Энергия, импульс в релятивистской механике

Если тело движется со скоростью v относительно инерциальной системы отсчета (ИСО) K, то помимо энергии покоя , оно обладает кинетической энергией и полная энергия его .

Преобразования Лоренца для энергии Е и импульса р тела имеют вид:

, , , . (18)

Если к покоящемуся телу в системе отсчета применить преобразования Лоренца (18) (при этом следует учесть, что ), то получается связь энергии и импульса с его скоростью:

, (19)

. (20)

Отсюда, . (21)

Из (19), (20) следует важное соотношение между энергией Е, импульсом и массой т тела:

. (22)

Из (22) следует, что масса тела не меняется при переходе от одной ИСО к другой ИСО. В этом легко убедиться, если использовать для Е и преобразования Лоренца (18).

Таким образом, в отличие от Е и , которые являются компонентами 4-мерного вектора, масса т является лоренцевым инвариантом, и, следовательно, она не зависит от скорости тела. Поэтому не следует употреблять широко распространенные выражения «релятивистская масса », «масса покоя т ₀». Следует говорить о массе т, которая для обычных тел в теории относительности и ньютоновской механике одна и та же, что в обеих теориях масса т не зависит от системы отсчета, т.е. масса – инвариантна.

Заметим, что среди элементарных частиц есть такие частицы, масса которых равна нулю, например, фотоны (кванты электромагнитного излучения, в узком смысле – частицы света), глюоны (переносчики взаимодействия между кварками), возможно, некоторые типы нейтрино.

Для таких безмассовых частиц из (22) и (21) следует, что

. (23)

В теории относительности, как и в ньютоновской механике, выполняются законы сохранения импульса, энергии.

В теории относительности энергия и импульс аддитивны, но закон аддитивности массы не выполняется. Покажем это.

Суммарная энергия Е двух свободных тел равна сумме их энергий, то есть . Аналогично, . С учетом этого из (22) находим:

, (24)

то есть суммарная масса зависит от угла между импульсами и . Так, масса системы двух фотонов (безмассовых частиц) с энергией Е у каждого, равна , если они летят в противоположные стороны и равна нулю, если они летят в одну сторону. Этот пример иллюстрирует, что в теории относительности массы не аддитивны. Следует отметить, что понимание природы массы частиц остается одной из важнейших проблем современной физики.

Основное уравнение релятивистской динамики

Согласно (20), релятивистский импульс , при этом обе формулы справедливы для «тяжелых», т.е. имеющих не нулевую массу частиц. Для безмассовых частиц (т = 0) .

Основное уравнение релятивистской динамики имеет вид или, более подробно:

. (25)

В силу однородности пространства в релятивистской механике выполняется закон сохранения релятивистского импульса:

релятивистский импульс замкнутой системы сохраняется.

Кинетическая энергия релятивистской частицы

Согласно (19), полная энергия тела (частицы) в релятивистской механике , она складывается из энергии покоя тела [см. (17)] и кинетической энергии , т.е. , отсюда,

. (26)

Из (26) следует, что при v/ c << 1 и , т.е. получаем выражение кинетической энергии частицы, которое используется в ньютоновской механике.

Заметим, что энергия покоящегося тела в ньютоновской механике , а в релятивистской .

В силу однородности времени в релятивистской механике, как и в ньютоновской механике, выполняется закон сохранения энергии:

полная энергия замкнутой системы сохраняется.

Заключение

Итак, длительность события (времени), размеры тела не являются абсолютными величинами, а зависят от скорости тела, т. е. являются относительными. Кроме того масса и энергия оказались связанными друг с другом, хотя они являются качественно различными свойствами материи. Основной вывод теории относительности сводится к тому, что пространство и время взаимосвязаны и образуют единую форму существования материи: пространство-время. Наиболее общая теория пространства-времени называется общей теорией относительности или теорией тяготения, т.к. согласно этой теории свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения.

В изложенной выше теории действием тяготения Эйнштейн пренебрег. Поэтому она называется частной (или специальной) теорией относительности, т. к. она является частным случаем общей теории относительности, завершенной Эйнштейном позже, в 1915 г.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: