نظرية النسبية وسرعة الضوء

إحدى الحقائق المعروفة في الفيزياء هي أنه لا يمكنك التحرك بشكل أسرع من سرعة الضوء. بينما هذا في الأساس صحيح ، إنه أيضًا تبسيط مفرط. تحت نظرية النسبية، هناك في الواقع ثلاث طرق يمكن للأشياء أن تتحرك:

• بسرعة الضوء
• أبطأ من سرعة الضوء
• أسرع من سرعة الضوء

واحدة من الأفكار الرئيسية التي البرت اينشتاين كان يستخدم لتطوير نظريته النسبية هو أن الضوء في الفراغ يتحرك دائمًا بنفس السرعة. جزيئات الضوء ، أو الفوتوناتوبالتالي تتحرك بسرعة الضوء. هذه هي السرعة الوحيدة التي تتحرك بها الفوتونات. لا يمكنهم التسريع أو التباطؤ. (ملحوظة: تغير الفوتونات السرعة عندما تمر عبر مواد مختلفة. هذه هي الطريقة التي يحدث بها الانكسار ، ولكن السرعة المطلقة للفوتون في فراغ لا يمكن أن تتغير.) في الواقع ، كل شيء بوزونات يتحرك بسرعة الضوء ، بقدر ما نستطيع أن نقول.

المجموعة الرئيسية التالية من الجسيمات (على حد علمنا ، كل الجسيمات غير البوزونية) تتحرك أبطأ من سرعة الضوء. تخبرنا النسبية أنه من المستحيل ماديًا تسريع هذه الجسيمات بسرعة كافية للوصول إلى سرعة الضوء. لماذا هذا؟ هو في الواقع بمثابة بعض المفاهيم الرياضية الأساسية.

بما أن هذه الأشياء تحتوي على كتلة ، فإن النسبية تخبرنا أن المعادلة الطاقة الحركية الكائن ، بناءً على سرعته ، يتم تحديده بواسطة المعادلة:

هـ_ك = م₀(γ - 1)ج²

هـ_ك = م₀ج² / الجذر التربيعي لـ (1 - الخامس²/ج²) - م₀ج²

هناك الكثير مما يحدث في المعادلة أعلاه ، لذلك دعونا نفصل هذه المتغيرات:

• γ هو عامل لورنتز ، وهو عامل مقياس يظهر بشكل متكرر في النسبية. يشير إلى التغيير في الكميات المختلفة ، مثل الكتلة والطول والوقت ، عندما تتحرك الأجسام. منذ γ = 1 / / الجذر التربيعي لـ (1 - الخامس²/ج²) ، هذا ما يسبب المظهر المختلف للمعادلتين الموضحتين.
• م₀ هي الكتلة المتبقية من الجسم ، التي يتم الحصول عليها عندما تكون سرعته 0 في إطار مرجعي معين.
• ج هي سرعة الضوء في الفضاء الحر.
• الخامس هي السرعة التي يتحرك بها الجسم. التأثيرات النسبية ذات أهمية ملحوظة فقط لقيم عالية جدا من الخامسولهذا السبب يمكن تجاهل هذه الآثار لفترة طويلة قبل مجيء آينشتاين.

لاحظ المقام الذي يحتوي على المتغير الخامس (إلى عن على ● السرعة). كلما اقتربت السرعة وأقرب إلى سرعة الضوء (ج) ، هذا الخامس²/ج² سوف يقترب المدى وأقرب إلى 1... مما يعني أن قيمة المقام ("الجذر التربيعي لـ 1 - الخامس²/ج²") ستقترب أكثر من الصفر.

عندما يصبح المقام أصغر ، تصبح الطاقة نفسها أكبر وأكبر ، تقترب ما لا نهاية. لذلك ، عندما تحاول تسريع جسيم ما يقرب من سرعة الضوء ، فإنه يأخذ المزيد والمزيد من الطاقة للقيام بذلك. في الواقع ، إن تسريع سرعة الضوء نفسه يتطلب كمية لا حصر لها من الطاقة ، وهو أمر مستحيل.

من خلال هذا المنطق ، لا يمكن لأي جسيم يتحرك أبطأ من سرعة الضوء أن يصل إلى سرعة الضوء (أو ، بالامتداد ، أسرع من سرعة الضوء).

فماذا إذا كان لدينا جسيم يتحرك أسرع من سرعة الضوء. هل هذا ممكن؟

بالمعنى الدقيق ، هذا ممكن. ظهرت هذه الجسيمات ، التي تسمى tachyons ، في بعض النماذج النظرية ، لكنها دائمًا ما ينتهي بها الحال إلى الإزالة لأنها تمثل عدم استقرار أساسي في النموذج. حتى الآن ، ليس لدينا دليل تجريبي يشير إلى وجود tachyons.

إذا كان tachyon موجودًا ، فإنه يتحرك دائمًا بشكل أسرع من سرعة الضوء. باستخدام نفس المنطق كما هو الحال في جزيئات أبطأ من الضوء ، يمكنك أن تثبت أن الأمر سيستغرق كمية لا حصر لها من الطاقة لإبطاء tachyon إلى سرعة الضوء.

الفرق هو أنه ، في هذه الحالة ، ينتهي بك الأمر مع الخامس- المدة أكبر قليلاً من واحد ، مما يعني أن الرقم في الجذر التربيعي سلبي. ينتج عن هذا رقم خيالي ، وليس من الواضح من الناحية المفاهيمية ما الذي يعنيه امتلاك طاقة خيالية حقًا. (لا هذا غير ليسالطاقة المظلمة.)

كما ذكرت سابقًا ، عندما ينتقل الضوء من فراغ إلى مادة أخرى ، فإنه يتباطأ. من الممكن أن يدخل الجسيم المشحون ، مثل الإلكترون ، مادة بقوة كافية للتحرك أسرع من الضوء داخل تلك المادة. (سرعة الضوء داخل مادة معينة تسمى سرعة الطور الضوء في تلك الوسيلة.) في هذه الحالة ، ينبعث الجسيم المشحون شكلاً من الاشعاع الكهرومغناطيسي أصبح يسمى إشعاع Cherenkov.

هناك طريقة واحدة حول سرعة تقييد الضوء. ينطبق هذا التقييد فقط على الأشياء التي تتحرك عبر الزمكان ، ولكن هذا ممكن وقت فراغ نفسها للتوسع بمعدل بحيث تنفصل الأجسام الموجودة داخلها بشكل أسرع من سرعة الضوء.

كمثال غير كامل ، فكر في طوفين يطفوان على نهر بسرعة ثابتة. يتفرع النهر إلى فرعين ، مع طوف واحد يطفو على كل فرع من الفروع. على الرغم من أن الطوافات نفسها تتحرك دائمًا بنفس السرعة ، إلا أنها تتحرك بشكل أسرع فيما يتعلق ببعضها البعض بسبب التدفق النسبي للنهر نفسه. في هذا المثال ، النهر نفسه هو الزمكان.

في ظل النموذج الكوني الحالي ، تتوسع المسافات البعيدة للكون بسرعات أسرع من سرعة الضوء. في الكون المبكر ، كان كوننا يتوسع بهذا المعدل أيضًا. ومع ذلك ، داخل أي منطقة محددة من الزمكان ، فإن حدود السرعة التي تفرضها النسبية تبقى ثابتة.

نقطة أخيرة جديرة بالذكر هي فكرة افتراضية طرحت تسمى علم الكونيات بسرعة متغيرة للضوء (VSL) ، والتي تشير إلى أن سرعة الضوء نفسها قد تغيرت بمرور الوقت. هذا الى ابعد حد نظرية مثيرة للجدل وهناك القليل من الأدلة التجريبية المباشرة لدعمها. في الغالب ، تم طرح النظرية لأنها لديها القدرة على حل بعض المشاكل في تطور الكون المبكر دون اللجوء إلى نظرية التضخم.