Relativní rychlost a rychlost světla: Podrobné vysvětlení

Článek pojednává o konceptu speciální teorie relativity, který zahrnuje relativní rychlost a rychlost světla. 

Relativní rychlost a rychlost světla představují pohyb více těles, která se vzájemně ovlivňují. Rychlost jednoho z pohybujících se těles vzhledem k druhému se vypočítá jako jejich relativní rychlost. Naproti tomu maximální limit obou relativních rychlostí je „rychlost světla“. 

Rychlost jakéhokoli objektu je závislá na snímku. To znamená, že rychlost objektu musí být odhadnuta s ohledem na snímek jiného interagujícího objektu, i když je objekt v klidu nebo se pohybuje. 

Pokud se oba objekty A a B pohybují stejným směrem, jejich relativní rychlost VAB je součet obou rychlostí (VA + VB). 

Pokud se oba objekty A a B pohybují opačným směrem, jejich relativní rychlost VAB je rozdíl mezi jejich rychlostmi (VA – VB). 

Relativní rychlost je charakterizována vztažnou soustavou jiného objektu nebo pozorovatele, reprezentovaná prostorovými souřadnicemi (x,y,z,t). 

Největší hodnotu však musí mít rychlost každého objektu, který objevil dánský astronom Ole Roemer. Experimentoval s rychlostí elektromagnetické EM vlny cestování po zemi. Vypočítal, že světelné vlny potřebují 17 minut, aby překonaly průměr naší zemské oběžné dráhy. Po vydělení průměru oběžné dráhy časovým rozdílem se rychlost světla (c) počítá jako 186,000 XNUMX mil za sekundu. 

James Maxwell navrhl, že světlo, jedna z elektromagnetických vln, se šíří rychlostí 1,86,000 3.8 10 mil za sekundu neboli XNUMX x XNUMX8 slečna. Einstein kultivoval speciální teorii relativity hypotézou, že hodnota rychlosti světla je konstantní a nezávislá na pohybu jeho zdroje.

Podle Einsteinovy ​​teorie relativity existuje rychlostní limit pro každou hmotu, energii nebo signál, který přenáší informace prostorem. To znamená, že relativní rychlost mezi dvěma interagujícími tělesy má rychlostní limit rovný rychlosti světla. 

Rychlost EM vln
Rychlost EM vln
(kredit: Shutterstock)

Může relativní rychlost překročit rychlost světla?

Projekt relativní rychlost žádného předmětu nesmí překročit hodnotu rychlosti světla. 

Veškeré EM záření obsahuje částice bez hmotnosti. Proto potřebují méně energie k dosažení rychlosti světla. Ve srovnání s tím částice s nenulovou hmotností vyžadují extrémně velkou energii. Proto se EM vlna šíří rychlostí světla, navzdory vztažné soustavě; ale nemůže ji překročit.

Relativní Rychlost A Rychlost Světla
Relativní Rychlost A Rychlost Světla (kredit: Shutterstock)

Dříve fyzici předpokládali, že neexistuje žádná hranice rychlosti objektu. Ale Einstein odhalil hodnotu rychlosti světla (c) ve vakuu jako rychlostní limit pro všechny objekty na Zemi. Že znamená, že žádný objekt se nemůže pohybovat rychleji než hodnota 3 x 108 m/s. Projekt relativní rychlost konkrétního objektu s nenulovou hmotností se vypočítá v rámci vztažné soustavy druhého objektu. Žádný pozorovatel však nebude svědkem toho, že se pozorovatel v jiné vztažné soustavě blíží nebo překračuje hodnotu c. 

Předpokládejme, že vlakem cestuje muž a před vlakem stojí jiný muž. Muž ve vlaku zachytil muže venku, projížděl rychlostí 30 km/h, zatímco muž venku zahlédl muže uvnitř vlaku, který projížděl rychlostí 250 km/h. Otázka o 'jaká je skutečná rychlost vlaku“ nemá jedinou odpověď.

Rychlost vlaku vzhledem ke stojícímu muži mimo vlak se určí sečtením rychlostí jako 30 + 250 = 280 km/h. Pro srovnání, rychlost vlaku vzhledem k muži ve vlaku je 30 km/h. Navíc rychlost stejného vlaku vzhledem ke galaxii je 2,20,000 XNUMX XNUMX m/s. 

Představme si EM vlny na takovém příkladu, jako je vlak jedoucí v noci a muž vně vlaku osvětlující záblesk světla pochodní na muže uvnitř vlaku. Chápeme, že rychlost vlaku vzhledem k muži venku je 280 km/h. Světlo má přitom rychlost 3 x 108 slečna. Rychlost světla vzhledem k vlaku je tedy 3 x 108 slečna. 

Pokud bychom chtěli vypočítat rychlost světla vzhledem k muži uvnitř vlaku, řekli bychom 280 + 3 x 108 = 3,00,000,280 3 10 XNUMX m/s. Ale není to nic platné. Rychlost světla vzhledem k muži uvnitř vlaku je stále XNUMX x XNUMX8 podle Einsteinovy ​​teorie relativity. Protože všechny rychlosti jsou relativní, rychlost světla je absolutní nebo univerzální konstantní hodnota nezávislá na médiu a vztažné soustavě, kterou se pohybovalo..

Proto bez ohledu na to, jak rychle se pozorovatel pohybuje vzhledem ke zdroji světla, rychlost světla je stejná, když jej kterýkoli pozorovatel vidí. Pochopili jsme, že relativní rychlost se získá sečtením rychlostí, ale nemůže překročit hodnotu c. 

Proč relativní rychlosti nemohou překročit rychlost světla?

Projekt relativní rychlosti nemůže překročit rychlost světla kvůli velké energetické potřebě. 

Interagující objekty musí udržet velké hmoty, aby se pohybovaly vyšší rychlostí. Čím je předmět obrovský, tím rychleji se pohybuje. Objekty však vyžadují nekonečné množství energie, aby překonaly svou relativní rychlost vzhledem k rychlosti světla, což se u objektů s nenulovou hmotností prakticky nestává. 

Hmotnostně-energetická ekvivalence
Hmotnostně-energetická ekvivalence 

Einstein vyvinul hmotnostně-energetická ekvivalence která předpovídá množství energie potřebné k pohybu objektu s nenulovou hmotností. E = mc2. Vzorec nám prozrazuje, že energie a hmotnostní veličiny jsou vzájemně směnitelnéTo znamená, že hmota může být přeměněna na energii a naopak. Ekvivalence hmoty a energie definuje směnný kurz mezi energií a hmotou. 

EM vlny se vybijí jako velké množství energie v proces přeměny energie. Světelné vlny obsahují pouze protony, které mají nulovou klidovou hmotnost. Ve vzorci hmotnostně-energetické ekvivalence se malá hmotnost světelných vln přemění na nejvyšší možnou energii, aby se pohybovala nejvyšší možnou rychlostí. 

Relativní rychlosti mohou překročit rychlost světla pouze tehdy, když;

  • Vzdálenost mezi nimi je nulová.
  • Čas potřebný k cestování je nekonečný.
  • Na oba nepůsobí žádná kontaktní ani bezkontaktní síla, takže jejich zrychlení je nulové.
  • A jejich masy jsou nekonečné. 

Takže objekt s nekonečnou hmotností není v reálném životě praktický. Proto ne objektů nebo jejich relativních rychlostí nemůže překročit hodnotu rychlosti světla. 

Může něco jít rychleji než rychlost světla?

Objekt s nulovou hmotností může jít rychleji a dokonce dosáhnout hodnoty rychlosti světla, ale nikdy ji nepřekročí.

Projekt Velký hadronový urychlovač (LHC) je urychlovač částic, který dosáhl rychlosti světla 99.99 % vzhledem k jiné skupině protonů. Ale abychom jeli rychleji než hodnota c, potřebná energie je větší než energie spotřebovaná celým městem.  

Large Hadron Collider
Large Hadron Collider
(kredit: Shutterstock)

Také čtení:

Zanechat komentář