Ar kas nors gali judėti greičiau nei šviesos greitis?

Jose A. Bernat Bacete / Getty Images

Vienas iš fizikos žinomų faktų yra tai, kad jūs negalite judėti greičiau nei šviesos greitis. Nors tai iš esmės tiesa, tai taip pat perdėtas supaprastinimas. Pagal Reliatyvumo teorija , iš tikrųjų yra trys būdai, kaip objektai gali judėti:

• Šviesos greičiu
• Lėtesnis už šviesos greitį
• Greičiau nei šviesos greitis

Judėjimas šviesos greičiu

Viena iš pagrindinių įžvalgų, kad Albertas Einšteinas Jo reliatyvumo teorijai sukurti buvo naudojama ta, kad šviesa vakuume visada juda tuo pačiu greičiu. Šviesos dalelės arba fotonai , todėl judėkite šviesos greičiu. Tai vienintelis greitis, kuriuo fotonai gali judėti. Jie niekada negali pagreitinti ar sulėtinti. ( Pastaba: Fotonai keičia greitį, kai praeina per skirtingas medžiagas. Taip vyksta refrakcija, tačiau tai yra absoliutus fotono greitis vakuume, kuris negali keistis.) Tiesą sakant, visi bozonai judėti šviesos greičiu, kiek galime pasakyti.

Lėtesnis už šviesos greitį

Kitas pagrindinis dalelių rinkinys (kiek mes žinome, visos tos, kurios nėra bozonai) juda lėčiau nei šviesos greitis. Reliatyvumas mums sako, kad fiziškai neįmanoma kada nors pagreitinti šių dalelių pakankamai greitai, kad pasiektų šviesos greitį. Kodėl tai? Tai iš tikrųjų prilygsta kai kurioms pagrindinėms matematinėms sąvokoms.

Kadangi šiuose objektuose yra masė, reliatyvumo teorija mums sako, kad lygtis kinetinė energija Objekto dydis, remiantis jo greičiu, nustatomas pagal lygtį:

IR_k = m ₀( c -1) c ^du

IR_k = m ₀ c ^du/ kvadratinė šaknis iš (1 - in ^du/ c ^du) - m ₀ c ^du

Aukščiau pateiktoje lygtyje vyksta daug dalykų, todėl išpakuosime šiuos kintamuosius:

• c yra Lorenco koeficientas, kuris yra masto veiksnys, kuris pakartotinai pasirodo reliatyvumo teorijoje. Tai rodo skirtingų dydžių, tokių kaip masė, ilgis ir laikas, pokytį, kai objektai juda. Nuo c = 1 / / kvadratinė šaknis iš (1 - in ^du/ c ^du), tai lemia skirtingą dviejų parodytų lygčių išvaizdą.
• m ₀yra objekto ramybės masė, gaunama, kai jo greitis tam tikroje atskaitos sistemoje yra 0.
• c yra šviesos greitis laisvoje erdvėje.
• in yra greitis, kuriuo objektas juda. Reliatyvistiniai efektai pastebimai reikšmingi tik esant labai didelėms vertėms in , todėl į šiuos padarinius buvo galima nekreipti dėmesio dar ilgai, kol atsirado Einšteinas.

Atkreipkite dėmesį į vardiklį, kuriame yra kintamasis in (dėl greitis ). Kai greitis vis labiau artėja prie šviesos greičio ( c ), tai in ^du/ c ^duterminas vis labiau priartės prie 1 ... o tai reiškia, kad vardiklio reikšmė („kvadratinė šaknis iš 1 - in ^du/ c ^du') vis labiau priartės prie 0.

Vardikliui mažėjant, pati energija tampa vis didesnė, artėja begalybė . Todėl, kai bandote pagreitinti dalelę beveik iki šviesos greičio, tam reikia vis daugiau energijos. Tiesą sakant, norint įsibėgėti iki paties šviesos greičio, reikėtų be galo daug energijos, o tai neįmanoma.

Remiantis šiuo samprotavimu, jokia dalelė, judanti lėčiau nei šviesos greitis, niekada negali pasiekti šviesos greičio (arba, išplėtojus, eiti greičiau nei šviesos greitis).

Greičiau nei šviesos greitis

Taigi, ką daryti, jei turėtume dalelę, kuri juda greičiau nei šviesos greitis. Ar tai net įmanoma?

Griežtai kalbant, tai įmanoma. Tokios dalelės, vadinamos tachionais, buvo parodytos kai kuriuose teoriniuose modeliuose, tačiau jos beveik visada pašalinamos, nes yra esminis modelio nestabilumas. Iki šiol neturime eksperimentinių įrodymų, rodančių, kad tachionai egzistuoja.

Jei tachonas egzistuotų, jis visada judėtų greičiau nei šviesos greitis. Remdamiesi tuo pačiu argumentu, kaip ir lėtesnių už šviesą dalelių atveju, galite įrodyti, kad prireiktų be galo daug energijos, kad sulėtintumėte tachioną iki šviesos greičio.

Skirtumas tas, kad šiuo atveju jūs baigsite in -terminas yra šiek tiek didesnis nei vienas, o tai reiškia, kad skaičius kvadratinėje šaknyje yra neigiamas. Dėl to gaunamas įsivaizduojamas skaičius, ir net konceptualiai neaišku, ką iš tikrųjų reikštų įsivaizduojama energija. (Ne, tai yra ne tamsioji energija .)

Greitesnis nei lėta šviesa

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

Patvirtinta išimtis

Yra vienas būdas apriboti šviesos greitį. Šis apribojimas taikomas tik objektams, kurie juda erdvėlaikiu, tačiau tai įmanoma kosmoso laikas pati plėstis tokiu greičiu, kad jame esantys objektai atsiskiria greičiau nei šviesos greitis.

Kaip netobulą pavyzdį pagalvokite apie du plaustus, plaukiančius upe pastoviu greičiu. Upė išsišakoja į dvi šakas, po vieną plaustą plūduriuoja kiekviena iš šakų. Nors patys plaustai visada juda tuo pačiu greičiu, jie vienas kito atžvilgiu juda greičiau dėl pačios upės santykinio tėkmės. Šiame pavyzdyje pati upė yra erdvėlaikis.

Pagal dabartinį kosmologinį modelį tolimieji Visatos plotai plečiasi greičiau nei šviesos greitis. Ankstyvojoje visatoje mūsų visata taip pat plėtėsi tokiu greičiu. Vis dėlto bet kuriame konkrečiame erdvėlaikio regione galioja reliatyvumo nustatyti greičio apribojimai.

Viena Galima išimtis

Paskutinis dalykas, kurį verta paminėti, yra hipotetinė idėja, vadinama kintamo šviesos greičio (VSL) kosmologija, kuri rodo, kad pats šviesos greitis laikui bėgant pasikeitė. Tai yra nepaprastai prieštaringa teorija ir yra mažai tiesioginių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių ją. Dažniausiai ši teorija buvo pateikta todėl, kad ji gali išspręsti tam tikras ankstyvosios visatos evoliucijos problemas nesinaudojant infliacijos teorija .