Światło samochodu i składanie prędkości

Pytanie

Pyta Adam

Załóżmy, że samochód porusza się z prędkością światła $c$ oraz ma zapalone światła drogowe, które też emitują światło z prędkością $c$. Jak w takim wypadku wygląda obserwacja z perspektywy pojazdu oraz obserwatora stojącego przy drodze – czy zobaczy on w ogóle światło z lamp?

Odpowiedź

Odpowiada Bartosz Prech

Odpowiedź na pytania wymaga złożenia prędkości interesujących nas obiektów zgodnie z regułami relatywistycznymi, tzn. wynikającymi ze szczególnej teorii względności. Opis relatywistycznego składanie prędkości i jego konsekwencji został przedstawiony w odpowiedziach do pytań o składanie prędkości oraz o światło pędzącego samochodu. Do omówienia zjawiska jeszcze raz przytoczę formułę na relatywistyczną transformację prędkości:

$v=\frac{u+w}{1+\frac{uw}{c^2}}$

gdzie $w$ to prędkość mierzona w układzie $U^{‚}$ poruszającym się z prędkością $u$ względem układu $U$, natomiast $v$ to prędkość mierzona właśnie w układzie $U$.

Taka postać transformacji prędkości wynika z postulatu szczególnej teorii względności, mówiącego że prędkość światła we wszystkich układach inercjalnych jest stała i wynosi $c\simeq 300000$km/s. Analizując postawione pytanie, załóżmy, że samochód porusza się z prędkością $v$ i ma włączone światła. Zgodnie z wymienionym postulatem szczególnej teorii względności światło porusza się z prędkością $c$ względem samochodu jak i kierowcy (można ich traktować jako jeden układ inercjalny). Pytanie z jaką prędkością porusza się światło względem obserwatora na chodniku, koło którego przejeżdża samochód. Oczekujemy, że prędkość ta wynosi $c$, ale lepiej to formalnie sprawdzić. Prowadzimy prosty rachunek:

$v=\frac{u+c}{1+\frac{uc}{c^2}}=\frac{u+c}{1+\frac{u}{c}}=\frac{c(u+c)}{u+c}=c$

Okazuje się, że ponownie otrzymujemy wartość $v=c$ (w kalkulacjach wstawiamy $w=c$, jako, że mierzona prędkość przez samochód z kierowca to $c$). Można zauważyć, że wykonany rachunek nie zależy od wartości u, czyli prędkości względnej układów, zatem wnioski pozostaną takie same nawet jeśli samochód poruszałby się z prędkością światła.

Należy podkreślić, że w istocie z prędkością światła mogą poruszać się jedynie obiekty bezmasowe (czyli np. fotony), natomiast obiekty masywne nigdy takiej prędkości osiągnąć nie mogą (gdyż potrzebowałyby do tego nieskończonej energii). Zatem wspomniany w pytaniu samochód poruszający się z prędkością światła nie mógłby istnieć (o ile nie byłby bezmasowy).

Podkreślmy też, że tekście mogą przewijać się używane zamiennie zwroty „zmierzyć” i „zobaczyć”, natomiast jest między nimi istotna różnica. W teorii względności często wymiennie używa się zwrotów „obserwator widzi” oraz „obserwator zmierzy”, co jest związane z konstrukcją układu odniesienia w szczególnej (ale też ogólnej) teorii względności. Oba zwroty dotyczą sytuacji, w której inercjalni obserwatorzy ustawią w każdym punkcie przestrzeni linijkę, zegarek oraz studenta i każą mu notować odczyty na linijce i zegarku w momencie zdarzenia, np. mijania światła samochodu, a następnie wykonają obliczenia używając danych odczytanych przez studentów. Precyzyjne określenie co fizycznie zaobserwowałby obserwator na chodniku, czyli co doleciałoby do jego oka, to zazwyczaj znacznie trudniejsze zagadnienie: należy w tym celu uwzględnić czas przelotu światła oraz dylatację czasu w układach. Dlatego też w odpowiedzi na pytania z zakresu szczególnej teorii względności często ograniczają się do tego co zmierzy dany obserwator inercjalny, a nie opisu tego co fizycznie zobaczy. Ciekawe omówienie niektórych „paradoksów” fizycznych, które wynikają z pomieszania pojęć obserwacja i pomiary, można znaleźć na filmach prof. Andrzeja Dragana jak ten o relatywistycznych iluzjach optycznych.