La teoría de la relatividad y la velocidad de la luz.

Un hecho comúnmente conocido en física es que no puedes moverte más rápido que la velocidad de la luz. Mientras eso es básicamente Es cierto, también es una simplificación excesiva. Bajo la teoría de la relatividad, en realidad hay tres formas en que los objetos pueden moverse:

• A la velocidad de la luz
• Más lento que la velocidad de la luz.
• Más rápido que la velocidad de la luz

Una de las ideas clave que Albert Einstein Para desarrollar su teoría de la relatividad, la luz en el vacío siempre se mueve a la misma velocidad. Las partículas de luz, o fotones, por lo tanto, muévete a la velocidad de la luz. Esta es la única velocidad a la que los fotones pueden moverse. Nunca pueden acelerar o disminuir la velocidad. (Nota: Los fotones cambian de velocidad cuando pasan a través de diferentes materiales. Así es como ocurre la refracción, pero es la velocidad absoluta del fotón en un vacío que no puede cambiar). De hecho, todo el bosones moverse a la velocidad de la luz, hasta donde podemos ver.

El siguiente conjunto principal de partículas (hasta donde sabemos, todos los que no son bosones) se mueven más lentamente que la velocidad de la luz. La relatividad nos dice que es físicamente imposible acelerar estas partículas lo suficientemente rápido como para alcanzar la velocidad de la luz. ¿Por qué es esto? En realidad equivale a algunos conceptos matemáticos básicos.

Como estos objetos contienen masa, la relatividad nos dice que la ecuación energía cinética del objeto, basado en su velocidad, está determinado por la ecuación:

mi_k = metro₀(γ - 1)C²

mi_k = metro₀C² / raíz cuadrada de (1 - v²/C²) - metro₀C²

Están sucediendo muchas cosas en la ecuación anterior, así que vamos a desempaquetar esas variables:

• γ es el factor de Lorentz, que es un factor de escala que aparece repetidamente en la relatividad. Indica el cambio en diferentes cantidades, como masa, longitud y tiempo, cuando los objetos se mueven. Ya que γ = 1 / / raíz cuadrada de (1 - v²/C²), esto es lo que provoca el aspecto diferente de las dos ecuaciones mostradas.
• metro₀ es la masa en reposo del objeto, obtenida cuando tiene una velocidad de 0 en un marco de referencia dado.
• C es la velocidad de la luz en el espacio libre
• v es la velocidad a la que se mueve el objeto. Los efectos relativistas solo son notablemente significativos para valores muy altos de v, por lo que estos efectos podrían ignorarse mucho antes de que Einstein apareciera.

Observe el denominador que contiene la variable v (para velocidad). A medida que la velocidad se acerca más y más a la velocidad de la luz (C), ese v²/C² plazo se acercará más y más a 1... lo que significa que el valor del denominador ("la raíz cuadrada de 1 - v²/C²") se acercará más y más a 0.

A medida que el denominador se hace más pequeño, la energía misma se hace más y más grande, acercándose infinito. Por lo tanto, cuando intentas acelerar una partícula casi a la velocidad de la luz, se necesita cada vez más energía para hacerlo. En realidad, acelerar a la velocidad de la luz misma requeriría una cantidad infinita de energía, lo cual es imposible.

Según este razonamiento, ninguna partícula que se mueve más lentamente que la velocidad de la luz puede alcanzar la velocidad de la luz (o, por extensión, ir más rápido que la velocidad de la luz).

Entonces, ¿qué pasa si tuviéramos una partícula que se mueve más rápido que la velocidad de la luz? ¿Es eso posible?

Estrictamente hablando, es posible. Tales partículas, llamadas taquiones, han aparecido en algunos modelos teóricos, pero casi siempre terminan siendo eliminadas porque representan una inestabilidad fundamental en el modelo. Hasta la fecha, no tenemos evidencia experimental que indique que los taquiones existen.

Si existiera un taquión, siempre se movería más rápido que la velocidad de la luz. Usando el mismo razonamiento que en el caso de partículas más lentas que la luz, puede demostrar que se necesitaría una cantidad infinita de energía para reducir la velocidad de un taquión a la velocidad de la luz.

La diferencia es que, en este caso, terminas con el v-term es ligeramente mayor que uno, lo que significa que el número en la raíz cuadrada es negativo. Esto da como resultado un número imaginario, y ni siquiera está conceptualmente claro qué significaría realmente tener una energía imaginaria. (No esto es noenergía oscura.)

Como mencioné anteriormente, cuando la luz pasa de un vacío a otro material, se ralentiza. Es posible que una partícula cargada, como un electrón, pueda ingresar a un material con suficiente fuerza para moverse más rápido que la luz dentro de ese material. (La velocidad de la luz dentro de un material dado se llama velocidad de fase de luz en ese medio.) En este caso, la partícula cargada emite una forma de radiación electromagnética eso se llama Radiación de Cherenkov.

Hay una forma de evitar la velocidad de la restricción de luz. Esta restricción solo se aplica a los objetos que se mueven a través del espacio-tiempo, pero es posible tiempo espacial para expandirse a una velocidad tal que los objetos dentro de él se separen más rápido que la velocidad de la luz.

Como ejemplo imperfecto, piense en dos balsas que flotan río abajo a una velocidad constante. El río se bifurca en dos ramas, con una balsa flotando por cada una de las ramas. Aunque las balsas en sí mismas se mueven siempre a la misma velocidad, se mueven más rápido entre sí debido al flujo relativo del río. En este ejemplo, el río en sí es el espacio-tiempo.

Bajo el modelo cosmológico actual, los confines lejanos del universo se están expandiendo a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz. En el universo primitivo, nuestro universo también se estaba expandiendo a este ritmo. Aún así, dentro de cualquier región específica del espacio-tiempo, las limitaciones de velocidad impuestas por la relatividad se mantienen.

Un último punto que vale la pena mencionar es una idea hipotética presentada llamada cosmología de la velocidad variable de la luz (VSL), que sugiere que la velocidad de la luz misma ha cambiado con el tiempo. Esto es un extremadamente Teoría controvertida y hay poca evidencia experimental directa para apoyarla. Principalmente, la teoría se ha presentado porque tiene el potencial de resolver ciertos problemas en la evolución del universo primitivo sin recurrir a teoría de la inflación.