Relatiivsusteooria ja valguse kiirus

Üks füüsikas üldtuntud fakt on see, et te ei saa liikuda kiiremini kui valguse kiirus. Kuigi see on põhimõtteliselt tõsi, see on ka liigne lihtsustamine. All relatiivsusteooria, on objektide liikumiseks tegelikult kolm võimalust:

• Valguskiirusel
• Valguskiirusest aeglasem
• Kiirem kui valguse kiirus

Üks peamisi teadmisi sellest Albert Einstein Tema relatiivsusteooria väljatöötamiseks kasutati seda, et valgus vaakumis liigub alati sama kiirusega. Valguse osakesed või footonid, seetõttu liikuge valguse kiirusel. See on ainus kiirus, millega footonid saavad liikuda. Nad ei saa kunagi kiirendada ega aeglustada. (Märge: Erinevate materjalide läbimisel muudavad footonid kiirust. Nii toimub murdumine, kuid see on footoni absoluutkiirus vaakumis, mis ei saa muutuda.) Tegelikult on kõik bosonid liikuda valguse kiirusel, niipalju kui me oskame öelda.

Järgmine suurem osakeste komplekt (nii palju kui me teame, kõik need, mis ei ole bosonid) liiguvad valguse kiirusest aeglasemalt. Relatiivsus ütleb meile, et füüsiliselt on võimatu neid osakesi kunagi piisavalt kiiresti kiirendada, et saavutada valguse kiirus. Miks on see? See ulatub tegelikult mõnede matemaatiliste põhimõisteteni.

Kuna need objektid sisaldavad massi, siis relatiivsus ütleb meile, et võrrand kineetiline energia objekti kiirus, arvutatakse järgmise valemi abil:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / ruutjuur (1 - v²/c²) - m₀c²

Ülaltoodud võrrandis toimub palju, nii et lähme need muutujad lahti:

• γ on Lorentzi tegur, mis on skaalategur, mis korduvalt ilmneb suhtelisuses. See näitab erinevate koguste, näiteks massi, pikkuse ja aja muutust objektide liikumisel. Alates γ = 1 / / (1 - / v²/c²), põhjustab see kahe näidatud võrrandi erinevat väljanägemist.
• m₀ on objekti ülejäänud mass, mis saadakse siis, kui selle kiirus antud tugiraamis on 0.
• c on valguse kiirus vabas ruumis.
• v on kiirus, millega objekt liigub. Relativistlikud efektid on märkimisväärselt olulised ainult väga kõrgete väärtuste puhul v, mistõttu võis neid efekte pikka aega ignoreerida, enne kui Einstein kaasa tuli.

Pange tähele nimetajat, mis sisaldab muutujat v (jaoks kiirus). Kiiruse lähenedes valguse kiirusele lähemale (c), seda v²/c² termin saab lähemale ja lähemale 1... mis tähendab, et nimetaja väärtus ("ruutjuur 1 - v²/c²") lähemale 0-le.

Kui nimetaja muutub väiksemaks, läheneb ka energia ise suuremaks ja suuremaks lõpmatus. Seetõttu, kui proovite osakesi kiirendada peaaegu valguse kiiruseni, kulub selle tegemiseks üha rohkem energiat. Tegelikult kiirendamine valguse kiirusele ise võtaks lõpmatu hulga energiat, mis on võimatu.

Selle mõttekäigu kohaselt ei saa ükski valguse kiirusest aeglasemalt liikuv osake kunagi saavutada valguse kiirust (või laiendada seda valguse kiirusest kiiremini).

Mis oleks siis, kui meil oleks osake, mis liigub kiiremini kui valguse kiirus. Kas see on isegi võimalik?

Rangelt võttes on see võimalik. Selliseid osakesi, mida nimetatakse tahhüoonideks, on küll mõnedes teoreetilistes mudelites näidatud, kuid need eemaldatakse peaaegu alati, kuna need esindavad mudelis fundamentaalset ebastabiilsust. Praeguseks pole meil eksperimentaalseid tõendeid tahhüoonide olemasolu kohta.

Kui tahhoon oleks olemas, liiguks see alati kiiremini kui valguse kiirus. Kasutades sama arutluskäiku nagu heledamate osakeste puhul, saate tõestada, et tahhooni aeglaseks valgustamiseks kiiruseni kulub lõpmatuseni energiat.

Erinevus on see, et sel juhul jõuate lõpptulemuseni v-term on pisut suurem kui üks, mis tähendab, et ruutjuure arv on negatiivne. Selle tulemuseks on kujuteldav arv ja pole isegi kontseptuaalselt selge, mida kujuteldava energia omamine tegelikult tähendaks. (Ei, see on mittetume energia.)

Nagu ma varem mainisin, aeglustub valgus vaakumist teise materjali liikumisel. Võimalik, et laetud osake, näiteks elektron, võib siseneda materjali, mille jõud on selles materjalis kiiremini kui valgus liikuda piisava jõuga. (Valguse kiirust antud materjalis nimetatakse kiiruseks faasi kiirus valguses selles keskkonnas.) Sel juhul kiirgab laetud osake osakesi kujul elektromagnetiline kiirgus sellest on saanud nn Tšerenkovi kiirgus.

Valguse piiramise kiiruse ümber on üks võimalus. See piirang kehtib ainult ruumiajal liikuvate objektide kohta, kuid see on võimalik kosmoseaeg ise laieneda sellise kiirusega, et objektid selle sees eralduvad kiiremini kui valguse kiirus.

Ebatäiusliku näitena mõelge kahele parvele, mis ujuvad jõe ääres ühtlase kiirusega. Jõgi hargneb kaheks haruks, kusjuures üks parv hõljub kummalgi harul alla. Kuigi parved ise liiguvad alati sama kiirusega, liiguvad nad jõe enda suhtelise voolu tõttu üksteise suhtes kiiremini. Selles näites on jõgi ise kosmoseaeg.

Praeguse kosmoloogilise mudeli kohaselt laieneb universumi kaugem ulatus kiirusega kiiremini kui valguse kiirus. Varajases universumis laienes ka meie universum sellise kiirusega. Igas konkreetses kosmoseaja piirkonnas kehtivad siiski relatiivsuse seatud kiirusepiirangud.

Viimane märkimist vääriv punkt on hüpoteetiline idee, mida nimetatakse muutuva valguse kiiruse (VSL) kosmoloogiaks, mis viitab sellele, et valguse kiirus ise on aja jooksul muutunud. See on äärmiselt vastuoluline teooria ja selle toetuseks on vähe otseseid eksperimentaalseid tõendeid. Enamasti on teooria esitatud seetõttu, et sellel on potentsiaal lahendada teatavad probleemid varase universumi evolutsioonis ilma vajaduseta inflatsiooniteooria.