Relativgeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit: Detaillierte Erläuterungen

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Der Artikel diskutiert das Konzept der speziellen Relativitätstheorie, das Relativgeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit umfasst. 

Relativgeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit stellen die Bewegung der mehreren Körper dar, die miteinander interagieren. Die Geschwindigkeit eines der sich bewegenden Körper in Bezug auf den anderen wird als ihre Relativgeschwindigkeit berechnet. Im Gegensatz dazu ist die maximale Grenze für beide Relativgeschwindigkeiten die "Lichtgeschwindigkeit". 

Die Geschwindigkeit jedes Objekts ist frameabhängig. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit eines Objekts bezüglich eines Rahmens eines anderen interagierenden Objekts geschätzt werden muss, selbst wenn ein Objekt ruht oder sich bewegt. 

Wenn sich beide Objekte A und B in die gleiche Richtung bewegen, ihre relative Geschwindigkeit VAB ist die Summe beider Geschwindigkeiten (VA + VB). 

Wenn sich beide Objekte A und B in die entgegengesetzte Richtung bewegen, ihre relative Geschwindigkeit VAB ist die Differenz zwischen ihren Geschwindigkeiten (VA – VB). 

Die Relativgeschwindigkeit wird durch den Bezugsrahmen eines anderen Objekts oder Beobachters charakterisiert, dargestellt durch räumliche Koordinaten (x,y,z,t). 

Aber den größten Wert muss die Geschwindigkeit jedes Objekts haben, die der dänische Astronom Ole Roemer entdeckt hat. Er experimentierte mit der Geschwindigkeit von elektromagnetische EM-Wellen Reisen auf der Erde. Er errechnete, dass Lichtwellen 17 Minuten benötigten, um den Durchmesser unserer Erdumlaufbahn zu durchqueren. Dividiert man den Durchmesser der Umlaufbahn durch die Zeitdifferenz, wird die Lichtgeschwindigkeit (c) mit 186,000 Meilen pro Sekunde gezählt. 

James Maxwell schlug vor, dass Licht, eine der elektromagnetischen Wellen, sich mit 1,86,000 Meilen pro Sekunde oder 3.8 x 10 bewegt8 Frau. Einstein kultivierte die spezielle Relativitätstheorie, indem er die Hypothese aufstellte, dass der Wert der Lichtgeschwindigkeit konstant und unabhängig von der Bewegung seiner Quelle ist.

Gemäß Einsteins Relativitätstheorie gibt es eine Geschwindigkeitsbegrenzung für jede Materie, Energie oder jedes Signal, das die Informationen durch den Raum trägt. Das bedeutet, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen zwei wechselwirkenden Körpern eine Geschwindigkeitsgrenze hat, die gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. 

Geschwindigkeit von EM-Wellen
Geschwindigkeit von EM-Wellen
(Kredit: shutterstock)

Kann die Relativgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreiten?

Das relative Geschwindigkeit eines Objekts darf die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. 

Alle EM-Strahlung enthält masselose Teilchen. Daher benötigen sie weniger Energie, um die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Im Vergleich dazu benötigen die Teilchen mit einer Masse ungleich Null eine extrem große Energie. Daher bewegt sich die EM-Welle trotz des Bezugsrahmens mit Lichtgeschwindigkeit; kann sie aber nicht überschreiten.

Relativgeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit
Relativgeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit (Kredit: shutterstock)

Früher gingen Physiker davon aus, dass die Geschwindigkeit eines Objekts unbegrenzt ist. Aber Einstein entdeckte den Wert der Lichtgeschwindigkeit (c) im Vakuum als Geschwindigkeitsbegrenzung für alle Objekte auf der Erde. Dass bedeutet, dass sich kein Objekt schneller als der Wert 3 x 108 m/s bewegen kann. Das relative Geschwindigkeit des jeweiligen Objekts mit einer Masse ungleich Null wird im Bezugssystem des anderen Objekts berechnet. Aber kein Beobachter wird einen Beobachter in einem anderen Bezugsrahmen beobachten, der sich dem c-Wert nähert oder ihn überschreitet. 

Angenommen, ein Mann fährt mit dem Zug und ein anderer Mann steht außerhalb des Zuges. Der Mann im Zug erwischte den Mann draußen, der mit 30 km/h vorbeifuhr, während der Mann draußen den Mann im Zug erblickte, der mit 250 km/h vorbeifuhr. Die Frage nach 'Wie hoch ist die tatsächliche Geschwindigkeit des Zuges?“ hat keine einzige Antwort.

Die Geschwindigkeit des Zuges relativ zu dem stehenden Mann außerhalb des Zuges wird bestimmt, indem Geschwindigkeiten zu 30 + 250 = 280 km/h addiert werden. Im Vergleich dazu beträgt die Geschwindigkeit des Zuges relativ zum Mann im Zug 30 km/h. Außerdem beträgt die Geschwindigkeit desselben Zuges relativ zur Galaxie 2,20,000 m/s. 

Lassen Sie uns die EM-Wellen in einem solchen Beispiel vorstellen, wie dem Zug, der nachts fährt, und dem Mann außerhalb des Zuges, der einen Lichtblitz mit einer Taschenlampe auf den Mann im Zug beleuchtet. Wir verstehen, dass die Geschwindigkeit des Zuges relativ zum Mann draußen 280 km/h beträgt. Gleichzeitig hat das Licht eine Geschwindigkeit von 3 x 108 Frau. Die Lichtgeschwindigkeit relativ zum Zug ist also 3 x 108 m / s. 

Wenn wir die Lichtgeschwindigkeit relativ zum Mann im Zug berechnen möchten, würden wir sagen 280 + 3 x 108 = 3,00,000,280 m/s. Aber es ist nicht gültig. Die Lichtgeschwindigkeit relativ zum Mann im Zug beträgt immer noch 3 x 108 nach Einsteins Relativitätstheorie. Da alle Geschwindigkeiten relativ sind, ist die Lichtgeschwindigkeit ein absoluter oder universeller konstanter Wert, unabhängig von dem Medium und dem Bezugsrahmen, durch den es gereist ist.

Unabhängig davon, wie schnell sich der Beobachter relativ zur Lichtquelle bewegt, ist die Lichtgeschwindigkeit immer gleich, wenn jeder Beobachter sie sieht. Wir haben verstanden, dass die Relativgeschwindigkeit durch Addition der Geschwindigkeiten erhalten wird, aber den c-Wert nicht überschreiten kann. 

Warum können relative Geschwindigkeiten die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten?

Das relative Geschwindigkeiten kann aufgrund des großen Energiebedarfs die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. 

Die interagierenden Objekte müssen große Massen halten, um sich mit höherer Geschwindigkeit zu bewegen. Je riesiger ein Objekt ist, desto schneller bewegt es sich. Die Objekte benötigen jedoch eine unendliche Energiemenge, um ihre Relativgeschwindigkeit auf Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten, was bei Objekten mit einer Masse ungleich Null praktisch nicht der Fall ist. 

Masse-Energie-Äquivalenz
Masse-Energie-Äquivalenz 

Einstein entwickelte die Masse-Energie-Äquivalenz die die Menge an Energie vorhersagt, die benötigt wird, um ein Objekt mit einer Masse ungleich Null zu bewegen. E = mc2. Die Formel offenbart uns, dass Energie- und Massengrößen ineinander umwandelbar sind. Das heißt, die Masse kann in Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Die Masse-Energie-Äquivalenz definiert das Austauschverhältnis zwischen Energie und Masse. 

EM-Wellen entladen sich als große Energiemenge im Energieumwandlungsprozess. Die Lichtwellen bestehen nur aus Protonen, die keine Ruhemasse haben. In der Masse-Energie-Äquivalenzformel wird die geringe Masse von Lichtwellen in die höchstmögliche Energie umgewandelt, um sich mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit fortzubewegen. 

Die Relativgeschwindigkeiten können nur dann die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, wenn;

  • Der Abstand zwischen ihnen ist Null.
  • Die Reisezeit ist unendlich.
  • Auf beide wirken keine oder berührungslose Kraftarten, ihre Beschleunigung ist also Null.
  • Und ihre Massen sind unendlich. 

Das Objekt mit unendlichen Massen ist also im wirklichen Leben nicht praktikabel. Deshalb nein Objekte oder ihre Relativgeschwindigkeiten kann den Wert der Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. 

Kann etwas schneller als die Lichtgeschwindigkeit gehen?

Ein Objekt ohne Masse kann schneller werden und sogar den Wert der Lichtgeschwindigkeit erreichen, aber niemals überschreiten.

Das Large Hadron Collider (LHC) ist der Teilchenbeschleuniger, der die Lichtgeschwindigkeit von 99.99 % relativ zu einer anderen Gruppe von Protonen erreicht hat. Aber um schneller als der c-Wert zu fahren, ist die benötigte Energie höher als die Energie, die von der ganzen Stadt verbraucht wird.  

Large Hadron Collider
Large Hadron Collider
(Kredit: shutterstock)

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