La gente está interesada en la velocidad superluminal, que generalmente se refiere a la transmisión de energía o información más rápida que la luz. Según la teoría especial de la relatividad, los viajes más rápidos que la luz y las comunicaciones más rápidas que la luz en este sentido son generalmente imposibles. La mayor parte del debate actual sobre la velocidad superluminal es que algunas cosas pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz, pero no pueden usarse para transmitir energía o información. Pero las teorías existentes no descartan por completo la posibilidad de una verdadera velocidad superligera.
Analicemos primero la primera situación: no es la velocidad superligera en el verdadero sentido.
1. La velocidad de la luz en un medio con efecto Cherenkov es menor que en el vacío. Las partículas pueden viajar a través de un medio más rápido que la velocidad de la luz. En este caso se produce radiación, que es el efecto Cherenkov. Esta no es la verdadera velocidad de la luz. La verdadera velocidad de la luz se refiere a exceder la velocidad de la luz en el vacío.
2. Para un tercer observador, si A se mueve hacia el este con una velocidad de 0,6c con respecto a C y B se mueve hacia el oeste con una velocidad de 0,6c con respecto a C. Para C, la distancia entre A y B aumenta con una velocidad de 1.2c, esta "velocidad" (la velocidad de dos objetos en movimiento en relación con un tercer observador) puede exceder la velocidad de la luz. Pero dos objetos no pueden moverse entre sí más rápido que la velocidad de la luz. En este ejemplo, en el sistema de coordenadas de A, la velocidad de B es 0,88c. En el sistema de coordenadas de B, la velocidad de A también es 0,88c.
3. Sombras y puntos de luz Agite su mano bajo la luz y encontrará que las sombras se mueven más rápido que sus manos. La relación entre la velocidad de la sombra y la mano temblorosa es igual a la relación entre su distancia a la luz. Si agitas una linterna hacia la luna, es fácil hacer que los puntos de luz que caen sobre la luna se muevan más rápido que la velocidad de la luz. Desafortunadamente, la información no puede viajar más rápido que la luz de esta manera.
4. Cuando un cuerpo rígido toca el extremo de un palo, ¿la vibración se transmitirá inmediatamente al otro extremo? ¿No proporciona esto una forma de comunicación más rápida que la luz? Desafortunadamente, los cuerpos rígidos ideales no existen. Las vibraciones se propagan a través de la varilla a la velocidad del sonido, que en última instancia es el resultado de interacciones electromagnéticas y no puede exceder la velocidad de la luz. Una pregunta interesante es, cuando sostienes el extremo superior de un palo verticalmente y de repente lo sueltas, ¿cuál comienza a caer primero, el extremo superior del palo o el extremo inferior del palo? La respuesta es el extremo superior. )
5. Velocidad de fase La velocidad de fase de la luz en un medio puede exceder la velocidad de la luz en el vacío en algunas bandas de frecuencia. La velocidad de fase se refiere a la "velocidad de propagación" correspondiente al desfase de una onda sinusoidal continua que se propaga a una cierta distancia en el medio (suponiendo que la señal se propague durante mucho tiempo y alcance un estado estable). Evidentemente, una simple onda sinusoidal no puede transmitir información. Para transmitir información, es necesario modular paquetes de ondas que varían lentamente en una onda sinusoidal. La velocidad de propagación de este paquete de ondas se llama velocidad de grupo y es menor que la velocidad de la luz. (Nota del traductor: la investigación de Sommerfeld y Brillouin sobre la propagación de pulsos en los medios demostró que la velocidad de propagación de una señal con un tiempo de inicio [0 antes de cierto momento] en el medio no puede exceder la velocidad de la luz).
6. Galaxias de luz más rápida Las galaxias que se mueven hacia nosotros pueden tener velocidades aparentes que exceden la velocidad de la luz. Esto es una ilusión porque la disminución del tiempo desde la galaxia hasta nosotros no está corregida (?).
7. El hombre del cohete relativista ve el cohete alejándose a una velocidad de 0,8c en la Tierra. El reloj del cohete es más lento que el del hombre terrestre, que es 0,6 veces mayor que el del reloj de la Tierra. Si divides la distancia recorrida por el cohete por el tiempo transcurrido en el cohete, obtienes una "velocidad" de 4/3c. Por lo tanto, la persona en el cohete se mueve a una velocidad "equivalente" a la velocidad de la luz. Para las personas que viajan en el cohete, el tiempo no se ralentiza, pero la distancia entre las galaxias se reduce a 0,6 veces, por lo que también sienten que se mueven a una velocidad equivalente a 4/3c. El problema aquí es que el número obtenido al dividir la distancia en un sistema de coordenadas por el tiempo en el otro sistema de coordenadas no es la velocidad real.
8. Cómo viaja la gravedad Algunas personas creen que la gravedad viaja más rápido que la velocidad de la luz. De hecho, la gravedad viaja a la velocidad de la luz.
9. EPR Paradox 1935 Einstein, Podolsky y Rosen publicaron un experimento mental que demostraba lo incompleto de la mecánica cuántica. Creen que existe un efecto de distancia evidente al medir dos partículas separadas en un estado entrelazado.
Ebhard demostró que es imposible utilizar este efecto para transmitir información, por lo que no existe una comunicación más rápida que la luz. Pero todavía hay controversia sobre la paradoja del EPR.
10. En la teoría cuántica de campos, la fuerza de las partículas virtuales se transmite a través de partículas virtuales. Debido a la incertidumbre de Heisenberg, estas partículas virtuales pueden viajar más rápido que la luz, pero son sólo símbolos matemáticos y los viajes o las comunicaciones más rápidos que la luz aún no existen.
11. Túnel cuántico El túnel cuántico es el efecto de las partículas que escapan de una barrera de potencial superior a su propia energía, lo cual es imposible en la física clásica. Calcule el tiempo que le toma a la partícula viajar a través del túnel y encontrará que la velocidad de la partícula excede la velocidad de la luz. (Referencia: T.E. Hartman, J. APPL. PHYS.33, 3427 (1962)) Un grupo de físicos utilizó el efecto túnel cuántico para realizar un experimento sobre comunicación superligera: afirmaron que la Sinfonía n.° 40 de Mozart se grabó en 4.7 c La velocidad se transmite a través de una barrera de 11,4 cm de ancho, lo que por supuesto ha causado una gran controversia. La mayoría de los físicos creen que es imposible utilizar este efecto cuántico para transmitir información más rápido que la luz debido a la incertidumbre de Heisenberg. Si este efecto se cumple, será posible utilizar un dispositivo similar para transmitir información al pasado en un sistema de coordenadas en movimiento de alta velocidad.
Ref: W. Heitmann y G. Nimtz, Phys Rev E48, 632 (1994); A. Enders y G. Nimtz, Phys Rev E48, 632 (1993) Tao Zhexuan cree que el experimento anterior sí No hacer que la gente esté convencida. Una señal tarda menos de 0,4 nanosegundos en recorrer una distancia de 11,4 cm a la velocidad de la luz, pero una simple extrapolación puede predecir una señal acústica de 1.000 nanosegundos. Por lo tanto, se necesitan experimentos con comunicaciones más rápidas que la luz o señales aleatorias de alta frecuencia a distancias más largas.
12. Efecto Hashemi Cuando dos placas conductoras descargadas están muy juntas, se produce entre ellas una fuerza muy débil pero aún mensurable, que es el efecto Casimir. El efecto Casimir es causado por la energía del vacío. Los cálculos de Scharnhorst mostraron que el fotón que se mueve lateralmente entre las dos placas de metal debe ser ligeramente más rápido que la velocidad de la luz (para una brecha de un nanómetro, esta velocidad es 10-24 mayor que la velocidad de la luz). Bajo ciertas condiciones cósmicas (como cerca de [cuerdas cósmicas] [si existen]), este efecto sería mucho más pronunciado. Sin embargo, investigaciones teóricas posteriores muestran que es imposible utilizar este efecto para una comunicación más rápida que la luz.
Referencias: K. Scharnhorst, Physics Letters B236, 354 (1990) S. Ben-Menaheim, Physics Letters B250, 133 (1990). Aprendizaje avanzado). IAS SNS-AST-90-25 Barton & Scharnhorst, Journal of Physics A26, 2037 (1993)
13. El teorema de expansión cósmica de Hubble dice: Las galaxias a una distancia d se separan a velocidad HD. h es una constante independiente de la galaxia llamada constante de Hubble. Las galaxias que están lo suficientemente lejos pueden separarse entre sí a velocidades mayores que la velocidad de la luz, pero esta es la velocidad de separación en relación con un tercer observador.
14. ¡La luna nos orbita a más velocidad que la luz!
Cuando la luna está sobre el horizonte, suponiendo que giramos a una velocidad de media revolución por segundo, debido a que la luna está a 385.000 kilómetros de nosotros, la velocidad de rotación de la aparición de la luna ante nosotros es 1,21, 000 kilómetros por segundo, que es aproximadamente ¡4 veces la velocidad de la luz! Esto suena ridículo porque en realidad estamos girando, pero decimos que la luna gira a nuestro alrededor. Pero según la relatividad general, cualquier sistema de coordenadas, incluidos los sistemas de coordenadas giratorios, servirá. ¿No es esta la luna moviéndose a la velocidad de la luz?
El problema es que en la relatividad general las velocidades en diferentes lugares no se pueden comparar directamente. La velocidad de la Luna sólo puede compararse con la de otros objetos en su marco inercial local. De hecho, el concepto de velocidad no es de mucha utilidad en la relatividad general, donde es difícil definir qué es la "velocidad superluminal". En la relatividad general, incluso "¿no es la velocidad de la luz la que necesita una explicación?".
El propio Einstein dijo en la página 76 de "La Teoría de la Relatividad": "La velocidad de la luz es constante" en las teorías especiales y generales no siempre es correcta. Sin definiciones absolutas de tiempo y distancia, no está tan claro cómo determinar la velocidad.
A pesar de esto, la física moderna cree que la velocidad de la luz en la relatividad general sigue siendo constante. Se define como un axioma evidente que la velocidad de la luz es constante cuando las unidades de distancia y tiempo están unidas por la velocidad de la luz. En el ejemplo anterior, la velocidad de la Luna sigue siendo menor que la velocidad de la luz porque en cualquier momento se encuentra dentro del cono de luz futuro de su ubicación actual.
15. Aclare la definición de velocidad superluminal.
Los engañosos ejemplos de "velocidad superligera" enumerados en la primera parte ilustran la dificultad de definir la "velocidad superligera". ¿"Superligeros" como sombras y manchas? "No es la velocidad superligera, entonces, ¿qué es la velocidad superligera?" La "línea mundial" es un concepto importante en la teoría de la relatividad. Podemos utilizar "línea mundial" para dar una definición clara de "velocidad superligera".
¿Qué es una “línea mundial”? Sabemos que todos los objetos están hechos de partículas. Si podemos describir la posición de una partícula en cualquier momento, describimos la "historia" completa del objeto. Imagine un espacio de cuatro dimensiones que consta de tres dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo. Debido a que una partícula sólo puede estar en una posición específica en cualquier momento, toda su "historia" es una curva continua en este espacio de cuatro dimensiones, que es la "línea del mundo". La línea mundial de un objeto es el conjunto de líneas mundiales de todas las partículas que lo componen.
No sólo la historia de las partículas puede constituir líneas de mundo, sino también la historia de algunas "cosas" definidas artificialmente, como sombras y manchas. Una sombra se puede definir por puntos en su límite. Estos puntos no son partículas reales, pero sus posiciones pueden moverse, por lo que su "historia" también constituye la línea del mundo.
Un punto en el espacio y el tiempo de cuatro dimensiones representa un "evento", es decir, tres coordenadas espaciales más una coordenada temporal. Dos "eventos" cualesquiera pueden definir la distancia espacio-temporal, que es el cuadrado de la distancia espacial entre los dos eventos menos el cuadrado del producto de su intervalo de tiempo y la velocidad de la luz, luego la raíz cuadrada. La relatividad especial demuestra que esta distancia espacio-temporal no tiene nada que ver con el sistema de coordenadas, por lo que tiene significado físico.
La distancia espacio-temporal se puede dividir en tres categorías: distancia similar al tiempo: el intervalo espacial es menor que el producto del intervalo de tiempo por la velocidad de la luz; distancia similar al tiempo: el intervalo espacial es; igual al producto del intervalo de tiempo y la velocidad de la luz distancia espacial: el intervalo espacial es mayor que El producto del intervalo de tiempo y la velocidad de la luz.
A continuación, debemos introducir el concepto de "local". Una curva suave "localmente" es muy similar a una línea recta. De manera similar, el espacio-tiempo de cuatro dimensiones es localmente plano y la línea del mundo es localmente similar a una línea recta, lo que significa que puede describirse mediante un movimiento uniforme, que es la velocidad instantánea de las partículas. En la línea mundial de un fotón, la distancia entre eventos adyacentes es localmente similar a la de la luz. En este sentido, podemos decir que la línea mundial de fotones es similar a la luz.
La línea mundial de cualquier partícula que se mueve a menos de la velocidad de la luz, donde la distancia entre eventos adyacentes es localmente temporal. En este sentido, podemos decir que esta línea mundial es sincrónica. Sin embargo, las líneas del mundo que consisten en partículas que se mueven más rápido que la velocidad de la luz o "puntos" definidos artificialmente están vacías. Decimos que la línea del mundo es espacial, lo que significa que la distancia espacio-temporal entre eventos adyacentes es localmente espacial.
Debido a que puede haber un espacio-tiempo curvo, puede existir una línea mundial de este tipo: localmente, la distancia entre eventos adyacentes es temporal y la velocidad de movimiento de las partículas no excederá la velocidad de la luz; pero hay dos Eventos que están muy separados y su distancia espaciotemporal es espacial. ¿Se considera esto una velocidad superligera?
La importancia de esta pregunta es que podemos definir tanto la velocidad superluminal local como la velocidad superluminal global. Incluso si la velocidad de la superluz local es imposible, no descarta la posibilidad de una velocidad de la superluz global. También vale la pena discutir el FTL global.
En resumen, la "velocidad superligera" se puede definir mediante una línea mundial similar al espacio. La ventaja de esto es que excluye la situación en la que dos objetos se mueven a la velocidad superligera en relación con un tercero. observador.