Warum Sie nicht mit der Lichtgeschwindigkeit reisen können

Eine kurze Geschichte von Einsteins Relativitätstheorie

Albert Einstein ist berühmt für viele Dinge, nicht zuletzt seine Theorien der Relativität. Die erste, der speziellen Relativitätstheorie war derjenige, der begann der Physiker Ruf zerreißen die klassische Weltsicht, die vor gekommen war. Spezielle Relativitätstheorie, eine Art des Umgangs der Bewegung von Objekten im Universum, führten Wissenschaftler, ihre Annahmen über Dinge, die so grundlegend wie Zeit und Raum neu zu bewerten. Und es führte zu wichtigen Enthüllungen über die Beziehung zwischen Energie und Materie.

Spezielle Relativitätstheorie wurde von Einstein 1905 in einem Papier mit dem Titel "Auf der Elektrodynamik von Moving Bodies" veröffentlicht. Er kam es nach der Ernte auf einen Konflikt zwischen den Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus, die der Physiker James Clerk Maxwell vor kurzem entwickelt hatte, und etablierten Isaac Newtons Bewegungsgesetze, bemerkte er.

Licht, laut Maxwell, war eine Schwingung in das elektromagnetische Feld und sie reiste mit einer konstanten Geschwindigkeit in einem Vakuum. Mehr als 100 Jahre zuvor, Newton hatte seine Gesetze der Bewegung festgehalten und, zusammen mit Ideen von Galileo Galilei, diese zeigte wie die Geschwindigkeit eines Objekts unterscheiden würde hängen, die es die Messung war und wie sie im Verhältnis zum Objekt bewegt wurden. Eine Kugel, die du hälst erscheinen immer noch an Sie, auch wenn Sie in einem fahrenden Auto. Aber der Ball wird, wer steht auf dem Bürgersteig zu bewegen scheinen.

Aber es gab ein Problem bei der Anwendung der Newtonschen Gesetze der Bewegung ans Licht. In Maxwell Gleichungen ist die Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen eine Konstante definiert durch die Eigenschaften des Materials durch die Wellen bewegen. Da ist nichts drin, das ermöglicht die Geschwindigkeit dieser Wellen werden für verschiedene Menschen je nachdem, wie sie sich relativ zueinander bewegten. Das ist bizarr, wenn man darüber nachdenkt.

Stell dir vor, jemand sitzt in einem stationären Zug, von wo er an der gegenüberliegenden Wand, ein paar Meter weiter unten der Zug von ihm sitzt einen Ball zu werfen. Messen Sie stehen am Bahnsteig, die Geschwindigkeit des Balles auf den gleichen Wert wie die Person auf dem Zug.

Der Zug beginnt nun zu bewegen (in Richtung des Balles), und Sie messen wieder die Geschwindigkeit des Balles. Sie würde es richtig berechnen als höher – die anfängliche Geschwindigkeit (dh, wenn der Zug in Ruhe war) sowie die Fahrgeschwindigkeit des Zuges. Im Zug werden die Spiel-Spieler inzwischen nichts anderes feststellen. Ihre zwei Werte für die Geschwindigkeit des Balles werden unterschiedlich sein; beide richtig für Ihre Bezugssysteme.

Ersetzen Sie den Ball mit Licht und diese Berechnung geht schief. Wenn die Person im Zug waren leuchtendes Licht an der gegenüberliegenden Wand und messen die Geschwindigkeit der Teilchen von Licht (Photonen), Sie und der Fluggast würden beide feststellen, dass die Photonen die gleiche Geschwindigkeit überhaupt hatte mal. In allen Fällen würde die Geschwindigkeit der Photonen mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde, als Maxwell Gleichungen bleiben, sagen sie sollte.

Einstein nahm diese Idee – die Invarianz der Geschwindigkeit des Lichts – als eines seiner zwei Postulate für die spezielle Relativitätstheorie. Die anderen Postulat war, dass die Gesetze der Physik gleich sind, egal wo Sie sind, ob auf ein Flugzeug oder stehend auf einer Landstraße. Aber um die Lichtgeschwindigkeit zu allen Zeiten und für alle Beobachter in der speziellen Relativitätstheorie, konstant halten Raum und Zeit dehnbar und variabler geworden. Zeit ist nicht absolut, zum Beispiel. Eine bewegende tickt langsamer als bei einem stationären. Reisen mit der Geschwindigkeit von Licht und theoretisch, würde die Uhr ganz zu stoppen.

Wieviel Zeit weitet kann durch die beiden obigen Gleichungen berechnet werden. Auf der rechten Seite ist Δt das Zeitintervall zwischen zwei Ereignissen, gemessen von der Person, die sie betreffen. (In unserem obigen Beispiel wäre dies die Person im Zug.) Auf der linken Seite, Δt' ist das Zeitintervall zwischen den gleichen zwei Ereignisse aber durch einen außenstehenden Beobachter in einem separaten Bezugsrahmen (die Person auf der Plattform) gemessen. Diese beziehen sich zwei Mal durch den Lorentz-Faktor (γ), die in diesem Beispiel ein Begriff, der die Geschwindigkeit (V) des Zuges im Verhältnis zu dem Bahnsteig die ist berücksichtigt "in Ruhe" ist. In diesem Ausdruck ist c eine konstante gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Die Länge von sich bewegenden Objekten auch schrumpfen in die Richtung, in die sie sich bewegen. Lernen Sie die Geschwindigkeit des Lichts (nicht wirklich möglich, aber vorstellen, wenn Sie für einen Moment konnte) und die Länge des Objekts auf Null schrumpfen würde.

Die vertraglich vereinbarten Länge eines sich bewegenden Objekts relativ zu einer stationären einer kann berechnet werden, indem man die richtige Länge durch den Lorentz-Faktor – wäre es möglich, dass ein Objekt, das der Geschwindigkeit des Lichts seine Länge erreichen würde auf Null sinken.

Es ist wichtig zu beachten, dass wenn Sie die Person bewegt, schneller und schneller wurden, nicht nichts bemerken würde: die Zeit würde normalerweise für Sie tick und Sie würden nicht in der Länge gequetscht werden. Aber jemand beobachtete, dass Sie aus dem himmlischen Bahnsteig wäre in der Lage, die Unterschiede berechnet aus der Lorentz-Faktor zu messen. Jedoch wird für Alltagsgegenstände und alltäglichen Geschwindigkeiten der Lorentz-Faktor nahe bei 1 – es ist nur bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, dass die relativistischen Effekte ernsthaften Aufmerksamkeit brauchen.

Ein weiteres Feature, das ergibt sich aus der speziellen Relativitätstheorie ist, wie etwas beschleunigt, seine Masse erhöht im Vergleich zu seiner Masse in Ruhe, mit der Masse des bewegten Objekts bestimmt seine Ruhemasse mit der Lorentz-Faktor multipliziert. Diese Zunahme der relativistischen Masse macht jede zusätzliche Einheit der Energie, die Sie setzen in der Beschleunigung des Objekts weniger effektiv zu machen, dass es tatsächlich schneller bewegen.

Da die Geschwindigkeit des Objekts erhöht und beginnt zu spürbaren Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit (c), der Teil der Energie, die in die Herstellung des Objekts mehr Masse wird größer und größer.

Dies erklärt, warum nichts reisen kann schneller als Licht – an oder nahe der Lichtgeschwindigkeit, keine zusätzliche Energie, die Sie in ein Objekt setzen macht es schneller bewegen nicht, sondern nur seine Masse erhöht. Masse und Energie sind die gleiche Sache – das ist ein äußerst wichtiges Ergebnis. Aber das ist eine andere Geschichte.