Qualcosa può muoversi più velocemente della velocità della luce?

Un fatto comunemente noto in fisica è che non puoi muoverti più velocemente della velocità della luce. Mentre quello è fondamentalmente vero, è anche una semplificazione eccessiva. Secondo la teoria della relatività, ci sono in realtà tre modi in cui gli oggetti possono muoversi:

• Alla velocità della luce
• Più lento della velocità della luce
• Più veloce della velocità della luce

Muovendosi alla velocità della luce

Una delle intuizioni chiave che Albert Einstein usava per sviluppare la sua teoria della relatività era che la luce nel vuoto si muove sempre alla stessa velocità. Le particelle di luce, o fotoni, si muovono quindi alla velocità della luce. Questa è l'unica velocità alla quale i fotoni possono muoversi. Non possono mai accelerare o rallentare. (Nota: I fotoni cambiano velocità quando attraversano materiali diversi. Ecco come avviene la rifrazione, ma è la velocità assoluta del fotone in un vuoto che non può cambiare.) In effetti, tutti i bosoni si muovono alla velocità della luce, per quanto ne sappiamo.

Più lento della velocità della luce

Il prossimo grande insieme di particelle (per quanto ne sappiamo, tutti quelli che non sono bosoni) si muovono più lentamente della velocità della luce. La relatività ci dice che è fisicamente impossibile accelerare mai queste particelle abbastanza velocemente da raggiungere la velocità della luce. Perchè è questo? In realtà equivale ad alcuni concetti matematici di base.

Poiché questi oggetti contengono massa, la relatività ci dice che l'equazione dell'energia cinetica dell'oggetto, basata sulla sua velocità, è determinata dall'equazione:

E_K = m₀(γ - 1)c²

E_K = m₀c² / radice quadrata di (1 - v²/c²) - m₀c²

C'è molto da fare nell'equazione sopra, quindi scompattiamo quelle variabili:

• γ è il fattore di Lorentz, che è un fattore di scala che si manifesta ripetutamente nella relatività. Indica il cambiamento in diverse quantità, come massa, lunghezza e tempo, quando gli oggetti si muovono. Da γ = 1 / / radice quadrata di (1 - v²/c²), questo è ciò che provoca il diverso aspetto delle due equazioni mostrate.
• m₀ è la massa restante dell'oggetto, ottenuta quando ha una velocità pari a 0 in un dato quadro di riferimento.
• c è la velocità della luce nello spazio libero.
• v è la velocità alla quale l'oggetto si sta muovendo. Gli effetti relativistici sono notevolmente significativi solo per valori molto elevati di v, ed è per questo che questi effetti potrebbero essere ignorati molto prima dell'arrivo di Einstein.

Notare il denominatore che contiene la variabile v (per velocità). Man mano che la velocità si avvicina sempre più alla velocità della luce (c), quello v²/c² termine si avvicina sempre di più a 1 ... il che significa che il valore del denominatore ("la radice quadrata di 1 - v²/c²") si avvicinerà sempre di più a 0.

Man mano che il denominatore si riduce, l'energia stessa diventa sempre più grande, avvicinandosi all'infinito. Pertanto, quando provi ad accelerare una particella quasi alla velocità della luce, ci vuole sempre più energia per farlo. In realtà accelerare alla velocità della luce stessa richiederebbe una quantità infinita di energia, il che è impossibile.

Con questo ragionamento, nessuna particella che si muove più lentamente della velocità della luce può mai raggiungere la velocità della luce (o, per estensione, andare più veloce della velocità della luce).

Più veloce della velocità della luce

E se avessimo una particella che si muove più velocemente della velocità della luce? È anche possibile?

A rigor di termini, è possibile. Tali particelle, chiamate tachioni, sono comparse in alcuni modelli teorici, ma finiscono quasi sempre per essere rimosse perché rappresentano una instabilità fondamentale nel modello. Ad oggi, non abbiamo prove sperimentali per indicare che i tachioni esistono.

Se esistesse un tachione, si muoverà sempre più velocemente della velocità della luce. Usando lo stesso ragionamento del caso di particelle più lente della luce, puoi provare che ci vorrebbe una quantità infinita di energia per rallentare un tachione fino alla velocità della luce.