सापेक्षता का सिद्धांत और प्रकाश की गति

भौतिकी में एक सामान्य रूप से ज्ञात तथ्य यह है कि आप प्रकाश की गति से अधिक तेज नहीं चल सकते। जबकि वह है मूल रूप से सच है, यह एक अति-सरलीकरण भी है। के नीचे सापेक्षता का सिद्धांत, वास्तव में तीन तरीके हैं जो ऑब्जेक्ट ले जा सकते हैं:

• प्रकाश की गति से
• प्रकाश की गति से धीमी
• प्रकाश की गति से भी तेज

प्रमुख अंतर्दृष्टि में से एक है कि अल्बर्ट आइंस्टीन सापेक्षता के अपने सिद्धांत को विकसित करने के लिए इस्तेमाल किया गया था कि वैक्यूम में प्रकाश हमेशा एक ही गति से चलता है। प्रकाश के कण, या फोटॉनों, इसलिए प्रकाश की गति से आगे बढ़ें। यह एकमात्र गति है जिस पर फोटॉनों को स्थानांतरित किया जा सकता है। वे कभी भी गति या धीमा नहीं कर सकते। (ध्यान दें: जब वे विभिन्न सामग्रियों से गुजरते हैं तो फोटॉन गति बदल लेते हैं। यह कैसे अपवर्तन होता है, लेकिन यह एक निर्वात में फोटॉन की निरपेक्ष गति है जो बदल नहीं सकता है।) वास्तव में, सभी बोसॉन प्रकाश की गति से आगे बढ़ें, जहां तक ​​हम बता सकते हैं।

कणों का अगला प्रमुख सेट (अब तक हम जानते हैं, सभी जो कि बोसॉन नहीं हैं) प्रकाश की गति से धीमी गति से चलते हैं। सापेक्षता हमें बताती है कि प्रकाश की गति तक पहुंचने के लिए इन कणों को कभी भी तेजी से बढ़ाना शारीरिक रूप से असंभव है। ऐसा क्यों है? यह वास्तव में कुछ बुनियादी गणितीय अवधारणाओं पर निर्भर करता है।

चूंकि इन वस्तुओं में द्रव्यमान होता है, सापेक्षता हमें बताती है कि समीकरण गतिज ऊर्जा ऑब्जेक्ट के वेग के आधार पर, समीकरण द्वारा निर्धारित किया जाता है:

इ_क = म₀(γ - 1)सी²

इ_क = म₀सी² / वर्गमूल की (1) v²/सी²) - म₀सी²

उपरोक्त समीकरण में बहुत कुछ चल रहा है, इसलिए उन चरों को अनपैक करें:

• γ लोरेंत्ज़ फैक्टर है, जो एक स्केल फैक्टर है जो सापेक्षता में बार-बार दिखाई देता है। यह विभिन्न मात्राओं में परिवर्तन को इंगित करता है, जैसे कि द्रव्यमान, लंबाई और समय, जब वस्तुएं चलती हैं। जबसे γ = 1 / / वर्गमूल का (1) v²/सी²), यही वह कारण है जो दिखाए गए दो समीकरणों के अलग-अलग रूप का कारण बनता है।
• म₀ वस्तु का शेष द्रव्यमान है, जिसे प्राप्त संदर्भ के फ्रेम में 0 का वेग है।
• सी मुक्त स्थान में प्रकाश की गति है।
• v वह वेग है जिस पर वस्तु चलती है। बहुत उच्च मूल्यों के लिए सापेक्ष प्रभाव केवल उल्लेखनीय रूप से महत्वपूर्ण हैं v, यही वजह है कि आइंस्टीन के साथ आने से पहले इन प्रभावों को लंबे समय तक नजरअंदाज किया जा सकता था।

भाजक को देखें जिसमें चर है v (के लिये वेग). जैसे-जैसे वेग प्रकाश की गति के करीब और करीब आता जाता है (सी), उस v²/सी² टर्म 1 के करीब और करीब हो जाएगा... जिसका अर्थ है कि हर का मान ("1 का वर्गमूल - v²/सी²") 0 के करीब और करीब हो जाएगा।

जैसे-जैसे भाजक छोटा होता जाता है, ऊर्जा अपने आप बड़ी और बड़ी होती जाती है, निकट आती जाती है अनन्तता. इसलिए, जब आप प्रकाश की गति के लगभग एक कण को ​​तेज करने की कोशिश करते हैं, तो इसे करने के लिए अधिक से अधिक ऊर्जा लगती है। वास्तव में प्रकाश की गति में तेजी से ही अनंत ऊर्जा प्राप्त होगी, जो असंभव है।

इस तर्क से, कोई भी कण जो प्रकाश की गति की तुलना में धीमी गति से आगे बढ़ रहा है, कभी भी प्रकाश की गति तक पहुंच सकता है (या, विस्तार से, प्रकाश की गति से अधिक तेजी से जा सकता है)।

तो क्या हुआ अगर हमारे पास एक कण है जो प्रकाश की गति से तेज चलता है। क्या यह भी संभव है?

कड़ाई से बोलना, यह संभव है। इस तरह के कण, जिन्हें टैकियॉन कहा जाता है, ने कुछ सैद्धांतिक मॉडल में दिखाया है, लेकिन वे लगभग हमेशा समाप्त हो जाते हैं क्योंकि वे मॉडल में एक मौलिक अस्थिरता का प्रतिनिधित्व करते हैं। आज तक, हमारे पास यह बताने के लिए कोई प्रायोगिक साक्ष्य नहीं है कि टैचीन्स मौजूद हैं।

यदि एक टैकियॉन मौजूद था, तो यह हमेशा प्रकाश की गति की तुलना में तेजी से आगे बढ़ेगा। धीमी-से-कम प्रकाश कणों के मामले में उसी तर्क का उपयोग करते हुए, आप यह साबित कर सकते हैं कि प्रकाश की गति को कम करने के लिए एक tachyon को धीमा करने के लिए ऊर्जा की एक अनंत मात्रा में ले जाएगा।

अंतर यह है कि, इस मामले में, आप के साथ समाप्त होता है v-एक से थोड़ा अधिक होना, जिसका अर्थ है कि वर्गमूल में संख्या एक ऋणात्मक है। यह एक काल्पनिक संख्या में परिणत होता है, और यह वैचारिक रूप से भी स्पष्ट नहीं है कि काल्पनिक ऊर्जा का वास्तव में क्या मतलब होगा। (नहीं, यह है नहींकाली ऊर्जा.)

जैसा कि मैंने पहले उल्लेख किया है, जब प्रकाश एक वैक्यूम से दूसरी सामग्री में जाता है, तो यह धीमा हो जाता है। यह संभव है कि एक आवेशित कण, जैसे कि इलेक्ट्रॉन, उस सामग्री के भीतर प्रकाश की तुलना में तेजी से आगे बढ़ने के लिए पर्याप्त बल के साथ एक सामग्री में प्रवेश कर सकता है। (किसी दी गई सामग्री के भीतर प्रकाश की गति को कहा जाता है चरण का वेग उस माध्यम में प्रकाश की।) इस मामले में, आवेशित कण एक रूप का उत्सर्जन करता है विद्युत चुम्बकीय विकिरण यह कहा जाता है चेरेंकोव विकिरण.

प्रकाश प्रतिबंध की गति के आसपास एक रास्ता है। यह प्रतिबंध केवल उन वस्तुओं पर लागू होता है जो स्पेसटाइम के माध्यम से आगे बढ़ रहे हैं, लेकिन यह संभव है अंतरिक्ष समय अपने आप में एक ऐसी दर पर विस्तार करने के लिए कि इसके भीतर की वस्तुएं प्रकाश की गति की तुलना में तेजी से अलग हो रही हैं।

एक अपूर्ण उदाहरण के रूप में, एक निरंतर गति से एक नदी के नीचे तैरने वाले दो राफ्ट के बारे में सोचें। नदी दो शाखाओं में बंट जाती है, जिसमें से प्रत्येक शाखा के नीचे एक बेड़ा तैरता है। हालांकि राफ्ट स्वयं प्रत्येक हमेशा एक ही गति से आगे बढ़ रही हैं, वे नदी के सापेक्ष प्रवाह के कारण एक दूसरे के संबंध में तेजी से आगे बढ़ रही हैं। इस उदाहरण में, नदी अपने आप में फैली हुई है।

वर्तमान ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल के तहत, ब्रह्मांड की सुदूर पहुंच प्रकाश की गति से तेज गति से विस्तार कर रही है। प्रारंभिक ब्रह्मांड में, हमारा ब्रह्मांड इसी दर पर विस्तार कर रहा था। फिर भी, स्पेसटाइम के किसी भी विशिष्ट क्षेत्र के भीतर, सापेक्षता द्वारा लगाए गए गति सीमाएं पकड़ती हैं।

उल्लेख के लायक एक अंतिम बिंदु एक काल्पनिक विचार है जिसे प्रकाश की परिवर्तनीय गति (वीएसएल) कॉस्मोलॉजी कहा जाता है, जो बताता है कि प्रकाश की गति समय के साथ बदल गई है। यह एक अत्यंत विवादास्पद सिद्धांत और इसका समर्थन करने के लिए बहुत कम प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक सबूत हैं। अधिकतर, सिद्धांत को आगे रखा गया है क्योंकि इसमें बिना सहारा लिए प्रारंभिक ब्रह्मांड के विकास में कुछ समस्याओं को हल करने की क्षमता है मुद्रास्फीति सिद्धांत.