Kan iets sneller gaan dan de snelheid van het licht?

Een algemeen bekend feit in de natuurkunde is dat je niet sneller kunt bewegen dan de snelheid van het licht. Terwijl dat is eigenlijk klopt, het is ook een over-vereenvoudiging. Volgens de relativiteitstheorie zijn er eigenlijk drie manieren waarop objecten kunnen bewegen:

• Met de snelheid van het licht
• Langzamer dan de snelheid van het licht
• Sneller dan de snelheid van het licht

Bewegen met de snelheid van het licht

Een van de belangrijkste inzichten die Albert Einstein gebruikte om zijn relativiteitstheorie te ontwikkelen, was dat licht in een vacuüm altijd met dezelfde snelheid beweegt. De lichtdeeltjes, of fotonen, bewegen daarom met de snelheid van het licht. Dit is de enige snelheid waarmee fotonen kunnen bewegen. Ze kunnen nooit versnellen of vertragen. (Notitie: Fotonen veranderen wel van snelheid als ze door verschillende materialen gaan. Dit is hoe breking optreedt, maar het is de absolute snelheid van het foton in een vacuüm dat niet kan veranderen.) In feite bewegen alle bosonen met de snelheid van het licht, voor zover we kunnen zien.

Langzamer dan de snelheid van het licht

De volgende grote reeks deeltjes (voor zover we weten, alle deeltjes die geen bosonen zijn) bewegen langzamer dan de snelheid van het licht. Relativiteit vertelt ons dat het fysiek onmogelijk is om deze deeltjes ooit snel genoeg te versnellen om de snelheid van het licht te bereiken. Waarom is dit? Het komt eigenlijk neer op een aantal elementaire wiskundige concepten.

Omdat deze objecten massa bevatten, vertelt de relativiteitstheorie ons dat de kinetische energie van het object, gebaseerd op zijn snelheid, wordt bepaald door de vergelijking:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / vierkantswortel van (1 - v²/c²) - m₀c²

Er is veel gaande in de bovenstaande vergelijking, dus laten we die variabelen uitpakken:

• γ is de Lorentz-factor, een schaalfactor die herhaaldelijk in relativiteit verschijnt. Het geeft de verandering aan in verschillende hoeveelheden, zoals massa, lengte en tijd, wanneer objecten bewegen. Sinds γ = 1 / / vierkantswortel van (1 - v²/c²), dit is wat de verschillende look van de twee getoonde vergelijkingen veroorzaakt.
• m₀ is de restmassa van het object, verkregen wanneer het een snelheid van 0 heeft in een gegeven referentiekader.
• c is de snelheid van het licht in de vrije ruimte.
• v is de snelheid waarmee het object beweegt. De relativistische effecten zijn alleen merkbaar significant voor zeer hoge waarden van v, daarom konden deze effecten al lang worden genegeerd voordat Einstein langs kwam.

Let op de noemer die de variabele bevat v (voor snelheid). Naarmate de snelheid dichter en dichter bij de snelheid van het licht komt (c), dat v²/c² term komt steeds dichter bij 1 ... wat betekent dat de waarde van de noemer ("de vierkantswortel van 1 - v²/c²") komt steeds dichter bij 0.

Naarmate de noemer kleiner wordt, wordt de energie zelf steeds groter en nadert het oneindige. Daarom, als je probeert een deeltje bijna tot de snelheid van het licht te versnellen, kost het steeds meer energie om het te doen. Eigenlijk versnellen tot de snelheid van het licht zelf zou een oneindige hoeveelheid energie kosten, wat onmogelijk is.

Door deze redenering kan geen enkel deeltje dat langzamer beweegt dan de snelheid van het licht ooit de snelheid van het licht bereiken (of, bij uitbreiding, sneller gaan dan de snelheid van het licht).

Sneller dan de snelheid van het licht

Dus wat als we een deeltje hadden dat sneller beweegt dan de snelheid van het licht. Is dat zelfs mogelijk?

Strikt genomen is het mogelijk. Dergelijke deeltjes, tachyons genoemd, zijn in sommige theoretische modellen opgedoken, maar ze worden bijna altijd verwijderd omdat ze een fundamentele instabiliteit in het model vertegenwoordigen. Tot op heden hebben we geen experimenteel bewijs om aan te geven dat er tachyons bestaan.

Als er een tachyon zou bestaan, zou deze altijd sneller bewegen dan de snelheid van het licht. Met dezelfde redenering als in het geval van deeltjes die langzamer zijn dan licht, kunt u bewijzen dat het een oneindige hoeveelheid energie zou kosten om een ​​tachyon tot lichtsnelheid te vertragen.