Unul dintre cele mai dificil de înțeles aspecte din teoria relativității este cel cu privire la viteza luminii. Cum este posibil ca c, viteza luminii în vid, să fie imposibil de depășit? Ce înseamnă asta? De ce există această limită?
Și, din câte-mi dau seama, lucrul cel mai ignorat este cel cu privire la ce înseamnă, în fapt, relativitatea vitezelor. Cei mai mulți uită că „viteza” este un concept ce are sens doar în raport cu un sistem de referință. Cu alte cuvinte, un obiect are multiple viteze, în raport cu sistemul de referință în care este măsurat. De la neînțelegerea acestui lucru, apar multiple neînțelegeri. Cea mai caraghioasă consecință a acestei neînțelegeri este explicația conform căreia un obiect nu poate atinge viteza luminii pentru că am avea nevoie de o energie infinită pentru a-l accelera până la c.
Dar iată o întrebare interesantă: ce viteză măsurăm atunci când observăm doi fotoni, care sunt eliberați în direcții total opuse (să spunem, unul spre est, altul spre vest), în aceeași secundă, de două lanterne așezate una lângă alta?
Vom măsura o viteză relativă între cei doi fotoni de 2c (de două ori viteza luminii) sau doar c, pentru că asta ne-ar spune Einstein și teoria relativității (nimic nu poate depăși viteza luminii în vid, nu?).
Răspunsul și explicația sunt surprinzătoare și, cel mai probabil, nu ați mai dat până acum de ele prin clipurile/ articolele de popularizare...
Din nou, esențial în înțelegerea fenomenului este... sistemul de referință.
Din punctul de vedere al observatorului extern, de exemplu tu, privind cei doi fotoni care se îndepărtează unul de altul, veți observa că viteza relativă a celor doi fotoni, unul față de altul, din punctul tău de vedere, este de 2c! Da, de două ori viteza luminii!
E valabil și pentru doi fotoni care apropie unul de altul
Două lanterne trimit fotoni una către alta, viteza relativă a acestora fiind, pentru un observator extern, de 2c.
Și versiunea cealaltă a experimentului mental este adevărată: dacă privim doi fotoni apropiindu-se unul de altul, viteza cu care se apropie unul de altul, din punctul de vedere al unui observator extern, este de 2c.
Și protonii de la LCH au viteze relative, în raport cu un observator, de aproape c
În fapt, viteze relative supra-luminice se observă în mod constant la Marele Accelerator de Hadroni de Cern, Elveția, unde, de exemplu, se efectuează ciocniri de protoni, accelerați la viteze de 99,9% din viteza luminii (în raport cu observatorul extern, care poate fi asimilat cu un operator din camera de control a experimentului).
Avem, așadar, protoni care apropie unul de altul, din punctul de vedere al operatorului, cu 0,99c+0,99c, care înseamnă 1,99c, aproape de două ori viteza luminii în vid.
Protonii sunt particule compozite, cu masă, formate din quarcuri. Nu pot atinge viteza luminii în vid, c, această limită fiind rezervată doar particulelor fără masă, precum fotonul sau gluonul (particulă responsabilă de forța nucleară tare, care „ține” împreună quarcurile care formează protonii și neutronii din nucleul atomic).
Dar cum știm că protonii de la LHC se apropie unii de alții cu o viteză relativă mai mare decât c, în raport cu operatorul din camera de control? Pentru că se poate măsura deplasarea acestora în raport cu distanța pe care o au de parcurs până în momentul în care protonii se ciocnesc.
Iată o explicație simplificată:
- un proton se îndreaptă din punctul A (situat în stânga centrului acceleratorului, unde au loc ciocniri cu alți protoni) către centrul acceleratorului (punctul C) cu 99,9% din viteza luminii.
- un alt proton se îndreaptă din punctul B (situat în dreapta centrului acceleratorului) către centrul acceleratorului tot cu 99,9% din viteza luminii.
- putem calcula de cât timp are nevoie protonul plecat din punctul A să ajungă în punctul C (centrul acceleratorului).
- de asemenea, putem calcula de cât timp are nevoie protonul plecat din punctul B să ajungă în centrul acceleratorului.
- de aici rezultă foarte clar viteza relativă a celor doi protoni, din perspectiva observatorului din camera de control.
Dar este ce am spus mai sus în acord cu teoria relativității a lui Einstein? Este.
Einstein vorbește despre faptul că niciun obiect nu poate depăși viteza luminii, c, în raport cu un observator (un sistem de referință). Cu alte cuvinte, în raport cu tine, niciun obiect nu va avea viteza relativă mai mare decât c, nici măcar fotonii.
Dar mai sus nu am vorbit despre viteze super-luminice în raport cu un observator (un sistem de referință), ci despre măsurarea vitezei relative a două obiecte (fotoni sau protoni), unul față de altul, de către un observator extern.
Și dacă luăm noi locul unui proton?
Ne putem imagina și următoarea situație: facem cumva și, la LCH, iei tu locul unui proton și te deplasezi către centrul acceleratorului, în raport cu operatorul din camera de control, cu o viteză de 0,99% din viteza luminii către protoni care se apropie din direcția opusă.
Ce viteză relativă vor avea protonii care vin din partea opusă a acceleratorului către tine, în raport cu tine, cel care a înlocuit protonii? Cu siguranță o viteză apropiată de viteza luminii, dar în mod obligatoriu mai mică decât c, calculată după transformările lui Lorentz.
La viteze relative mari, apropiate de viteza luminii, lucrurile nu mai sunt în acord cu observațiile noastre de zi cu zi, când adunarea vitezelor și măsurarea timpului după metodele ante-relativiste sunt foarte bune aproximări.
Am scris multiple articole despre teoria relativității, în care am explicat, printre altele, consecințele stranii asupra măsurării spațiului și timpului, în secțiunea dedicată teoriei relativității a site-ului.
→ Citește și: Limita GZK - cum sunt limitați protonii de radiația cosmică de fond
Pentru o discuție mai amplă pe acest subiect, citiți (eng.) Moving faster than the speed of light, scris de fizicianul Matt Strassler.
Credit imagine: pixabay.
