La théorie de la relativité et la vitesse de la lumière

Un fait communément connu en physique est que vous ne pouvez pas vous déplacer plus vite que la vitesse de la lumière. Bien que ce soit fondamentalement c'est vrai, c'est aussi une simplification excessive. Sous le théorie de la relativité, les objets peuvent en fait se déplacer de trois manières:

• À la vitesse de la lumière
• Plus lent que la vitesse de la lumière
• Plus rapide que la vitesse de la lumière

L'une des informations clés qui Albert Einstein utilisé pour développer sa théorie de la relativité était que la lumière dans le vide se déplace toujours à la même vitesse. Les particules de lumière, ou photons, donc se déplacer à la vitesse de la lumière. C'est la seule vitesse à laquelle les photons peuvent se déplacer. Ils ne peuvent jamais accélérer ou ralentir. (Remarque: Les photons changent de vitesse lorsqu'ils traversent différents matériaux. C'est ainsi que se produit la réfraction, mais c'est la vitesse absolue du photon dans le vide qui ne peut pas changer.) En fait, tous les

Le prochain ensemble majeur de particules (à notre connaissance, toutes celles qui ne sont pas des bosons) se déplacent plus lentement que la vitesse de la lumière. La relativité nous dit qu'il est physiquement impossible d'accélérer ces particules assez rapidement pour atteindre la vitesse de la lumière. Pourquoi est-ce? Il s'agit en fait de quelques concepts mathématiques de base.

Puisque ces objets contiennent de la masse, la relativité nous dit que l'équation énergie cinétique de l'objet, en fonction de sa vitesse, est déterminée par l'équation:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / racine carrée de (1 - v²/c²) - m₀c²

Il se passe beaucoup de choses dans l'équation ci-dessus, alors décompressons ces variables:

• γ est le facteur de Lorentz, qui est un facteur d'échelle qui apparaît à plusieurs reprises en relativité. Il indique le changement dans différentes quantités, telles que la masse, la longueur et le temps, lorsque les objets se déplacent. Puisque γ = 1 / / racine carrée de (1 - v²/c²), c'est ce qui cause l'aspect différent des deux équations présentées.
• m₀ est la masse au repos de l'objet, obtenue lorsqu'il a une vitesse de 0 dans un référentiel donné.
• c est la vitesse de la lumière dans l'espace libre.
• v est la vitesse à laquelle l'objet se déplace. Les effets relativistes ne sont significativement significatifs que pour des valeurs très élevées de v, c'est pourquoi ces effets pouvaient être ignorés longtemps avant l'arrivée d'Einstein.

Remarquez le dénominateur qui contient la variable v (pour rapidité). À mesure que la vitesse se rapproche de plus en plus de la vitesse de la lumière (c), cette v²/c² terme se rapprochera de plus en plus de 1... ce qui signifie que la valeur du dénominateur ("la racine carrée de 1 - v²/c²") se rapprochera de plus en plus de 0.

À mesure que le dénominateur devient plus petit, l'énergie elle-même devient de plus en plus grande, approchant infini. Par conséquent, lorsque vous essayez d'accélérer une particule presque à la vitesse de la lumière, cela prend de plus en plus d'énergie pour le faire. En fait, accélérer à la vitesse de la lumière elle-même nécessiterait une quantité infinie d'énergie, ce qui est impossible.

Par ce raisonnement, aucune particule qui se déplace plus lentement que la vitesse de la lumière ne peut jamais atteindre la vitesse de la lumière (ou, par extension, aller plus vite que la vitesse de la lumière).

Et si nous avions une particule qui se déplace plus vite que la vitesse de la lumière. Est-ce que c'est possible?

Strictement parlant, c'est possible. De telles particules, appelées tachyons, sont apparues dans certains modèles théoriques, mais elles finissent presque toujours par être éliminées car elles représentent une instabilité fondamentale dans le modèle. À ce jour, nous n'avons aucune preuve expérimentale pour indiquer qu'il existe des tachyons.

Si un tachyon existait, il se déplacerait toujours plus vite que la vitesse de la lumière. En utilisant le même raisonnement que dans le cas des particules plus lentes que la lumière, vous pouvez prouver qu'il faudrait une quantité infinie d'énergie pour ralentir un tachyon jusqu'à la vitesse de la lumière.

La différence est que, dans ce cas, vous vous retrouvez avec le v-term étant légèrement supérieur à un, ce qui signifie que le nombre dans la racine carrée est négatif. Il en résulte un nombre imaginaire, et il n'est même pas clair conceptuellement ce que signifierait réellement une énergie imaginaire. (Non cela est ne pasénergie noire.)

Comme je l'ai mentionné plus tôt, lorsque la lumière passe du vide à un autre matériau, elle ralentit. Il est possible qu'une particule chargée, comme un électron, puisse pénétrer dans un matériau avec une force suffisante pour se déplacer plus rapidement que la lumière à l'intérieur de ce matériau. (La vitesse de la lumière dans un matériau donné est appelée vitesse de phase de lumière dans ce milieu.) Dans ce cas, la particule chargée émet une forme de un rayonnement électromagnétique qui est devenu appelé Rayonnement de Cherenkov.

Il existe un moyen de contourner la vitesse de restriction de la lumière. Cette restriction ne s'applique qu'aux objets qui se déplacent dans l'espace-temps, mais il est possible pour espace-temps lui-même pour se développer à un rythme tel que les objets en son sein se séparent plus rapidement que la vitesse de la lumière.

À titre d'exemple imparfait, pensez à deux radeaux flottant sur une rivière à vitesse constante. La rivière se bifurque en deux branches, avec un radeau flottant sur chacune des branches. Bien que les radeaux eux-mêmes se déplacent toujours à la même vitesse, ils se déplacent plus rapidement les uns par rapport aux autres en raison du débit relatif de la rivière elle-même. Dans cet exemple, la rivière elle-même est l'espace-temps.

Selon le modèle cosmologique actuel, les étendues éloignées de l'univers se dilatent à des vitesses plus rapides que la vitesse de la lumière. Dans le premier univers, notre univers se développait également à ce rythme. Pourtant, dans n'importe quelle région spécifique de l'espace-temps, les limitations de vitesse imposées par la relativité tiennent.

Un dernier point qui mérite d'être mentionné est une idée hypothétique avancée, appelée cosmologie à vitesse variable de la lumière (VSL), qui suggère que la vitesse de la lumière elle-même a changé au fil du temps. C'est un extrêmement théorie controversée et il y a peu de preuves expérimentales directes pour le soutenir. Surtout, la théorie a été avancée parce qu'elle a le potentiel de résoudre certains problèmes dans l'évolution de l'univers primitif sans recourir à théorie de l'inflation.