Kan något röra sig snabbare än ljusets hastighet?

Ett vanligt känt faktum inom fysiken är att du inte kan röra dig snabbare än ljusets hastighet. Även om det är det i grund och botten sant, det är också en överförenkling. Enligt relativitetsteorin finns det faktiskt tre sätt objekt kan röra sig på:

• Med ljusets hastighet
• Långsammare än ljusets hastighet
• Snabbare än ljusets hastighet

Flytta med ljusets hastighet

En av de viktigaste insikterna som Albert Einstein använde för att utveckla sin relativitetsteori var att ljus i vakuum alltid rör sig med samma hastighet. Ljuspartiklarna eller fotonerna rör sig därför med ljusets hastighet. Detta är den enda hastighet som fotoner kan röra sig på. De kan aldrig påskynda eller sakta ner. (Notera: Fotoner ändrar hastighet när de passerar genom olika material. Det här är hur brytning sker, men det är fotonens absoluta hastighet i ett vakuum som inte kan förändras.) I själva verket rör sig alla bosoner med ljusets hastighet så långt vi kan säga.

Långsammare än ljusets hastighet

Nästa stora uppsättning partiklar (så vitt vi vet, alla de som inte är bosoner) rör sig långsammare än ljusets hastighet. Relativiteten säger att det är fysiskt omöjligt att någonsin accelerera dessa partiklar snabbt nog för att nå ljusets hastighet. Varför är detta? Det motsvarar faktiskt några grundläggande matematiska begrepp.

Eftersom dessa objekt innehåller massa, berättar relativiteten att ekvationens kinetiska energi, baserat på dess hastighet, bestäms av ekvationen:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / kvadratrot av (1 - v²/c²) - m₀c²

Det finns mycket som händer i ovanstående ekvation, så låt oss packa upp dessa variabler:

• γ är Lorentz-faktorn, som är en skalfaktor som upprepade gånger dyker upp i relativitet. Det indikerar förändringen i olika mängder, såsom massa, längd och tid, när föremål rör sig. Eftersom γ = 1 / / kvadratrot av (1 - v²/c²), det är detta som orsakar de olika ekvationernas olika utseende.
• m₀ är restmassan för objektet, erhållet när det har en hastighet av 0 i en given referensram.
• c är ljusets hastighet i fritt utrymme.
• v är hastigheten med vilken objektet rör sig. De relativistiska effekterna är endast märkbart betydande för mycket höga värden på v, varför dessa effekter kunde ignoreras länge innan Einstein kom med.

Lägg märke till nämnaren som innehåller variabeln v (för hastighet). När hastigheten blir närmare och närmare ljusets hastighet (c), det där v²/c² term kommer närmare och närmare 1 ... vilket innebär att värdet på nämnaren ("kvadratroten av 1 - v²/c²") kommer att komma närmare och närmare 0.

När nämnaren blir mindre blir energin i sig större och större, närmar sig oändligheten. Därför, när du försöker påskynda en partikel nästan till ljusets hastighet, tar det mer och mer energi att göra det. Att faktiskt accelerera till ljusets hastighet skulle ta en oändlig mängd energi, vilket är omöjligt.

Genom detta resonemang kan ingen partikel som rör sig långsammare än ljusets hastighet någonsin nå ljusets hastighet (eller förlängas gå snabbare än ljusets hastighet).

Snabbare än ljusets hastighet

Så vad sägs om vi hade en partikel som rör sig snabbare än ljusets hastighet. Är det till och med möjligt?

Strängt taget är det möjligt. Sådana partiklar, kallade takyoner, har dykt upp i vissa teoretiska modeller, men de hamnar nästan alltid bort eftersom de representerar en grundläggande instabilitet i modellen. Hittills har vi inga experimentella bevis som tyder på att takyoner existerar.

Om en takyon fanns, skulle den alltid röra sig snabbare än ljusets hastighet. Med samma resonemang som för partiklar med långsammare än ljus kan du bevisa att det skulle ta en oändlig mängd energi för att bromsa en takyon till ljushastighet.