Kan noe bevege seg raskere enn lysets hastighet?

Jose A. Bernat Bacete / Getty Images

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

• Med lysets hastighet
• Langsommere enn lysets hastighet
• Raskere enn lysets hastighet

Beveger deg med lysets hastighet

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

Langsommere enn lysets hastighet

Det neste store settet med partikler (så vidt vi vet, alle de som ikke er bosoner) beveger seg langsommere 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 konsepter.

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

OG_k = m ₀( c - 1) c ^to

OG_k = m ₀ c ^to/ kvadratroten av (1 - i ^to/ c ^to) - m ₀ c ^to

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

• c er Lorentz-faktoren, som er en skalafaktor som dukker opp gjentatte ganger i relativitetsteorien. Det indikerer endringen i forskjellige mengder, for eksempel masse, lengde og tid, når objekter beveger seg. Siden c = 1 / / kvadratroten av (1 - i ^to/ c ^to), det er dette som forårsaker det forskjellige utseendet til de to likningene som vises.
• m ₀er gjenstandens hvilemasse, oppnådd når den har en hastighet på 0 i en gitt referanseramme.
• c er lysets hastighet i ledig plass.
• i er hastigheten objektet beveger seg med. De relativistiske effektene er bare merkbart signifikante for svært høye verdier av i , som er grunnen til at disse effektene kunne ignoreres lenge før Einstein kom.

Legg merke til nevneren som inneholder variabelen i (til hastighet ). Etter hvert som hastigheten kommer nærmere og nærmere lysets hastighet ( c ), det i ^to/ c ^tobegrepet vil komme nærmere og nærmere 1 ... som betyr at verdien av nevneren ('kvadratroten av 1 - i ^to/ c ^to') vil komme nærmere og nærmere 0.

Etter hvert som nevneren blir mindre, blir selve energien større og større, og 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 faktisk akselerere til lysets hastighet i seg selv ville ta uendelig mye energi, noe som er umulig.

Med dette resonnementet kan ingen partikkel som beveger seg langsommere enn lysets hastighet, noen gang nå lysets hastighet (eller i forlengelsen gå raskere enn lysets hastighet).

Raskere enn lysets hastighet

Så hva om vi hadde en partikkel som beveger seg raskere enn lysets hastighet. Er det i det hele tatt mulig?

Strengt tatt er det mulig. Slike partikler, kalt tachyoner, 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 indikerer at tachyoner eksisterer.

Hvis en tachyon fantes, ville den alltid beveget seg raskere enn lysets hastighet. Ved å bruke samme resonnement som i tilfellet med partikler som er langsommere enn lette, kan du bevise at det vil kreve uendelig mye energi for å bremse en tachyon ned til lyshastighet.

Forskjellen er at i dette tilfellet ender du opp med i -leddet er litt større enn én, noe som betyr at tallet i kvadratroten er negativt. Dette resulterer i et imaginært tall, og det er ikke engang konseptuelt klart hva det å ha en imaginær energi egentlig ville bety. (Nei, dette er ikke mørk energi .)

Raskere enn sakte lys

Som jeg nevnte tidligere, når lys går fra et vakuum til et annet materiale, bremses det ned. Det er mulig at en ladet partikkel, for eksempel et elektron, kan komme inn i et materiale med tilstrekkelig kraft til å bevege seg raskere enn lys i det materialet. (Lyshastigheten i et gitt materiale kalles fasehastighet av lys i det mediet.) I dette tilfellet sender den ladede partikkelen ut en form for elektromagnetisk stråling det har blitt kalt Cherenkov-stråling .

Det bekreftede unntaket

Det er én vei rundt lyshastighetsbegrensningen. Denne begrensningen gjelder bare for objekter som beveger seg gjennom romtiden, men det er mulig for romtid seg til å ekspandere med en hastighet slik at objekter i den separeres raskere enn lysets hastighet.

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

Under den nåværende kosmologiske modellen utvider de fjerne delene av universet seg med hastigheter høyere enn lysets hastighet. I det tidlige universet utvidet universet vårt seg også med denne hastigheten. Likevel, innenfor et bestemt område av romtid, holder hastighetsbegrensningene pålagt av relativitetsteorien.

Ett mulig unntak

Et siste poeng verdt å nevne er en hypotetisk idé som kalles variabel lyshastighet (VSL) kosmologi, som antyder at selve lysets hastighet har endret seg over tid. Dette er en ekstremt kontroversiell teori, og det er lite direkte eksperimentelle bevis som støtter den. For det meste har teorien blitt fremsatt fordi den har potensial til å løse visse problemer i utviklingen av det tidlige universet uten å ty til inflasjonsteori .