Teori Relativitas dan Kecepatan Cahaya

Salah satu fakta umum dalam fisika adalah bahwa Anda tidak bisa bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Sementara itu pada dasarnya benar, ini juga penyederhanaan yang berlebihan. Di bawah teori relativitas, sebenarnya ada tiga cara benda bisa bergerak:

• Dengan kecepatan cahaya
• Lebih lambat dari kecepatan cahaya
• Lebih cepat dari kecepatan cahaya

Salah satu kunci wawasan itu Albert Einstein yang digunakan untuk mengembangkan teorinya tentang relativitas adalah bahwa cahaya dalam ruang hampa selalu bergerak dengan kecepatan yang sama. Partikel-partikel cahaya, atau foton, oleh karena itu bergerak dengan kecepatan cahaya. Ini adalah satu-satunya kecepatan di mana foton dapat bergerak. Mereka tidak akan pernah bisa mempercepat atau memperlambat. (catatan: Foton memang berubah kecepatan ketika mereka melewati bahan yang berbeda. Ini adalah bagaimana refraksi terjadi, tetapi kecepatan absolut foton dalam ruang hampa tidak dapat berubah.) Faktanya, semua boson bergerak dengan kecepatan cahaya, sejauh yang kami tahu.

Set partikel utama berikutnya (sejauh yang kita tahu, semua yang bukan boson) bergerak lebih lambat daripada kecepatan cahaya. Relativitas memberitahu kita bahwa secara fisik tidak mungkin untuk mempercepat partikel-partikel ini dengan cukup cepat untuk mencapai kecepatan cahaya. Kenapa ini? Ini sebenarnya berjumlah beberapa konsep matematika dasar.

Karena benda-benda ini mengandung massa, relativitas memberitahu kita bahwa persamaan energi kinetik objek, berdasarkan kecepatannya, ditentukan oleh persamaan:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / akar kuadrat dari (1 - v²/c²) - m₀c²

Ada banyak hal yang terjadi dalam persamaan di atas, jadi mari kita ekstrak variabel-variabel tersebut:

• γ adalah faktor Lorentz, yang merupakan faktor skala yang muncul berulang kali dalam relativitas. Ini menunjukkan perubahan dalam jumlah yang berbeda, seperti massa, panjang, dan waktu, ketika benda bergerak. Sejak γ = 1 / / akar kuadrat dari (1 - v²/c²), inilah yang menyebabkan tampilan berbeda dari dua persamaan yang ditampilkan.
• m₀ adalah massa sisa objek, diperoleh ketika ia memiliki kecepatan 0 dalam kerangka referensi yang diberikan.
• c adalah kecepatan cahaya di ruang kosong.
• v adalah kecepatan di mana objek bergerak. Efek relativistik hanya terasa signifikan untuk nilai yang sangat tinggi v, itulah sebabnya efek ini bisa diabaikan jauh sebelum Einstein datang.

Perhatikan penyebut yang berisi variabel v (untuk kecepatan). Saat kecepatan semakin dekat dan semakin dekat dengan kecepatan cahaya (c) itu v²/c² istilah akan semakin dekat ke 1... yang berarti bahwa nilai penyebut ("akar kuadrat dari 1 - v²/c²") akan semakin dekat ke 0.

Ketika penyebutnya semakin kecil, energi itu sendiri semakin besar, semakin dekat tak terbatas. Karena itu, ketika Anda mencoba untuk mempercepat partikel hingga kecepatan cahaya, dibutuhkan energi yang semakin banyak untuk melakukannya. Sebenarnya mempercepat ke kecepatan cahaya itu sendiri akan membutuhkan energi dalam jumlah tak terbatas, yang tidak mungkin.

Dengan alasan ini, tidak ada partikel yang bergerak lebih lambat dari kecepatan cahaya yang bisa mencapai kecepatan cahaya (atau, dengan ekstensi, lebih cepat dari kecepatan cahaya).

Jadi bagaimana kalau kita memang memiliki partikel yang bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Apakah itu mungkin?

Sebenarnya, itu mungkin. Partikel-partikel seperti itu, yang disebut tachyons, telah muncul dalam beberapa model teoretis, tetapi mereka hampir selalu berakhir dihilangkan karena mereka mewakili ketidakstabilan mendasar dalam model. Sampai saat ini, kami tidak memiliki bukti eksperimental untuk menunjukkan bahwa tachyon memang ada.

Jika tachyon memang ada, itu akan selalu bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Dengan menggunakan alasan yang sama seperti dalam kasus partikel yang lebih lambat dari cahaya, Anda dapat membuktikan bahwa dibutuhkan energi yang tak terbatas untuk memperlambat tachyon ke kecepatan cahaya.

Perbedaannya adalah, dalam hal ini, Anda berakhir dengan v-term sedikit lebih besar dari satu, yang berarti angka dalam akar kuadrat adalah negatif. Ini menghasilkan angka imajiner, dan bahkan tidak jelas secara konseptual apa arti energi imajiner sebenarnya. (Tidak, ini tidakenergi gelap.)

Seperti yang saya sebutkan sebelumnya, ketika cahaya beralih dari ruang hampa ke bahan lain, ia melambat. Ada kemungkinan bahwa partikel bermuatan, seperti elektron, dapat memasuki material dengan kekuatan yang cukup untuk bergerak lebih cepat daripada cahaya di dalam material itu. (Kecepatan cahaya dalam bahan yang diberikan disebut kecepatan fase cahaya dalam medium itu.) Dalam kasus ini, partikel bermuatan memancarkan bentuk radiasi elektromagnetik itu disebut Radiasi Cherenkov.

Ada satu cara di sekitar kecepatan pembatasan cahaya. Pembatasan ini hanya berlaku untuk objek yang bergerak melalui ruangwaktu, tetapi dimungkinkan untuk ruang waktu itu sendiri berkembang dengan kecepatan sehingga benda-benda di dalamnya terpisah lebih cepat dari kecepatan cahaya.

Sebagai contoh yang tidak sempurna, pikirkan dua rakit mengambang di sungai dengan kecepatan konstan. Sungai bercabang menjadi dua cabang, dengan satu rakit mengambang di masing-masing cabang. Meskipun rakit-rakit itu sendiri masing-masing selalu bergerak dengan kecepatan yang sama, mereka bergerak lebih cepat dalam hubungannya satu sama lain karena aliran relatif sungai itu sendiri. Dalam contoh ini, sungai itu sendiri adalah ruangwaktu.

Di bawah model kosmologis saat ini, jangkauan jauh dari alam semesta mengembang dengan kecepatan lebih cepat dari kecepatan cahaya. Di alam semesta awal, alam semesta kita juga berkembang pada tingkat ini. Namun, dalam wilayah ruangwaktu tertentu, batasan kecepatan yang dipaksakan oleh relativitas memang berlaku.

Satu poin terakhir yang layak disebutkan adalah ide hipotetis yang disebut kosmologi variabel kecepatan cahaya (VSL), yang menunjukkan bahwa kecepatan cahaya itu sendiri telah berubah seiring waktu. Ini adalah sebuah sangat teori kontroversial dan ada sedikit bukti eksperimental langsung untuk mendukungnya. Sebagian besar, teori telah dikemukakan karena memiliki potensi untuk memecahkan masalah tertentu dalam evolusi alam semesta awal tanpa menggunakan teori inflasi.