Relativitetsteorin och ljusets hastighet

Ett vanligt känt faktum inom fysiken är att du inte kan röra dig snabbare än ljusets hastighet. Även om det är det i grund och botten sant, det är också en överförenkling. Under relativitetsteorin, det finns faktiskt tre sätt objekt kan röra sig på:

• Med ljusets hastighet
• Långsammare än ljusets hastighet
• Snabbare än ljusets hastighet

En av de viktigaste insikterna som Albert Einstein används för att utveckla sin relativitetsteori var att ljus i ett vakuum alltid rör sig med samma hastighet. Ljuspartiklarna, eller fotoner, rör dig därför med ljusets hastighet. Detta är den enda hastighet som fotoner kan röra sig på. De kan aldrig påskynda eller sakta ner. (Notera: Fotoner ändrar hastighet när de passerar genom olika material. Detta är hur brytning inträffar, men det är fotonens absoluta hastighet i ett vakuum som inte kan förändras.) I själva verket är alla bosoner flytta med ljusets hastighet så långt vi kan säga.

Nästa stora uppsättning partiklar (så vitt vi vet, alla de som inte är bosoner) rör sig långsammare än ljusets hastighet. Relativiteten berättar att det är fysiskt omöjligt att någonsin accelerera dessa partiklar snabbt nog för att nå ljusets hastighet. Varför är detta? Det motsvarar faktiskt några grundläggande matematiska begrepp.

Eftersom dessa objekt innehåller massa, berättar relativitet att ekvationen rörelseenergi för objektet, baserat på dess hastighet, bestäms av ekvationen:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / kvadratrot av (1 - v²/c²) - m₀c²

Det finns mycket som händer i ovanstående ekvation, så låt oss packa upp dessa variabler:

• γ är Lorentz-faktorn, som är en skalfaktor som upprepade gånger dyker upp i relativitet. Det indikerar förändringen i olika mängder, såsom massa, längd och tid, när föremål rör sig. Eftersom γ = 1 / / kvadratrot av (1 - v²/c²), det är detta som orsakar de olika ekvationernas olika utseende.
• m₀ är restmassan för objektet, erhållet när det har en hastighet av 0 i en given referensram.
• c är ljusets hastighet i fritt utrymme.
• v är hastigheten med vilken objektet rör sig. De relativistiska effekterna är endast märkbart betydande för mycket höga värden på v, varför dessa effekter kunde ignoreras länge innan Einstein kom med.

Lägg märke till nämnaren som innehåller variabeln v (för hastighet). När hastigheten blir närmare och närmare ljusets hastighet (c), det där v²/c² term kommer närmare och närmare 1... vilket betyder att värdet på nämnaren ("kvadratroten av 1 - v²/c²") kommer att komma närmare och närmare 0.

När nämnaren blir mindre blir energin i sig större och större närmar sig oändlighet. Därför, när du försöker påskynda en partikel nästan till ljusets hastighet, tar det mer och mer energi att göra det. Att faktiskt accelerera till ljusets hastighet skulle ta en oändlig mängd energi, vilket är omöjligt.

Genom detta resonemang kan ingen partikel som rör sig långsammare än ljusets hastighet någonsin nå ljusets hastighet (eller förlängas gå snabbare än ljusets hastighet).

Så vad sägs om vi hade en partikel som rör sig snabbare än ljusets hastighet. Är det till och med möjligt?

Strängt taget är det möjligt. Sådana partiklar, kallade takyoner, har dykt upp i vissa teoretiska modeller, men de hamnar nästan alltid bort eftersom de representerar en grundläggande instabilitet i modellen. Hittills har vi inga experimentella bevis som tyder på att takyoner existerar.

Om en takyon fanns, skulle den alltid röra sig snabbare än ljusets hastighet. Med samma resonemang som för partiklar med långsammare än ljus kan du bevisa att det skulle kräva en oändlig mängd energi för att bromsa en tachyon ner till ljushastigheten.

Skillnaden är att du i detta fall hamnar med v-term är något större än en, vilket betyder att antalet i kvadratroten är negativt. Detta resulterar i ett imaginärt tal, och det är inte ens begreppsmässigt tydligt vad att ha en imaginär energi verkligen skulle betyda. (Nej, det är det intemörk energi.)

Som jag nämnde tidigare, när ljuset går från ett vakuum till ett annat material, bromsar det ner. Det är möjligt att en laddad partikel, såsom en elektron, kan komma in i ett material med tillräcklig kraft för att röra sig snabbare än ljus inom det materialet. (Ljushastigheten inom ett givet material kallas fashastighet av ljus i det mediet.) I detta fall avger den laddade partikeln en form av elektromagnetisk strålning det har blivit kallad Cherenkov-strålning.

Det finns ett sätt runt ljusbegränsningens hastighet. Denna begränsning gäller endast föremål som rör sig genom rymdtid, men det är möjligt för rumtid för att utvidga sig med en sådan hastighet att objekt i den separerar snabbare än ljusets hastighet.

Tänk som två ofullständiga exempel på två flottar som flyter nedför en flod med konstant hastighet. Floden gafflar i två grenar, med en flottör som flyter ner i var och en av grenarna. Även om själva flottorna alltid rör sig med samma hastighet, rör sig de snabbare i förhållande till varandra på grund av flodens relativa flöde. I detta exempel är floden själv rymdtid.

Enligt den nuvarande kosmologiska modellen expanderar universums avlägsna räckvidden vid hastigheter snabbare än ljusets hastighet. I det tidiga universum expanderade vårt universum också med denna takt. Fortfarande, inom något specifikt område av rymdtiden, gäller fortfarande hastighetsbegränsningarna.

En sista punkt som är värd att nämna är en hypotetisk idé som läggs fram som kallas variabel ljushastighet (VSL) -kosmologi, vilket antyder att ljusets hastighet i sig har förändrats över tid. Detta är en ytterst kontroversiell teori och det finns lite direkt experimentella bevis som stöder den. Mestadels har teorin tagits fram eftersom den har potential att lösa vissa problem i utvecklingen av det tidiga universum utan att ta till inflationsteori.