Môže sa niečo pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla?

Jose A. Bernat Bacete / Getty Images

Jeden všeobecne známy fakt vo fyzike je, že sa nemôžete pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Kým to je v podstate pravda, je to tiež prílišné zjednodušenie. Pod teória relativity V skutočnosti existujú tri spôsoby, ako sa môžu objekty pohybovať:

• Pri rýchlosti svetla
• Pomalšie ako rýchlosť svetla
• Rýchlejšie ako rýchlosť svetla

Pohybuje sa rýchlosťou svetla

Jeden z kľúčových poznatkov Albert Einstein pri vývoji svojej teórie relativity použil názor, že svetlo vo vákuu sa vždy pohybuje rovnakou rýchlosťou. Častice svetla, príp fotóny , preto sa pohybujú rýchlosťou svetla. Toto je jediná rýchlosť, ktorou sa môžu fotóny pohybovať. Nikdy nemôžu zrýchliť ani spomaliť. ( Poznámka: Fotóny menia rýchlosť, keď prechádzajú rôznymi materiálmi. Takto dochádza k lomu, ale je to absolútna rýchlosť fotónu vo vákuu, ktorá sa nemôže zmeniť.) V skutočnosti všetky bozóny pohybovať sa rýchlosťou svetla, pokiaľ vieme.

Pomalšie ako rýchlosť svetla

Ďalší hlavný súbor častíc (pokiaľ vieme, všetky tie, ktoré nie sú bozónmi) sa pohybuje pomalšie ako rýchlosť svetla. Relativita nám hovorí, že je fyzicky nemožné zrýchliť tieto častice dostatočne rýchlo na to, aby dosiahli rýchlosť svetla. Prečo je toto? V skutočnosti ide o niektoré základné matematické pojmy.

Keďže tieto objekty obsahujú hmotnosť, relativita nám hovorí, že rovnica Kinetická energia objektu na základe jeho rýchlosti je určená rovnicou:

A_k = m ₀( c - 1) c ^dva

A_k = m ₀ c ^dva/ druhá odmocnina z (1 - v ^dva/ c ^dva) - m ₀ c ^dva

Vo vyššie uvedenej rovnici sa toho veľa deje, takže rozbaľme tieto premenné:

• c je Lorentzov faktor, čo je mierkový faktor, ktorý sa opakovane objavuje v relativite. Označuje zmenu rôznych veličín, ako je hmotnosť, dĺžka a čas, keď sa objekty pohybujú. Od r c = 1 // druhá odmocnina z (1 - v ^dva/ c ^dva), to spôsobuje odlišný vzhľad dvoch zobrazených rovníc.
• m ₀je pokojová hmotnosť objektu získaná, keď má rýchlosť 0 v danej referenčnej sústave.
• c je rýchlosť svetla vo voľnom priestore.
• v je rýchlosť, ktorou sa objekt pohybuje. Relativistické efekty sú výrazne významné len pri veľmi vysokých hodnotách v , čo je dôvod, prečo tieto účinky mohli byť ignorované dlho predtým, ako prišiel Einstein.

Všimnite si menovateľa, ktorý obsahuje premennú v (pre rýchlosť ). Ako sa rýchlosť približuje a približuje k rýchlosti svetla ( c ), to v ^dva/ c ^dvavýraz sa bude čoraz viac približovať k 1 ... čo znamená, že hodnota menovateľa („druhá odmocnina z 1 – v ^dva/ c ^dva') bude čoraz bližšie k 0.

Ako sa menovateľ zmenšuje, samotná energia sa zväčšuje a zväčšuje nekonečno . Preto, keď sa pokúsite zrýchliť časticu takmer na rýchlosť svetla, vyžaduje to viac a viac energie. Skutočné zrýchlenie na rýchlosť samotného svetla by vyžadovalo nekonečné množstvo energie, čo je nemožné.

Podľa tohto uvažovania žiadna častica, ktorá sa pohybuje pomalšie ako rýchlosť svetla, nemôže nikdy dosiahnuť rýchlosť svetla (alebo v konečnom dôsledku ísť rýchlejšie ako rýchlosť svetla).

Rýchlejšie ako rýchlosť svetla

Čo keby sme mali časticu, ktorá sa pohybuje rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Je to vôbec možné?

Presne povedané, je to možné. Takéto častice, nazývané tachyóny, sa objavili v niektorých teoretických modeloch, ale takmer vždy sa nakoniec odstránia, pretože predstavujú základnú nestabilitu modelu. K dnešnému dňu nemáme žiadne experimentálne dôkazy, ktoré by naznačovali, že tachyóny skutočne existujú.

Ak by tachyón existoval, vždy by sa pohyboval rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Použitím rovnakých úvah ako v prípade častíc pomalších ako svetlo môžete dokázať, že na spomalenie tachyónu na rýchlosť svetla by bolo potrebné nekonečné množstvo energie.

Rozdiel je v tom, že v tomto prípade skončíte s v -člen je o niečo väčší ako jedna, čo znamená, že číslo v druhej odmocnine je záporné. Výsledkom je imaginárne číslo a nie je ani koncepčne jasné, čo by skutočne znamenalo mať imaginárnu energiu. (Nie, toto je nie temná energia .)

Rýchlejšie ako pomalé svetlo

Ako som už spomenul, keď svetlo prechádza z vákua do iného materiálu, spomalí sa. Je možné, že nabitá častica, ako napríklad elektrón, môže vstúpiť do materiálu s dostatočnou silou, aby sa v tomto materiáli pohybovala rýchlejšie ako svetlo. (Rýchlosť svetla v rámci daného materiálu sa nazýva fázová rýchlosť svetla v tomto médiu.) V tomto prípade nabitá častica vyžaruje formu elektromagnetická radiácia tomu sa hovorí Čerenkovovo žiarenie .

Potvrdená výnimka

Existuje jeden spôsob, ako obmedziť rýchlosť svetla. Toto obmedzenie sa vzťahuje iba na objekty, ktoré sa pohybujú priestoročasom, ale je to možné vesmírny čas sa rozpína ​​takou rýchlosťou, že objekty v ňom sa oddeľujú rýchlejšie ako je rýchlosť svetla.

Ako nedokonalý príklad si predstavte dva plte plávajúce po rieke konštantnou rýchlosťou. Rieka sa rozvetvuje na dve ramená, pričom na každom ramene pláva jedna plť. Hoci sa samotné plte vždy pohybujú rovnakou rýchlosťou, pohybujú sa vo vzťahu k sebe rýchlejšie kvôli relatívnemu prietoku samotnej rieky. V tomto príklade je samotná rieka časopriestorom.

Podľa súčasného kozmologického modelu sa vzdialené oblasti vesmíru rozpínajú rýchlosťou vyššou ako rýchlosť svetla. V ranom vesmíre sa náš vesmír tiež rozpínal touto rýchlosťou. Napriek tomu v akejkoľvek konkrétnej oblasti časopriestoru platia obmedzenia rýchlosti uložené teóriou relativity.

Jedna možná výnimka

Posledným bodom, ktorý stojí za zmienku, je predložená hypotetická myšlienka nazývaná kozmológia variabilnej rýchlosti svetla (VSL), ktorá naznačuje, že rýchlosť samotného svetla sa v priebehu času menila. Toto je extrémne kontroverzná teória a existuje len málo priamych experimentálnych dôkazov na jej podporu. Väčšinou bola teória predložená, pretože má potenciál vyriešiť určité problémy vo vývoji raného vesmíru bez toho, aby sa inflačná teória .