Relativitetsteorien og lysets hastighet

Et vanlig kjent faktum i fysikken er at du ikke kan bevege deg raskere enn lysets hastighet. Mens det er det i utgangspunktet sant, det er også en forenkling. Under relativitetsteorien, det er faktisk tre måter objekter kan bevege seg på:

• Med lysets hastighet
• Saktere enn lysets hastighet
• Raskere enn lysets hastighet

En av de viktigste innsiktene som Albert Einstein som ble brukt til å utvikle sin relativitetsteori, var at lys i vakuum alltid beveger seg med samme hastighet. Partiklene av lys, eller fotoner, beveg deg derfor med lysets hastighet. Dette er den eneste hastigheten som fotoner kan bevege seg. De kan aldri få fart eller sakte. (Merk: Fotoner endrer hastighet når de går gjennom forskjellige materialer. Slik oppstår brytning, men det er fotonens absolutte hastighet i et vakuum som ikke kan endres.) Faktisk er alle bosoner bevege deg med lysets hastighet, så langt vi kan si.

Det neste store settet med partikler (så vidt vi vet, alle de som ikke er bosoner) beveger seg saktere enn lysets hastighet. Relativitet forteller oss at det er fysisk umulig å noen gang akselerere disse partiklene raskt nok til å nå lysets hastighet. Hvorfor er det sånn? Det utgjør faktisk noen grunnleggende matematiske begreper.

Siden disse objektene inneholder masse, forteller relativitet oss at ligningen kinetisk energi av objektet, basert på dens hastighet, bestemmes av ligningen:

E_k = m₀(γ - 1)c²

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

Det er mye som skjer i likningen ovenfor, så la oss pakke ut disse variablene:

• γ er Lorentz-faktoren, som er en skalafaktor som dukker opp gjentatte ganger i relativitet. Det indikerer endring i forskjellige mengder, for eksempel masse, lengde og tid, når objekter beveger seg. Siden γ = 1 / / kvadratrot av (1 - v²/c²), dette er hva som forårsaker det forskjellige utseendet til de to likningene som vises.
• m₀ er gjenstandens hvilemasse, oppnådd når den har en hastighet på 0 i en gitt referanseramme.
• c er lysets hastighet på ledig plass.
• v er hastigheten som objektet beveger seg med. De relativistiske effektene er bare merkbart betydelige for veldig høye verdier av v, og det er derfor disse effektene kunne ignoreres lenge før Einstein kom med.

Legg merke til nevneren som inneholder variabelen v (til hastighet). Når hastigheten blir nærmere og nærmere lysets hastighet (c), det v²/c² termin vil komme nærmere og nærmere 1... som betyr at verdien av nevneren ("kvadratroten til 1 - v²/c²") vil komme nærmere og nærmere 0.

Når nevneren blir mindre, blir energien i seg selv større og større, nærmer seg evighet. Derfor, når du prøver å akselerere en partikkel nesten til lysets hastighet, tar det mer og mer energi å gjøre det. Å akselerere til lysets hastighet ville ta en uendelig mengde energi, noe som er umulig.

Ved denne begrunnelsen kan ingen partikkel som beveger seg saktere enn lysets hastighet noensinne nå lysets hastighet (eller i forlengelse av dette gå raskere enn lysets hastighet).

Så hva med om vi hadde en partikkel som beveger seg raskere enn lysets hastighet. Er det til og med mulig?

Strengt tatt er det mulig. Slike partikler, kalt tachyons, har vist seg i noen teoretiske modeller, men de ender nesten alltid opp med å bli fjernet fordi de representerer en grunnleggende ustabilitet i modellen. Til dags dato har vi ingen eksperimentelle bevis som tyder på at takyoner eksisterer.

Hvis en tachyon fantes, ville den alltid bevege seg raskere enn lysets hastighet. Ved å bruke samme resonnement som for partikler med tregere lys enn lys, kan du bevise at det vil ta en uendelig mengde energi å bremse en tachyon ned til lyshastighet.

Forskjellen er at du i dette tilfellet ender opp med v-terminen er litt større enn en, noe som betyr at tallet i kvadratroten er negativt. Dette resulterer i et tenkt antall, og det er ikke engang konseptuelt klart hva det å ha en tenkt energi egentlig ville bety. (Nei, dette er det ikkemørk energi.)

Som jeg nevnte tidligere, når lyset går fra et vakuum til et annet materiale, bremser det. Det er mulig at en ladet partikkel, for eksempel et elektron, kan trenge inn i et materiale med tilstrekkelig kraft til å bevege seg raskere enn lys i det materialet. (Lysets hastighet i et gitt materiale kalles fasehastighet av lys i det mediet.) I dette tilfellet avgir den ladede partikkelen en form for elektromagnetisk stråling det er blitt kalt Tsjerenkov-stråling.

Det er en vei rundt hastigheten på lysbegrensningen. Denne begrensningen gjelder bare objekter som beveger seg gjennom romtid, men det er mulig for romtid seg selv til å utvide seg med en slik hastighet at gjenstander i det skiller seg raskere enn lysets hastighet.

Tenk på to flåter som flyter nedover en elv med konstant hastighet som et ufullstendig eksempel. Elven gaffler seg i to grener, med en flåte som flyter nedover hver av greinene. Selv om flåtene i seg selv alltid beveger seg med samme hastighet, beveger de seg raskere i forhold til hverandre på grunn av den relative strømmen av elven selv. I dette eksemplet er selve elven romtid.

Under den nåværende kosmologiske modellen ekspanderer de fjerne rekkevidden til universet med hastigheter raskere enn lysets hastighet. I det tidlige universet ekspanderte vårt univers også. Fortsatt, innenfor et hvilket som helst spesifikt rom i romtiden, er det imidlertid hastighetsbegrensningene som er pålagt av relativitet.

Et siste poeng som er verdt å nevne, er en hypotetisk idé som er kalt "VSL-kosmologi", som antyder at lysets hastighet har endret seg over tid. Dette er en ekstremt kontroversiell teori, og det er lite direkte eksperimentelle bevis som støtter den. Stort sett har teorien blitt fremmet fordi den har potensial til å løse visse problemer i utviklingen av det tidlige universet uten å ty til inflasjonsteori.