Relativitātes teorija un gaismas ātrums

Viens fizikā vispārzināms fakts ir tas, ka jūs nevarat pārvietoties ātrāk par gaismas ātrumu. Kamēr tas ir būtībā tiesa, tā ir arī pārlieku vienkāršošana. Saskaņā relativitātes teorija, faktiski ir trīs veidi, kā objekti var pārvietoties:

• Gaismas ātrumā
• Lēnāks par gaismas ātrumu
• Ātrāks par gaismas ātrumu

Viena no galvenajām atziņām par to Alberts Einšteins viņa relativitātes teorijas izstrādei tika izmantots, ka gaisma vakuumā vienmēr pārvietojas ar tādu pašu ātrumu. Gaismas daļiņas vai fotoni, tāpēc pārvietojieties ar gaismas ātrumu. Tas ir vienīgais ātrums, ar kādu fotoni var pārvietoties. Viņi nekad nevar paātrināt vai palēnināt. (Piezīme: Fotoni mainās ātrumā, kad iet cauri dažādiem materiāliem. Tā notiek refrakcija, bet tas ir fotona absolūtais ātrums vakuumā, kas nevar mainīties.) Faktiski visi bozoni pārvietojieties ar gaismas ātrumu, cik vien mēs varam pateikt.

Nākamais lielais daļiņu komplekts (cik mēs zinām, visi tie, kas nav bozoni) pārvietojas lēnāk nekā gaismas ātrums. Relativitāte mums saka, ka fiziski nav iespējams kādreiz paātrināt šīs daļiņas pietiekami ātri, lai sasniegtu gaismas ātrumu. Kāpēc ir šis? Tas faktiski veido dažus matemātiskos pamatjēdzienus.

Tā kā šie objekti satur masu, relativitāte mums saka, ka vienādojums kinētiskā enerģija Objekta vērtību, pamatojoties uz tā ātrumu, nosaka ar vienādojumu:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / kvadrātsakne no (1 - v²/c²) - m₀c²

Iepriekš minētajā vienādojumā daudz kas notiek, tāpēc izsaiņosim šos mainīgos:

• γ ir Lorenca koeficients, kas ir mēroga koeficients, kas atkārtoti parādās relativitātē. Tas norāda dažādu lielumu izmaiņas, piemēram, masu, garumu un laiku, kad objekti pārvietojas. Kopš γ = 1 / / kvadrātsakne no (1 - v²/c²), tas ir iemesls, kas izraisa atšķirīgo parādīto divu vienādojumu izskatu.
• m₀ ir objekta atpūtas masa, ko iegūst, ja tam ir 0 ātrums dotajā atskaites ietvarā.
• c ir gaismas ātrums brīvā telpā.
• v ir objekta kustības ātrums. Relatīvisma efekti ir pamanāmi nozīmīgi tikai ļoti augstām v, tāpēc šos efektus varēja ignorēt vēl ilgi pirms Einšteina nākšanas.

Ievērojiet saucēju, kurā ir mainīgais v (priekš ātrums). Tuvojoties ātrumam un tuvojoties gaismas ātrumam (c), ka v²/c² termiņš pietuvosies tuvāk 1... kas nozīmē, ka saucēja vērtība ("kvadrātsakne no 1 - v²/c²") pietuvosies tuvāk un tuvāk 0.

Kad saucējs kļūst mazāks, tuvojas arī pati enerģija bezgalība. Tāpēc, mēģinot paātrināt daļiņu gandrīz līdz gaismas ātrumam, tas prasa arvien vairāk enerģijas. Patiesībā paša gaismas ātruma paātrināšana prasītu bezgalīgu enerģijas daudzumu, kas nav iespējams.

Ar šo pamatojumu neviena daļiņa, kas pārvietojas lēnāk nekā gaismas ātrums, nekad nevar sasniegt gaismas ātrumu (vai, paplašinot to, iet ātrāk par gaismas ātrumu).

Kā būtu, ja mums būtu daļiņa, kas kustas ātrāk nekā gaismas ātrums. Vai tas ir pat iespējams?

Stingri sakot, tas ir iespējams. Šādas daļiņas, ko sauc par tahoniem, ir parādījušās dažos teorētiskos modeļos, taču tās gandrīz vienmēr tiek noņemtas, jo tās raksturo būtisku modeļa nestabilitāti. Līdz šim mums nav eksperimentālu pierādījumu, kas liecinātu par tahonu esamību.

Ja tahons eksistētu, tas vienmēr kustētos ātrāk nekā gaismas ātrums. Izmantojot to pašu apsvērumu, kas attiecas uz daļiņām, kas lēnāk nekā gaisma, jūs varat pierādīt, ka tachona palēnināšanai līdz gaismas ātrumam būs nepieciešams bezgalīgs enerģijas daudzums.

Atšķirība ir tā, ka šajā gadījumā jūs galu galā esat v- termiņš ir nedaudz lielāks par vienu, kas nozīmē, ka skaitlis kvadrātsaknē ir negatīvs. Tā rezultātā tiek iegūts iedomāts skaitlis, un pat nav konceptuāli skaidrs, ko īsti nozīmētu iedomātas enerģijas iegūšana. (Nē, tas ir nētumšā enerģija.)

Kā jau minēju iepriekš, kad gaisma no vakuuma nonāk citā materiālā, tā palēninās. Iespējams, ka uzlādēta daļiņa, piemēram, elektrons, var iekļūt materiālā ar pietiekamu spēku, lai tajā pārvietotos ātrāk nekā gaisma. (Gaismas ātrumu dotajā materiālā sauc par fāzes ātrums gaismu šajā barotnē.) Šajā gadījumā uzlādētā daļiņa izstaro formu elektromagnētiskā radiācija to sauc Čerenkova starojums.

Gaismas ierobežojuma ātrumam ir viens veids. Šis ierobežojums attiecas tikai uz objektiem, kas pārvietojas kosmosa laikā, bet tas ir iespējams kosmosa laiks pati izplešas tādā ātrumā, lai tajā esošie objekti atdalītos ātrāk nekā gaismas ātrums.

Kā nepilnīgs piemērs padomājiet par diviem plostiem, kas peld ar upi ar nemainīgu ātrumu. Upe dakšas sadalās divos zaros, pa vienam plostam peldot pa katru no zariem. Lai arī paši plosti vienmēr pārvietojas ar vienādu ātrumu, tie savstarpēji pārvietojas ātrāk pašas upes relatīvās plūsmas dēļ. Šajā piemērā pati upe ir kosmosa laiks.

Saskaņā ar pašreizējo kosmoloģisko modeli Visuma tālie attālumi izplešas ar ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu. Agrīnajā Visumā ar šo ātrumu arī mūsu Visums paplašinājās. Jebkurā noteiktā kosmosa laika reģionā joprojām pastāv relativitātes noteiktie ātruma ierobežojumi.

Pēdējais pieminēšanas vērtais punkts ir hipotētiska ideja, ko sauc par mainīgā gaismas ātruma (VSL) kosmoloģiju, kas liek domāt, ka laika gaitā pats gaismas ātrums ir mainījies. Tas ir ārkārtīgi Pretrunīgi vērtētā teorija, un tās atbalstam ir maz tiešu eksperimentālu pierādījumu. Galvenokārt teorija ir izvirzīta tāpēc, ka tai ir potenciāls atrisināt noteiktas problēmas agrīnā Visuma evolūcijā, neizmantojot inflācijas teorija.