdotonta koskaan kiihdyttää näitä hiukkasia riittävän nopeasti valon nopeuden saavuttamiseksi. Miksi tämä on? Se todella tarkoittaa joitain matemaattisia peruskäsitteitä.

Koska nämä esineet sisältävät massaa, relatiivisuus kertoo meille, että yhtälö kineettinen energia Objektin nopeus perustuu määrään yhtälö:

E_K = m₀(γ - 1)C²

E_K = m₀C² / neliöjuuri (1 - v²/C²) - m₀C²

Yllä olevassa yhtälössä tapahtuu paljon, joten pakkaamme muuttujat pakkauksesta:

• γ on Lorentz-kerroin, joka on mittakaavakerroin, joka näkyy toistuvasti suhteellisuudessa. Se osoittaa muutoksen eri määrissä, kuten massa, pituus ja aika, kun esineet liikkuvat. Siitä asti kun γ = 1 / / neliöjuuri (1 - v²/C²), tämä aiheuttaa kahden esitetyn yhtälön erilaisen ilmeen.
• m₀ on esineen loput massa, joka saadaan, kun sen nopeus on 0 tietyssä viitekehyksessä.
• C on valon nopeus vapaassa tilassa.
• v on nopeus, jolla esine liikkuu. Relativistiset vaikutukset ovat huomattavasti merkittäviä vain erittäin korkeille arvoille v, minkä vuoksi näitä vaikutuksia voitiin sivuuttaa kauan ennen kuin Einstein tuli mukaan.

Huomaa nimittäjä, joka sisältää muuttujan v (varten nopeus). Kun nopeus lähenee ja lähenee valon nopeutta (C), että v²/C² termi tulee lähemmäksi 1: tä... mikä tarkoittaa, että nimittäjän arvo ("neliöjuuri 1 - v²/C²") lähenee ja lähemmäs nollaa.

Kun nimittäjä pienenee, energia itse kasvaa ja lähenee äärettömyys. Siksi, kun yrität kiihdyttää hiukkanen melkein valon nopeuteen, se vie enemmän ja enemmän energiaa. Itse itse valon nopeuteen kiihdyttäminen vie äärettömän määrän energiaa, mikä on mahdotonta.

Tällä päättelyllä mikään hiukkas, joka liikkuu valon nopeutta hitaammin, ei voi koskaan saavuttaa valon nopeutta (tai laajentaa siten valon nopeutta nopeammin).

Entä entä jos meillä olisi hiukkanen, joka liikkuu nopeammin kuin valon nopeus. Onko se edes mahdollista?

Tarkkaan ottaen se on mahdollista. Tällaiset hiukkaset, joita kutsutaan takyoneiksi, ovat osoittautuneet joissain teoreettisissa malleissa, mutta ne lopulta lopulta poistuvat, koska ne edustavat mallin epävakautta. Tähän päivään mennessä meillä ei ole kokeellista näyttöä siitä, että takyoneja on olemassa.

Jos takyoni olisi olemassa, se liikkuu aina valon nopeutta nopeammin. Käyttämällä samaa päättelyä kuin valoa hitaammat hiukkaset, voit todistaa, että takyonin hidastaminen valonopeuteen vie äärettömän määrän energiaa.

Ero on siinä, että tässä tapauksessa päädyt v-termi on hiukan suurempi kuin yksi, mikä tarkoittaa, että neliöjuuren luku on negatiivinen. Tuloksena on kuvitteellinen luku, eikä edes käsitteellisesti ole selvää, mitä kuvitteellisen energian saaminen todella tarkoittaisi. (Ei, tämä on eitumma energia.)

Kuten aiemmin mainitsin, kun valo siirtyy tyhjiöstä toiseen materiaaliin, se hidastuu. On mahdollista, että varautunut hiukkanen, kuten elektroni, voi päästä materiaaliin riittävän voimakkaasti liikkuakseen valoa nopeammin materiaalin sisällä. (Valon nopeutta annetussa materiaalissa kutsutaan vaiheen nopeus valoa siinä väliaineessa.) Tässä tapauksessa varautunut hiukkanen emittoi muodon elektromagneettinen säteily siitä on tullut nimeltään Cherenkov-säteily.

Valonrajoituksen nopeudella on yksi tapa. Tämä rajoitus koskee vain esineitä, jotka liikkuvat avaruuden aikana, mutta se on mahdollista spacetime itse laajenee sellaisella nopeudella, että sen sisällä olevat esineet erottuvat nopeammin kuin valon nopeus.

Epätäydellisenä esimerkkinä ajatelkaa kahta lauttaa, jotka kelluvat joella vakionopeudella. Joki haarukkaantuu kahdeksi haaraksi, joista yksi lautta kelluu kummassakin haarassa alas. Vaikka lautat itsekin kulkevat aina samalla nopeudella, ne liikkuvat nopeammin suhteessa toisiinsa joen suhteellisen virtauksen vuoksi. Tässä esimerkissä joki itsessään on avaruusaika.

Nykyisen kosmologisen mallin mukaan maailmankaikkeuden kaukainen ulottuvuus laajenee nopeudella kuin valon nopeus. Varhaisessa maailmankaikkeudessa myös maailmankaikkeus laajeni tällä nopeudella. Relatiivisuuden asettamat nopeusrajoitukset pysyvät kuitenkin millä tahansa tietyllä avaruusajan alueella.

Viimeinen mainitsemisen arvoinen kohta on hypoteettinen ajatus, jota kutsutaan muuttuvan valonopeuden (VSL) kosmologiaksi, mikä viittaa siihen, että itsensä valon nopeus on muuttunut ajan myötä. Tämä on erittäin kiistanalainen teoria ja sen tukemiseksi ei ole juurikaan suoraa kokeellista näyttöä. Teoria on pääosin esitetty, koska sillä on potentiaalia ratkaista tietyt ongelmat varhaisen maailmankaikkeuden evoluutiossa turvautumatta inflaatioteoria.