Czy cokolwiek może poruszać się szybciej niż prędkość światła?

Jose A. Bernat Bacete / Getty Images

Powszechnie znanym faktem w fizyce jest to, że nie można poruszać się szybciej niż prędkość światła. Chociaż to jest zasadniczo to prawda, to także nadmierne uproszczenie. Pod teoria względności , istnieją właściwie trzy sposoby poruszania się obiektów:

• Z prędkością światła
• Wolniej niż prędkość światła
• Szybszy niż prędkość światła

Poruszając się z prędkością światła

Jeden z kluczowych spostrzeżeń, które Albert Einstein używany do rozwijania jego teorii względności polegał na tym, że światło w próżni zawsze porusza się z tą samą prędkością. Cząsteczki światła, czyli fotony , dlatego poruszaj się z prędkością światła. To jedyna prędkość, z jaką mogą się poruszać fotony. Nigdy nie mogą przyspieszyć ani zwolnić. ( Notatka: Fotony zmieniają prędkość, gdy przechodzą przez różne materiały. Tak zachodzi załamanie, ale to bezwzględna prędkość fotonu w próżni nie może się zmienić). bozony poruszają się z prędkością światła, o ile możemy to stwierdzić.

Wolniej niż prędkość światła

Kolejny duży zestaw cząstek (o ile wiemy, wszystkie te, które nie są bozonami) poruszają się wolniej niż prędkość światła. Teoria względności mówi nam, że fizycznie niemożliwe jest przyspieszenie tych cząstek wystarczająco szybko, aby osiągnąć prędkość światła. Dlaczego to? W rzeczywistości sprowadza się to do kilku podstawowych pojęć matematycznych.

Ponieważ obiekty te zawierają masę, teoria względności mówi nam, że równanie energia kinetyczna obiektu, na podstawie jego prędkości, określa równanie:

ORAZ_k = m ₀( c - 1) c ^dwa

ORAZ_k = m ₀ c ^dwa/ pierwiastek kwadratowy z (1 - w ^dwa/ c ^dwa) - m ₀ c ^dwa

W powyższym równaniu dużo się dzieje, więc rozpakujmy te zmienne:

• c jest współczynnikiem Lorentza, który jest współczynnikiem skali, który pojawia się wielokrotnie w teorii względności. Wskazuje zmiany w różnych wielkościach, takich jak masa, długość i czas, gdy obiekty się poruszają. Odkąd c = 1 / / pierwiastek kwadratowy z (1 - w ^dwa/ c ^dwa), to właśnie powoduje inny wygląd dwóch pokazanych równań.
• m ₀jest masą spoczynkową obiektu, uzyskaną, gdy ma prędkość 0 w danym układzie odniesienia.
• c to prędkość światła w wolnej przestrzeni.
• w to prędkość, z jaką porusza się obiekt. Efekty relatywistyczne są zauważalnie istotne tylko dla bardzo wysokich wartości w , dlatego te efekty można było ignorować na długo przed pojawieniem się Einsteina.

Zwróć uwagę na mianownik, który zawiera zmienną w (dla prędkość ). W miarę zbliżania się prędkości do prędkości światła ( c ), że w ^dwa/ c ^dwawyraz będzie coraz bliższy 1 ... co oznacza, że ​​wartość mianownika ('pierwiastek kwadratowy z 1 - w ^dwa/ c ^dwa') będzie coraz bliżej 0.

W miarę zmniejszania się mianownika sama energia staje się coraz większa, zbliżając się nieskończoność . Dlatego, gdy próbujesz rozpędzić cząstkę prawie do prędkości światła, potrzeba do tego coraz więcej energii. Właściwe przyspieszenie do prędkości samego światła wymagałoby nieskończonej ilości energii, co jest niemożliwe.

Zgodnie z tym rozumowaniem żadna cząstka, która porusza się wolniej niż prędkość światła, nigdy nie może osiągnąć prędkości światła (lub, co za tym idzie, poruszać się szybciej niż prędkość światła).

Szybszy niż prędkość światła

A co, gdybyśmy mieli cząsteczkę, która porusza się szybciej niż prędkość światła. Czy to w ogóle możliwe?

Ściśle mówiąc, jest to możliwe. Takie cząstki, zwane tachionami, pojawiły się w niektórych modelach teoretycznych, ale prawie zawsze są usuwane, ponieważ reprezentują fundamentalną niestabilność modelu. Do tej pory nie mamy żadnych eksperymentalnych dowodów wskazujących na istnienie tachionów.

Gdyby tachion istniał, zawsze poruszałby się szybciej niż prędkość światła. Używając tego samego rozumowania, co w przypadku cząstek wolniejszych od światła, możesz udowodnić, że spowolnienie tachionu do prędkości światła wymagałoby nieskończonej ilości energii.

Różnica polega na tym, że w tym przypadku otrzymujesz w -term jest nieco większy niż jeden, co oznacza, że ​​liczba w pierwiastku kwadratowym jest ujemna. Skutkuje to liczbą urojoną i nie jest nawet koncepcyjnie jasne, co naprawdę oznaczałoby posiadanie energii urojonej. (Nie, to jest nie ciemna energia .)

Szybciej niż wolne światło

Jak wspomniałem wcześniej, kiedy światło przechodzi z próżni do innego materiału, zwalnia. Możliwe, że naładowana cząstka, taka jak elektron, może wejść w materiał z wystarczającą siłą, aby poruszać się szybciej niż światło w tym materiale. (Prędkość światła w danym materiale nazywana jest prędkość fazowa światła w tym ośrodku). W tym przypadku naładowana cząstka emituje postać promieniowanie elektromagnetyczne to się nazywa Promieniowanie Czerenkowa .

Potwierdzony wyjątek

Istnieje jeden sposób na obejście ograniczenia prędkości światła. To ograniczenie dotyczy tylko obiektów poruszających się w czasoprzestrzeni, ale jest to możliwe dla czas, przestrzeń rozszerzać się w takim tempie, że znajdujące się w nim obiekty oddzielają się szybciej niż prędkość światła.

Jako niedoskonały przykład pomyśl o dwóch tratwach spływających rzeką ze stałą prędkością. Rzeka rozwidla się na dwie gałęzie, po każdej z nich spływa jedna tratwa. Chociaż same tratwy poruszają się zawsze z tą samą prędkością, poruszają się one szybciej względem siebie ze względu na względny przepływ samej rzeki. W tym przykładzie sama rzeka jest czasoprzestrzenią.

W obecnym modelu kosmologicznym odległe zakątki Wszechświata rozszerzają się z prędkością większą niż prędkość światła. We wczesnym wszechświecie nasz wszechświat również rozszerzał się w tym tempie. Mimo to, w dowolnym określonym obszarze czasoprzestrzeni, ograniczenia prędkości narzucone przez teorię względności są nadal aktualne.

Jeden możliwy wyjątek

Ostatnim punktem, o którym warto wspomnieć, jest wysunięty hipotetyczny pomysł zwany kosmologią zmiennej prędkości światła (VSL), który sugeruje, że sama prędkość światła zmieniała się w czasie. To jest niezwykle kontrowersyjną teorię i niewiele jest bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na jej poparcie. Przede wszystkim teoria została wysunięta, ponieważ może rozwiązać pewne problemy w ewolucji wczesnego wszechświata bez uciekania się do teoria inflacji .