De relativiteitstheorie en de lichtsnelheid

Een algemeen bekend feit in de natuurkunde is dat je niet sneller kunt bewegen dan de lichtsnelheid. Terwijl dat is eigenlijk waar, het is ook een te simpele vereenvoudiging. Onder de relativiteitstheoriezijn er eigenlijk drie manieren waarop objecten kunnen bewegen:

• Met de snelheid van het licht
• Langzamer dan de lichtsnelheid
• Sneller dan de lichtsnelheid

Een van de belangrijkste inzichten Albert Einstein gebruikt om zijn relativiteitstheorie te ontwikkelen was dat licht in een vacuüm altijd met dezelfde snelheid beweegt. De lichtdeeltjes, of fotonenbeweeg daarom met de snelheid van het licht. Dit is de enige snelheid waarmee fotonen kunnen bewegen. Ze kunnen nooit versnellen of vertragen. (Notitie: Fotonen veranderen van snelheid wanneer ze door verschillende materialen gaan. Dit is hoe breking plaatsvindt, maar het is de absolute snelheid van het foton in een vacuüm dat niet kan veranderen.) In feite, alle bosonen bewegen met de snelheid van het licht, voor zover we kunnen zien.

De volgende grote reeks deeltjes (voor zover we weten, alle die geen bosonen zijn) beweegt langzamer dan de lichtsnelheid. Relativiteit vertelt ons dat het fysiek onmogelijk is om deze deeltjes ooit snel genoeg te versnellen om de lichtsnelheid te bereiken. Waarom is dit? Het komt eigenlijk neer op enkele wiskundige basisconcepten.

Aangezien deze objecten massa bevatten, vertelt relativiteit ons dat de vergelijking kinetische energie van het object, op basis van zijn snelheid, wordt bepaald door de vergelijking:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / vierkantswortel van (1 - v²/c²) - m₀c²

Er gebeurt veel in de bovenstaande vergelijking, dus laten we die variabelen uitpakken:

• γ is de Lorentz-factor, een schaalfactor die herhaaldelijk terugkomt in relativiteit. Het geeft de verandering in verschillende hoeveelheden aan, zoals massa, lengte en tijd, wanneer objecten bewegen. Sinds γ = 1 / / vierkantswortel van (1 - v²/c²), dit is de oorzaak van het verschillende uiterlijk van de twee getoonde vergelijkingen.
• m₀ is de restmassa van het object, verkregen wanneer het een snelheid van 0 heeft in een bepaald referentiekader.
• c is de lichtsnelheid in de vrije ruimte.
• v is de snelheid waarmee het object beweegt. De relativistische effecten zijn alleen merkbaar significant voor zeer hoge waarden van ven daarom konden deze effecten lang worden genegeerd voordat Einstein langs kwam.

Let op de noemer die de variabele bevat v (voor snelheid). Naarmate de snelheid steeds dichter bij de lichtsnelheid komt (c), dat v²/c² termijn zal dichter en dichter bij 1 komen... wat betekent dat de waarde van de noemer ("de vierkantswortel van 1 - v²/c²") komt steeds dichter bij 0.

Naarmate de noemer kleiner wordt, wordt de energie zelf steeds groter en nadert oneindigheid. Daarom kost het steeds meer energie om een ​​deeltje bijna met de snelheid van het licht te versnellen. Het versnellen tot de snelheid van het licht zelf zou een oneindige hoeveelheid energie kosten, wat onmogelijk is.

Door deze redenering kan geen enkel deeltje dat langzamer beweegt dan de lichtsnelheid ooit de lichtsnelheid bereiken (of, bij uitbreiding, sneller gaan dan de lichtsnelheid).

Dus hoe zit het als we een deeltje hadden dat sneller beweegt dan de lichtsnelheid. Is dat zelfs mogelijk?

Strikt genomen is het mogelijk. Dergelijke deeltjes, tachyonen genoemd, zijn in sommige theoretische modellen opgedoken, maar worden bijna altijd verwijderd omdat ze een fundamentele instabiliteit in het model vertegenwoordigen. Tot op heden hebben we geen experimenteel bewijs om aan te geven dat er tachyons bestaan.

Als er een tachyon bestond, zou deze altijd sneller bewegen dan de lichtsnelheid. Door dezelfde redenering te gebruiken als in het geval van deeltjes die langzamer zijn dan het licht, kun je bewijzen dat het een oneindige hoeveelheid energie kost om een ​​tachyon te vertragen tot de lichtsnelheid.

Het verschil is dat je in dit geval eindigt met de v-term is iets groter dan één, wat betekent dat het getal in de vierkantswortel negatief is. Dit resulteert in een denkbeeldig getal en het is niet eens conceptueel duidelijk wat het werkelijk zou betekenen om een ​​denkbeeldige energie te hebben. (Nee dit is nietdonkere energie.)

Zoals ik eerder al zei, vertraagt ​​het wanneer het licht van een vacuüm naar een ander materiaal gaat. Het is mogelijk dat een geladen deeltje, zoals een elektron, een materiaal kan binnendringen met voldoende kracht om sneller te bewegen dan licht binnen dat materiaal. (De lichtsnelheid binnen een bepaald materiaal wordt de fasesnelheid van licht in dat medium.) In dit geval zendt het geladen deeltje een vorm uit van electromagnetische straling dat wordt genoemd Cherenkov-straling.

Er is een manier om de snelheid van lichtbeperking te omzeilen. Deze beperking is alleen van toepassing op objecten die door de ruimtetijd bewegen, maar het is mogelijk voor ruimte tijd zichzelf uit te breiden met een zodanige snelheid dat objecten erin sneller scheiden dan de lichtsnelheid.

Denk als een onvolmaakt voorbeeld aan twee vlotten die met een constante snelheid door een rivier drijven. De rivier splitst zich in twee takken, met een vlot dat langs elke tak naar beneden drijft. Hoewel de vlotten zelf elk altijd met dezelfde snelheid bewegen, bewegen ze sneller ten opzichte van elkaar vanwege de relatieve stroming van de rivier zelf. In dit voorbeeld is de rivier zelf ruimtetijd.

Volgens het huidige kosmologische model breiden de verre uithoeken van het heelal zich uit met hogere snelheden dan de lichtsnelheid. In het vroege universum breidde ons universum ook in dit tempo uit. Toch blijven binnen een specifiek gebied van de ruimtetijd de snelheidsbeperkingen opgelegd door relativiteit van kracht.

Een laatste vermeldenswaardig punt is een hypothetisch idee dat de kosmologie van variabele lichtsnelheid (VSL) wordt genoemd, wat suggereert dat de lichtsnelheid zelf in de loop van de tijd is veranderd. Dit is een extreem controversiële theorie en er is weinig direct experimenteel bewijs om het te ondersteunen. Meestal is de theorie naar voren gebracht omdat ze de potentie heeft om bepaalde problemen in de evolutie van het vroege universum op te lossen zonder toevlucht te nemen tot inflatie theorie.