In Bezug auf was können wir nicht mit Lichtgeschwindigkeit reisen? [abgeschlossen]

Dies ist das grundlegende Postulat der speziellen Relativitätstheorie:

Licht (im Vakuum) bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit, egal in welchem ​​Verhältnis Sie es messen.

So ziemlich alles in SR ist nur eine Frage des Herausfindens der deduktiven Konsequenzen dieser grundlegenden Tatsache. Es ist eine experimentelle Tatsache, dass es so ist, und es war sogar schon vor Einstein so – insbesondere wurde festgestellt, dass Licht dieselbe Geschwindigkeit hat, egal ob wir es relativ zur Erde im Juli oder zur Erde im Juli messen. Januar (zu diesen Zeiten bewegt sich unser Planet auf seiner Umlaufbahn um die Sonne in verschiedene Richtungen).

Die Tatsache, dass Licht für alle die gleiche Geschwindigkeit hat, bedeutet, dass, wenn ein Lichtsignal von einer bestimmten Zeit und einem bestimmten Ort (ein "Ereignis" im Relativitätsjargon) gesendet und zu einer anderen Zeit und einem anderen Ort empfangen wird, zwei Beobachter sich einig sind, was das ist Geschwindigkeit des Signals war - auch wenn sich die beiden Beobachter relativ zueinander bewegen. Sie werden sich dann nicht darüber einig sein, wie weit die beiden Ereignisse voneinander entfernt waren – um sich also über die Geschwindigkeit zu einigen, müssen sie unweigerlich darüber nachdenken, wie lange es dauerte , bis sich das Signal bewegte. Zwei Beobachter sind sich also nicht unbedingt darüber einig, wie lange Zeitabstände zwischen denselben beiden Ereignissen liegen.

Ähnliche kompliziertere Gedankenexperimente führen zu den "klassischen" relativistischen Effekten der Zeitdilatation, Längenkontraktion und so weiter, als notwendige Konsequenzen der Tatsache, dass alle über die Lichtgeschwindigkeit übereinstimmen.

Insbesondere die Tatsache, dass sich Materie oder Informationen nicht schneller als Licht bewegen können, ist eine dieser Konsequenzen – es hängt also nicht davon ab, womit wir die Geschwindigkeit relativ messen, denn die Prämisse der gesamten Tatsache ist, dass sich Licht gleichzeitig bewegt Geschwindigkeit, egal woran wir sie messen.

Die einfache Antwort lautet „in Bezug auf alles“.

Wenn ich beispielsweise irgendwo stehe und Sie sich in einem Raumschiff befinden, messen wir unsere Relativgeschwindigkeiten immer als kleiner als$c$. Ebenso, wenn ich irgendwo stehe und zwei Raumfahrzeuge in entgegengesetzten Richtungen an mir vorbeifahren, dann werde ich die Geschwindigkeiten der Raumfahrzeuge immer kleiner als messen$c$, und sie messen auch ihre Geschwindigkeit relativ zueinander als kleiner als$c$(sowie natürlich ihre Geschwindigkeiten relativ zu mir). Dies gilt auch dann, wenn ich zum Beispiel die Geschwindigkeit jedes Raumfahrzeugs größer als messe$c/2$, in entgegengesetzte Richtungen.

Das bedeutet, dass sich Geschwindigkeiten nicht so einfach addieren, wie wir es aus dem Alltag erwarten: Wenn ich am Straßenrand stehe und zwei Autos beobachte, die sich mir aus entgegengesetzten Richtungen nähern, beide mit 50 km/h, dann kenne ich deren Geschwindigkeit relativ zueinander beträgt 60 Meilen pro Stunde, und wenn sie kollidieren, werden die Fahrer mit ziemlicher Sicherheit getötet. Wenn ich jedoch auf einem Raumhafen stehe und zwei Raumfahrzeuge beobachte, die sich in entgegengesetzter Richtung nähern, sagen wir,$0.8c$dann weiß ich, dass ihre Geschwindigkeit relativ zueinander immer noch geringer ist als$c$: es geht in der Tat um$0.98c$. Ich bin immer noch ziemlich zuversichtlich, dass die Fahrer getötet werden.

Stellen wir uns für einen Moment vor, dass aus irgendeinem Grund nur noch ein Objekt im Universum existiert, und es war ein Raumschiff. Es kann beschleunigen und abbremsen, also wirkt hier Bewegung, Bewegung über den Raum. Unabhängig davon, ob es allein im Universum ist oder nicht, hat es eine Höchstgeschwindigkeit, mit der es sich durch das Vakuum des Weltraums bewegen kann. Das ist natürlich die Lichtgeschwindigkeit.

Licht selbst hat keine Kontrolle über das Raumschiff. Unabhängig davon, mit welcher Geschwindigkeit sich das Raumschiff durch das Vakuum des Weltraums bewegt, würden die Personen an Bord des Raumschiffs die Lichtgeschwindigkeit immer noch mit 300.000 km/s messen.

Wenn sie also ein Leuchtfeuer aus dem Raumschiff werfen und sich auf das Leuchtfeuer zu oder von ihm weg bewegen würden, und dies mit einer Vielzahl unterschiedlicher Geschwindigkeiten, würden sie immer noch die Lichtgeschwindigkeit messen, die von dem Leuchtfeuer emittiert wird, um genau die gleichen 300.000 zu sein km/s.

Dieses konsistente Ergebnis der Messung der Lichtgeschwindigkeit kann nur eintreten, wenn das Raumschiff selbst ständig in der 4-dimensionalen Raum-Zeit-Umgebung in Bewegung war, und zwar mit genau der gleichen Bewegungsgröße, die auch als räumliche Bewegungsgröße von bekannt ist Licht, auch Lichtgeschwindigkeit genannt.

Insgesamt ist also die räumliche Geschwindigkeit des Raumschiffs relativ zur 4D-Raumzeitumgebung. Das heißt, die Bewegungsgeschwindigkeit des Raumschiffs über den Raum wird lediglich durch die Bewegungsrichtung des Raumschiffs über die 4D-Raumzeitumgebung bestimmt.

Die Lorentz-Transformation könnte etwas Licht ins Dunkel bringen ...

Angenommen, ein Körper ist, wage ich zu sagen, "stationär" und der andere bewegt sich mit der Geschwindigkeit v davon. Wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen diesen beiden Körpern, die sich voneinander entfernen, gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, dann wäre der Nenner in der Lorentz-Transformation gleich bis Null. Dann wäre Gamma gleich Eins geteilt durch Null, was völlig absurd ist. Es ist auch nicht möglich, dass sich zwei Körper, die sich voneinander entfernen, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, denn dann würde der Nenner darin bestehen, die Quadratwurzel einer negativen Zahl zu ziehen, die komplexe Zahlen einführt.