Теорията на относителността и скоростта на светлината

Един общоизвестен факт във физиката е, че не можете да се движите по-бързо от скоростта на светлината. Докато това е така в основата си вярно, това също е прекалено опростяване. Под теория на относителността, всъщност има три начина, по които обектите могат да се движат:

• Със скоростта на светлината
• По-бавна от скоростта на светлината
• По-бърза от скоростта на светлината

Една от ключовите прозрения за това Алберт Айнщайн използван за разработване на теорията му за относителност е, че светлината във вакуум винаги се движи със същата скорост. Частиците светлина, или фотони, следователно се движете със скоростта на светлината. Това е единствената скорост, с която фотоните могат да се движат. Те никога не могат да ускорят или забавят. (Забележка: Фотоните променят скоростта, когато преминават през различни материали. Ето как става пречупването, но абсолютната скорост на фотона във вакуум не може да се промени.) Всъщност всички бозони движете се със скоростта на светлината, доколкото можем да кажем.

Следващият основен набор от частици (доколкото знаем, всички, които не са бозони) се движат по-бавно от скоростта на светлината. Относителността ни казва, че е физически невъзможно тези частици да се ускорят достатъчно бързо, за да достигнат скоростта на светлината. Защо е това? Това всъщност представлява някои основни математически понятия.

Тъй като тези обекти съдържат маса, относителността ни казва, че уравнението кинетична енергия на обекта въз основа на неговата скорост се определя от уравнението:

E_к = m₀(γ - 1)° С²

E_к = m₀° С² / квадратен корен на (1 - V²/° С²) - m₀° С²

В горното уравнение се случва много, така че нека разопаковаме тези променливи:

• γ е коефициентът на Лоренц, който е мащабен фактор, който се появява многократно в относителността. Той показва промяната в различни количества, като маса, дължина и време, когато обектите се движат. От γ = 1 / / квадратен корен на (1 - V²/° С²), това е причината за различния вид на двете показани уравнения.
• m₀ е остатъчната маса на обекта, получена, когато има скорост 0 в дадена референтна рамка.
• ° С е скоростта на светлината в свободното пространство.
• V е скоростта, с която се движи обектът. Релативистичните ефекти са значително забележими само при много високи стойности на V, поради което тези ефекти биха могли да бъдат игнорирани дълго преди Айнщайн да се появи.

Забележете знаменателя, който съдържа променливата V (за скорост). С напредване на скоростта на светлината скоростта (° С), че V²/° С² терминът ще се приближава и по-близо до 1... което означава, че стойността на знаменателя ("квадратният корен на 1 - V²/° С²") ще се приближава и по-близо до 0.

С нарастването на знаменателя, самата енергия става все по-голяма и се приближава безкрайност. Ето защо, когато се опитвате да ускорите частица почти до скоростта на светлината, е необходимо все повече и повече енергия за това. Всъщност ускоряването до самата скорост на светлината би отнело безкрайно количество енергия, което е невъзможно.

Чрез това разсъждение нито една частица, която се движи по-бавно от скоростта на светлината, никога не може да достигне скоростта на светлината (или, като разширение, да върви по-бързо от скоростта на светлината).

Какво ще кажем, ако имахме частица, която се движи по-бързо от скоростта на светлината. Възможно ли е това дори?

Строго погледнато, възможно е. Такива частици, наречени тахиони, са показани в някои теоретични модели, но почти винаги се отстраняват, защото представляват фундаментална нестабилност в модела. Към днешна дата нямаме експериментални доказателства, които да сочат, че съществуват тахиони.

Ако съществуваше тахион, той винаги щеше да се движи по-бързо от скоростта на светлината. Използвайки същите разсъждения, както в случая с по-бавни от светлината частици, можете да докажете, че ще е необходимо безкрайно количество енергия, за да се забави тахионът до скоростта на светлината.

Разликата е, че в този случай се озовавате с V-термата е малко по-голяма от една, което означава, че числото в квадратния корен е отрицателно. Това води до въображаемо число и дори не е концептуално ясно какво всъщност би имало въображаема енергия. (Не, това е нетъмна енергия.)

Както споменах по-рано, когато светлината преминава от вакуум в друг материал, тя се забавя. Възможно е заредена частица, като електрон, да навлезе в материал с достатъчна сила, за да се движи по-бързо от светлината в този материал. (Скоростта на светлината в даден материал се нарича фазова скорост светлина в тази среда.) В този случай заредената частица излъчва форма на електромагнитно излъчване това става призовано Черенков радиация.

Има един начин за ограничаване на скоростта на светлината. Това ограничение важи само за обекти, които се движат през пространството, но това е възможно космическо време да се разширява със скорост, така че обектите в него се разделят по-бързо от скоростта на светлината.

Като несъвършен пример, помислете за два сала, плаващи по река с постоянна скорост. Реката се разклонява на два клона, като по един сал плува надолу по всеки от клоните. Въпреки че самите салове винаги се движат с една и съща скорост, те се движат по-бързо един спрямо друг поради относителния поток на самата река. В този пример самата река е космическо време.

Съгласно настоящия космологичен модел, далечните достижения на Вселената се разширяват със скорост по-бърза от скоростта на светлината. В ранната вселена нашата вселена също се разширяваше. И все пак, във всеки конкретен регион от време, ограниченията на скоростта, наложени от относителността, са налице.

Една последна точка, която си струва да се спомене, е хипотетична идея, наречена космология с променлива скорост на светлината (VSL), която предполага, че самата скорост на светлината се е променила с течение на времето. Това е извънредно противоречива теория и има малко преки експериментални доказателства, които да я подкрепят. Най-вече теорията е изложена, защото има потенциал да разрешава определени проблеми в еволюцията на ранната Вселена, без да прибягва до инфлационна теория.