Apie masės ir energijos sąryšį artėjant prie šviesos greičio

Toks mąstymas geriausiu atveju yra nepilnas tikrovės atspindys ir nėra itin tinkamas bandant paaiškinti, kodėl niekada nejudėsime greičiau už šviesą. Vis dėlto šis pasakojimas pateikia kelias naudingas įžvalgas apie tai, kodėl masė atitinka energiją – kaip kad teigia žymusis sąryšis E=mc².

Pirmiausia apie tai, kodėl toks mąstymas nėra išbaigtas. Nors kažkas Žemėje gali pastebėti jūsų žvaigždėlaivio masės padidėjimą, kuomet imate skrieti greičiu, artimu šviesai, būdamas šio įrenginio viduje, jūs nepastebėsite jokio nei žvaigždėlaivio, nei savo paties masės pokyčio. Žvaigždėlaivio viduje jūs galėsite lipti laiptais, šokinėti per šokdynę arba, jeigu turėsite pasiėmęs su savimi svarstykles, pasisverti ir įsitikinti, jog svoris atitinka tą, kuris buvo Žemėje (žinoma, jeigu jūsų laive įdiegtos modernios dirbtinės gravitacijos technologijos, leidžiančios atkurti sąlygas, esančias Žemės paviršiuje).

Pokytis, kurį pastebės Žemėje esantis stebėtojas, tiesiog atitinka reliatyvistinę masę. Jeigu staiga įjungtumėte stabdymo mechanizmą ir sugrįžtumėte į įprasto greičio ribas, visa reliatyvistinė masė pradingtų, tad Žemės stebėtojas vėl matytų jus tokios pačios masės, kurią turėjote dar būdamas Žemėje.

Žemės stebėtojui visą šią situaciją būtų įvertinti kur kas korektiškiau atsižvelgiant į judesio kiekį, kuris lygus greičio ir masės sandaugai. Taigi, kuomet jūsų žvaigždėlaivis imtų generuoti didesnį energijos kiekį, stebėtojas Žemėje iš tiesų pamatytų jūsų judesio kiekio padidėjimą. Tačiau tai interpretuotų kaip masės padidėjimą, nes pasiekus greičio vertes, siekiančias 99 procentus šviesos greičio, nepanašu, kad greitis labai smarkiai išaugtų. Nors jums ėmus stabdyti atrodo, kad netenkama masės, iš tiesų atiduodama yra energija – galbūt kinetinę judėjimo energiją paverčiant šiluma (jeigu, tarkime, jūsų žvaiždėlaivyje sumontuota naujausia reliatyvistinė stabdymo sistema).

Žvelgiant iš Žemės stebėtojo perspektyvos, galima teigti, jog reliatyvistinė masė, kuri stebima skriejant greičiu, artimu šviesos, lygi žvaigždėlaivio rimties masės/energijos ir kinetinės judėjimo energijos sumai, padalintai iš c². Iš čia galima išvesti, jog E=mc². Tai naudingas pastebėjimas, tačiau jis mažai siejasi su klausimu, kodėl negalime viršyti šviesos greičio.

Reliatyvistinė masė su judėjimo greičiu yra susieta atvirkštine priklausomybe. Taigi, artėjant prie šviesos greičio, reliatyvistinis laikas ima artėti prie nulio (laikrodžiai lėtėja), reliatyvistinės ilgis taipogi mąžta, o reliatyvistinė masė auga link begalybės.

Tačiau kaip mes jau pažymėjome, žvaigždėlaivio viduje masės padidėjimas nebus jaučiamas (kaip ir žvaigždėlaivio matmenų sumažėjimas ar laiko sulėtėjimas). Taigi, judesio kiekio padidėjimą reikia interpretuoti kaip tikrojo greičio padidėjimą – bent jau naujojo supratimo apie greitį rėmuose.

Kuomet artėjate prie šviesos greičio ir vis didinate žvaigždėlaivio apsukas, pastebite, kad prie savo tikslo artėjate sparčiau – bet ne dėl to, kad judėjimas tapo greitesnis, o todėl, jog laikas, kurį užtruksite nuo taško A judėdamas iki taško B, sutrumpėja, lygiai taip pat kaip ir pats atstumas nuo taško A iki taško B. Kitaip tariant, šviesos greičio neįmanoma pasiekti, nes atstumo ir laiko parametrai kinta taip, kad užtikrintų šį nepasiekiamumą.

Bet kuriuo atveju, pamąstymai apie reliatyvistinę masę yra turbūt geriausias būdas įsivesti sąryšį E=mc², nes reliatyvistinė masė yra tiesioginis kinetinės judėjimo energijos rezultatas. Šis sąryšis nėra taip lengvai išgaunamas nagrinėjant, pavyzdžiui, branduolinius sprogimus, kadangi tokio sprogimo metu didžioji energijos dalis išsiskiria ryšio energijos, leidžiančios egzistuoti sunkiesiems atomams, pavidalu. Branduolinis sprogimas yra labiau susijęs su energijos virsmu, o ne materijos tapimu energija, nors žiūrint sistemiškai jis atitinka tikrą masės virtimą energija.

Panašiai galima įsivaizduoti, kad jūsų puodelis kavos yra masyvesnis, kuomet jis karštas – ir praranda masę vėsimo proceso metu. Materija, turint galvoje protonus, neutronus, elektronus… ir kavą, tokio proceso metu išlieka tvari. Tačiau šiluminė energija iš tiesų padidina sistemos masę, nors ši vertė siekia viso labo tik m=E/c².