Görelilik Teorisi ve Işık Hızı

Fizikte yaygın olarak bilinen bir gerçek, ışık hızından daha hızlı hareket edememenizdir. Bu arada temel olarak doğru, aynı zamanda aşırı basitleştirme. Altında görecelilik teorisiaslında nesnelerin hareket edebilmesinin üç yolu vardır:

• Işık hızında
• Işık hızından daha yavaş
• Işık hızından daha mı hızlı

Şu temel görüşlerden biri: Albert Einstein görelilik teorisini geliştirmek için kullanılan vakumdaki ışığın her zaman aynı hızda hareket etmesiydi. Işık parçacıkları veya fotonlarbu nedenle ışık hızında hareket edin. Bu fotonların hareket edebildiği tek hızdır. Asla hızlanamaz veya yavaşlayamazlar. (Not: Fotonlar farklı malzemelerden geçtiklerinde hızı değiştirirler. Kırılma bu şekilde gerçekleşir, ancak değişmeyen bir boşluktaki fotonun mutlak hızıdır.) Aslında, bozonlar anlayabildiğimiz kadarıyla ışık hızında hareket et.

Bir sonraki büyük parçacık seti (bildiğimiz kadarıyla, bozon olmayanların hepsi) ışık hızından daha yavaş hareket eder. Görelilik bize bu parçacıkları ışık hızına ulaşacak kadar hızlı bir şekilde hızlandırmanın fiziksel olarak imkansız olduğunu söyler. Bu neden? Aslında bazı temel matematiksel kavramlara eşittir.

Bu nesneler kütle içerdiğinden, görelilik bize denklemin kinetik enerji nesnenin hızı esas alınarak, denklem tarafından belirlenir:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / kare kökü (1 - v²/c²) - m₀c²

Yukarıdaki denklemde çok şey oluyor, bu yüzden bu değişkenleri açalım:

• γ görelilikte tekrar tekrar ortaya çıkan bir ölçek faktörü olan Lorentz faktörüdür. Nesneler hareket ederken kütle, uzunluk ve zaman gibi farklı miktarlardaki değişimi gösterir. Dan beri γ = 1 / / (1 - 'in karekökü v²/c²), gösterilen iki denklemin farklı görünümüne neden olan şey budur.
• m₀ verilen referans çerçevesinde nesnenin hızı 0 olduğunda elde edilen nesnenin geri kalan kütlesidir.
• c boş alandaki ışık hızıdır.
• v nesnenin hareket ettiği hızdır. Relativistik etkiler, çok yüksek değerler için fark edilir derecede önemlidir. vBu yüzden Einstein gelmeden bu etkiler uzun süre göz ardı edilebilir.

Değişkeni içeren paydaya dikkat edin v (için hız). Hız ışığın hızına yaklaştıkça (c), bu v²/c² dönem 1'e yaklaşacak ve... yani paydanın değeri ("1'in kare kökü - v²/c²") 0'a yaklaşır.

Payda küçüldükçe, enerjinin kendisi büyüyor ve büyüyor. sonsuzluk. Bu nedenle, bir parçacığı neredeyse ışık hızına hızlandırmaya çalıştığınızda, bunu yapmak daha fazla enerji gerektirir. Aslında ışığın hızına hızlanmak, sonsuz miktarda enerji alacaktı, bu imkansız.

Bu sebeple, ışık hızından daha yavaş hareket eden hiçbir parçacık ışık hızına ulaşamaz (ya da uzatma ile ışık hızından daha hızlı olamaz).

Peki ya ışık hızından daha hızlı hareket eden bir parçacığımız olsaydı. Bu mümkün mü?

Açıkçası, bu mümkün. Taşyonlar olarak adlandırılan bu tür parçacıklar bazı teorik modellerde ortaya çıkmıştır, ancak neredeyse her zaman çıkarılırlar çünkü modelde temel bir istikrarsızlığı temsil ederler. Bugüne kadar, takyonların var olduğunu gösteren deneysel bir kanıtımız yok.

Bir takyon mevcut olsaydı, her zaman ışık hızından daha hızlı hareket ederdi. Işıktan daha yavaş parçacıklarda olduğu gibi aynı mantığı kullanarak, bir takyonu ışık hızına kadar yavaşlatmanın sonsuz miktarda enerji gerektirdiğini kanıtlayabilirsiniz.

Fark şu ki, bu durumda, v-term birinden biraz daha büyüktür, yani kare kökteki sayı negatiftir. Bu hayali bir sayı ile sonuçlanır ve hayali enerjiye sahip olmanın gerçekten ne anlama geleceği kavramsal olarak net değildir. (Hayır, bu değilkaranlık enerji.)

Daha önce de belirttiğim gibi, ışık vakumdan başka bir malzemeye geçtiğinde yavaşlar. Elektron gibi yüklü bir parçacığın, o malzemenin içindeki ışıktan daha hızlı hareket etmek için yeterli kuvvete sahip bir malzemeye girmesi mümkündür. (Belirli bir malzemedeki ışığın hızına, faz hızı Bu durumda yüklü parçacık, Elektromanyetik radyasyon buna denir Cherenkov radyasyonu.

Işık kısıtlama hızının bir yolu vardır. Bu kısıtlama yalnızca uzay-zaman aralığında hareket eden nesneler için geçerlidir, ancak boş zaman içindeki nesneler ışık hızından daha hızlı ayrılacak bir oranda genişler.

Kusursuz bir örnek olarak, bir nehirden sabit bir hızda yüzen iki salı düşünün. Nehir, iki dal halinde çatallanır ve bir sal her dalın aşağısında yüzer. Salların kendileri her zaman aynı hızda hareket etseler de, nehrin göreceli akışı nedeniyle birbirlerine göre daha hızlı hareket ediyorlar. Bu örnekte, nehrin kendisi uzay-zamandır.

Mevcut kozmolojik model altında, evrenin uzak mesafeleri ışık hızından daha hızlı büyüyor. Erken evrende, evrenimiz de bu oranda genişliyordu. Yine de, belirli bir uzay-zaman bölgesi içinde, göreliliğin getirdiği hız sınırlamaları geçerlidir.

Bahsetmeye değer son bir nokta, değişken ışık hızı (VSL) kozmolojisi adı verilen varsayımsal bir fikirdir, bu da ışığın hızının zamanla değiştiğini gösterir. Bu bir son derece tartışmalı teori ve bunu destekleyen çok az doğrudan deneysel kanıt var. Çoğunlukla, teori ileri sürülmüştür çünkü erken evrenin evrimindeki bazı problemlere başvurmadan çözme potansiyeline sahiptir. enflasyon teorisi.