Kann sich irgendetwas schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen?

Eine allgemein bekannte Tatsache in der Physik ist, dass man sich nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Während das ist Grundsätzlich Es stimmt, es ist auch eine Übervereinfachung. Nach der Relativitätstheorie gibt es tatsächlich drei Möglichkeiten, wie sich Objekte bewegen können:

• Mit Lichtgeschwindigkeit
• Langsamer als die Lichtgeschwindigkeit
• Schneller als die Lichtgeschwindigkeit

Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit

Eine der wichtigsten Erkenntnisse, die Albert Einstein bei der Entwicklung seiner Relativitätstheorie verwendete, war, dass sich Licht im Vakuum immer mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt. Die Lichtteilchen oder Photonen bewegen sich daher mit Lichtgeschwindigkeit. Dies ist die einzige Geschwindigkeit, mit der sich Photonen bewegen können. Sie können niemals beschleunigen oder verlangsamen. (Hinweis: Photonen ändern ihre Geschwindigkeit, wenn sie verschiedene Materialien durchdringen. So erfolgt die Brechung, aber es ist die absolute Geschwindigkeit des Photons in einem Vakuum, die sich nicht ändern kann.) Tatsächlich bewegen sich alle Bosonen mit Lichtgeschwindigkeit, soweit wir das beurteilen können.

Langsamer als die Lichtgeschwindigkeit

Der nächste größere Teilchensatz (soweit wir wissen, alle, die keine Bosonen sind) bewegt sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit. Die Relativitätstheorie sagt uns, dass es physikalisch unmöglich ist, diese Teilchen jemals schnell genug zu beschleunigen, um die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Warum ist das? Es handelt sich tatsächlich um einige grundlegende mathematische Konzepte.

Da diese Objekte Masse enthalten, besagt die Relativitätstheorie, dass die kinetische Energie des Objekts, basierend auf seiner Geschwindigkeit, durch die Gleichung bestimmt wird:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / Quadratwurzel von (1 - v²/c²) - m₀c²

In der obigen Gleichung ist viel los, also lasst uns diese Variablen entpacken:

• γ ist der Lorentz-Faktor, ein Skalierungsfaktor, der sich in der Relativitätstheorie wiederholt zeigt. Es zeigt die Änderung verschiedener Größen wie Masse, Länge und Zeit an, wenn sich Objekte bewegen. Schon seit γ = 1 / / Quadratwurzel von (1 - v²/c²) verursacht dies das unterschiedliche Aussehen der beiden gezeigten Gleichungen.
• m₀ ist die Ruhemasse des Objekts, die erhalten wird, wenn es in einem gegebenen Bezugssystem eine Geschwindigkeit von 0 hat.
• c ist die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum.
• v ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Objekt bewegt. Die relativistischen Effekte sind nur bei sehr hohen Werten von spürbar signifikant v, Deshalb konnten diese Effekte lange ignoriert werden, bevor Einstein hinzukam.

Beachten Sie den Nenner, der die Variable enthält v (für Geschwindigkeit). Wenn sich die Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert (c), Das v²/c² Begriff wird näher und näher an 1 ..., was bedeutet, dass der Wert des Nenners ("die Quadratwurzel von 1 - v²/c²") kommt immer näher an 0 heran.

Wenn der Nenner kleiner wird, wird die Energie selbst immer größer und nähert sich der Unendlichkeit. Wenn Sie also versuchen, ein Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wird dafür immer mehr Energie benötigt. Das Beschleunigen auf die Lichtgeschwindigkeit selbst würde unendlich viel Energie kosten, was unmöglich ist.

Nach dieser Überlegung kann kein Teilchen, das sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt, jemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen (oder, im weiteren Sinne, schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein)..

Schneller als die Lichtgeschwindigkeit

Was wäre, wenn wir ein Teilchen hätten, das sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt? Ist das überhaupt möglich?

Genau genommen ist es möglich. Solche Teilchen, Tachyonen genannt, sind in einigen theoretischen Modellen aufgetaucht, werden jedoch fast immer entfernt, da sie eine fundamentale Instabilität im Modell darstellen. Bisher haben wir keine experimentellen Beweise dafür, dass Tachyonen existieren.

Wenn es einen Tachyon gäbe, würde er sich immer schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Mit der gleichen Überlegung wie im Fall von Partikeln, die langsamer als Licht sind, können Sie nachweisen, dass es unendlich viel Energie braucht, um einen Tachyon auf Lichtgeschwindigkeit abzubremsen.