Преобразования Лоренца дают нам возможность вычислять изменение координат события при переходе от одной системы отсчета к другой. Поставим теперь вопрос о том, как при изменении системы отсчета будет меняться скорость одного и того же тела?

В классической механике, как известно, скорость тела просто складывается со скоростью системы отсчета. Сейчас мы убедимся, что в теории относительности скорость преобразуется по более сложному закону.

Мы снова ограничимся рассмотрением одномерного случая. Пусть две системы отсчета S и S` «наблюдают» за движением некоторого тела, которое перемещается равномерно и прямолинейно параллельно осям х и х` обеих систем отсчета. Пусть скорость тела, измеренная системой отсчета S , есть и ; скорость того же тела, измеренную системой S`, обозначим через и` . Буквой v будем по-прежнему обозначать скорость системы S ` относительно S .

Допустим, что с нашим телом происходят два события, координаты которых в системе S суть x 1 ,t 1 , и х 2 , t 2 . Координаты тех же событий в системе S ` пусть будут х` 1 , t ` 1 ; x` 2 , t` 2 . Но скорость тела есть отнощение пройденного телом пути к соответствующему промежутку времени; поэтому, чтобы найти скорость тела в той и другой системах отсчета, нужно разность пространственных координат обоих событий разделить на разность временных координат

которую можно, как всегда, получить из релятивистской, если скорость света считать бесконечной. Ту же формулу можно записать в виде

Для небольших, «обычных» скоростей обе формулы— релятивистская и классическая — дают практически совпадающие результаты, в чем читатель при желании легко сможет убедиться. Но при скоростях, близких к скорости света, разница становится весьма ощутимой. Так, если v=150 000 км/сек , u`=200 000 км/ с ек, км/сек релятивистская формула дает u = 262 500 км/ с ек.

S со скоростью v = 150 000 км/сек. S ` дает результат u =200 000 км/сек. км/ с ек.


км/сек, а второго — 200 000 км/сек, км .

с. Не представляет никакого труда доказать это утверждение вполне строго. Действительно, легко проверить.

Для небольших, «обычных» скоростей обе формулы— релятивистская и классическая — дают практически совпадающие результаты, в чем читатель при желании легко сможет убедиться. Но при скоростях, близких к скорости света, разница становится весьма ощутимой. Так, если v=150 000 км/сек , u`=200 000 км/ с ек, то вместо классического результата u = 350 000 км/сек релятивистская формула дает u = 262 500 км/ с ек. Согласно смыслу формулы сложения скоростей, этот результат означает следующее.

Пусть система отсчета S` движется относительно системы отсчета S со скоростью v = 150 000 км/сек. Пусть в том же направлении движется тело, причем измерение его скорости системой отсчета S ` дает результат u` =200 000 км/сек. Если теперь измерить скорость того же тела с помощью системы отсчета S то получится u=262 500 км/ с ек.


Следует подчеркнуть, что полученная нами формула предназначена именно для пересчета величины скорости одного и того же тела от одной системы отсчета к другой, а отнюдь не для вычисления «скорости сближения» или «удаления» двух тел. Если мы из одной и той же системы отсчета наблюдаем два движущихся навстречу друг другу тела, причем скорость одного тела равна 150 000 км/сек, а второго — 200 000 км/сек, то расстояние между этими телами каждую секунду будет уменьшаться на 350 000 км . Теория относительности не упраздняет законов арифметики.

Читатель уже понял, конечно, что, применяя эту формулу к скоростям, не превосходящим скорость света, мы снова получим скорость, не превосходящую с. Не представляет никакого труда доказать это утверждение вполне строго. Действительно, легко проверить, что имеет место равенство

Так как и` ≤ с и v < c , то в правой части равенства числитель и знаменатель, а с ними и вся дробь, неотрицательны. Поэтому квадратная скобка меньше единицы, а потому и ≤ с .
Если и ` = с , то и и= с. Это есть не что иное, как закон постоянства скорости света. Не следует, конечно, рассматривать этот вывод как «доказательство» или хотя бы «подтверждение» постулата постоянства скорости света. Ведь мы с самого начала исходили из этого постулата и неудивительно, что пришли к результату, который ему не противоречит, в противном случае этот постулат был бы опровергнут путем доказательства от противного. Вместе с тем мы видим, что закон сложения скоростей эквивалентен постулату постоянства скорости света, каждое из этих двух утверждений логически вытекает из другого (и остальных постулатов теории относительности).

При выводе закона сложения скоростей мы предполагали, что скорость тела параллельна относительной скорости систем отсчета. Этого предположения можно было ие делать, но тогда наша формула относилась бы лишь к той компоненте скорости, которая направлена по оси x, и формулу следовало бы записать в виде

С помощью этих формул мы разберем явление аберрации (см. § 3). Ограничимся лишь простейшим случаем. Пусть некоторое светило в системе отсчета S неподвижно, пусть, далее, система отсчета S ` движется относительно системы S со скоростью v и пусть наблюдатель, движущийся вместе с S`, принимает лучи света от светила как раз в тот момент, когда оно находится у него точно над головой (рис. 21). Составляющие скорости этого луча в системе S будут
u x = 0, u y = 0, u x = -c.

Для системы отсчета S` наши формулы дают
u` x = -v, u` y = 0,
u` z = -c √ (1 - v 2 /c 2 )
Мы получим тангенс угла наклона луча к оси z`, если разделим и` х на и` z :
tg α = и` х / и` z = (v/c) / √(1 - v 2 /c 2)

Если скорость v не очень велика, то можно применить известную нам приближенную формулу, с помощью которой получаем
tg α = v/c + 1/2*v 2 /c 2 .
Первое слагаемое представляет собой хорошо известный классический результат; второе слагаемое есть релятивистская поправка.

Орбитальная скорость Земли равна примерно 30 км/сек, так что (v / c ) = 1 0 -4 . Для малых углов тангенс равен самому углу, измеренному в радианах; так как радиан содержит круглым счетом 200 000 угловых секунд, то получаем для угла аберрации:
α = 20°
Релятивистская поправка в 20 000 000 раз меньше и лежит далеко за пределами точности астрономических измерений. Вследствие аберрации звезды описывают ежегодно на небе эллипсы с большой полуосью в 20".

Когда мы смотрим на движущееся тело, мы видим его не там, где оно находится в данный момент, а там, где оно было несколько раньше, ибо свету нужно некоторое время, чтобы Дойти от тела до наших глаз. Это явление с точки зрения теории относительности эквивалентно аберрации и сводится к ней при переходе к той системе отсчета, в которой рассматриваемое тело неподвижно. На основании этого простого соображения мы можем получить формулу аберрации совершенно элементарным путем, не прибегая к релятивистскому закону сложения скоростей.

Пусть наше светило движется параллельно земной поверхности справа налево (рис. 22). Когда оно прибывает в точку А, наблюдатель, находящийся точно под ним в точке С, видит его еще в точке В. Если скорость светила равна v , а промежуток времени, в течение которого оно проходит отрезок А В , равен Δt , то

AB = Δt ,
BC = c Δt ,

sin α = AB/BC = v/c.

Но тогда, согласно формуле тригонометрии,

что и требовалось доказать. Заметим, что в классической кинематике эти две точки зрения не эквивалентны.

Интересен также следующий вопрос. Как известно, в классической кинематике скорости складываются по правилу параллелограмма. Мы заменили этот закон другим, более сложным. Значит ли это, что в теории относительности скорость уже не есть вектор?

Во-первых, то обстоятельство, что u ≠ u `+ v (жирными буквами мы обозначаем векторы), само по себе не дает еще оснований отрицать векторную природу скорости. Из двух данных векторов третий вектор можно получить не только путем их сложения, а, например, путем векторного умножения, и вообще бесчисленным множеством способов. Ниоткуда не следует, что при перемене системы отсчета векторы и` и v обязаны именно складываться. И действительно, существует формула, выражающая и через и` и v с помощью операций векторного исчисления:

В связи с этим следует признать, что название «закон сложения скоростей» не совсем удачно; правильнее говорить, как это и делают некоторые авторы, не о сложении, а о преобразовании скорости при перемене системы отсчета.

Во-вторых, и в теории относительности можно указать случаи, когда скорости складываются по-прежнему векторно. Пусть, например, тело двигалось в течение некоторого промежутка времени Δt со скоростью u 1 , а затем — такой же отрезок времени со скоростью u 2 . Это сложное движение можно заменить движением с постоянной скоростью u = u 1 + u 2 . Здесь скорости u 1 и u 2 складываются, как векторы, по правилу параллелограмма; теория относительности не вносит здесь никаких изменений.
Следует вообще заметить, что большинство «парадоксов» теории относительности связано так или иначе с изменением системы отсчета. Если рассматривать явления в одной и той же системе отсчета, то вносимые теорией относительности изменения в их закономерности далеко не столь кардинальны, как часто думают.

Отметим еще, что естественным обобщением обычных трехмерных векторов в теории относительности являются векторы четырехмерные; при перемене системы отсчета они преобразуются по формулам Лоренца. Кроме трех пространственных компонент, они имеют компоненту временную. В частности, можно рассматривать четырехмерный вектор скорости. Пространственная «часть» этого вектора, однако, не совпадает с обычной трехмерной скоростью, и вообще четырехмерная скорость по своим свойствам заметно отличается от трехмерной. В частности, сумма двух четырехмерных скоростей не будет уже, вообще говоря, скоростью.

Релятивистский закон сложения скоростей.

Рассмотрим движение материальной точки в системе К’ со скоростью u. Определим скорость этой точки в системе К если система К’ движется со скоростью v. Запишем проекции вектора скорости точки относительно систем К и К’:

K: u x =dx/dt, u y =dy/dt, u z =dz/dt; K’: u x ’=dx’/dt’, u y ’ =dy’/dt’, u’ z =dz’/dt’.

Теперь нам нужно найти значения дифференциалов dx, dy, dz и dt. Продифференцировав преобразования Лоренца, получим:

, , , .

Теперь мы сможем найти проекции скорости:

, ,
.

Из этих уравнений видно, что формулы, связывающие скорости тела в разных системах отсчета (эаконы сложения скоростей) существенно отличаются от законов классической механики. При скоростях малых по сравнению со скоростью света, эти уравнения переходят в классические уравнения сложения скоростей.

6. 5. Основной закон динамики релятивистской частицы. @

Масса релятивистских частиц, т.е. частиц, движущихся со скоростями v ~ с не постоянна, а зависит от их скорости: . Здесь m 0 – это масса покоя частицы, т.е. масса, измеренная в той системе отсчета, относительно которой частица покоится. Эта зависимость подтверждена экспери­ментально. На основании ее рассчитывают все современные ускорители заряженных частиц (циклотрон, синхрофазотрон, бетатрон и т.д.).

Из принципа относительности Эйнштейна, утверждающего инвариантность всех законов природы при переходе от одной инерциальной системы отсчета к дру­гой, следует условие инвариантности физических законов относительно преобразо­ваний Лоренца. Основной закон динамики Ньютона F=dP/dt=d(mv)/dt оказывается также инвариантным по отношению к преобразованиям Лоренца, если в нем справа стоит производная по времени от релятивистского импульса .

Основной закон релятивистской динамики имеет вид: ,

и формулируется следующим образом: скорость изменения релятивистского импульса частицы, движущейся со скоростью близкой к скорости света, равна дей­ствующей на нее силе. При скоростях, намного меньших скорости света, полученное нами уравнение переходит в основной закон динамики классической механики. Основной закон релятивистской динамики инвариантен по отношению к преобразованиям Лоренца, но можно показать, что ни ускорение, ни сила, ни импульс сами по себе ин­вариантными величинами не являются. В силу однородности пространства в релятивистской механике выполняется закон сохранения релятивистского импульса: релятивистский импульс замкнутой системы не изменяется с течением времени.

Кроме всех перечисленных особенностей, основной и важнейший вывод специальной теории относительности сводится к тому, что пространство и время органически взаимосвязаны и образуют единую форму суще­ствования материи.

6. 6. Взаимосвязь массы и энергии. Закон сохранения энергии в релятивистской механике. @

Исследуя следствия основного закона релятивистской динамики, Эйнштейн пришел к выводу о том, что полная энергия двигающейся частицы равна . Из этого уравнения следует, что даже неподвижная частица (когда b=0) обладает энергией Е 0 = m 0 с 2 , эту энергию называют энергией покоя (или собственной энер­гией).

Итак, универсальная зависимость полной энергии частицы от ее массы: Е = mс 2 . Это фундаментальный закон природы – закон взаимосвязи массы и энергии. Со­гласно этому закону масса, находящаяся в покое, обладает огромным запасом энер­гии и любое изменение массы Δm сопровождается изменением полной энергии час­тицы ΔE=c 2 Δm.

Например, 1кг речного песка должен содержать 1×(3,0∙10 8 м/c) 2 =9∙10 16 Дж энергии. Это вдвое больше еженедельного потребления энергии в США. Однако большая часть этой
энергии недоступна, так как закон сохранения материи требует, чтобы общее число барионов (так называются элементарные частицы – нейтроны и протоны) в любой замкнутой системе оставалось постоянным. Отсюда следует, что суммарная масса барионов не меняется и, соответственно, она не может быть преобразована в энергию.

Но внутри атомных ядер нейтроны и протоны кроме энергии покоя обладают большой энергией взаи­модействия друг с другом. В ряде та­ких процессов как синтез и деление ядер, часть этой потенциальной энергии взаимодействия может превращаться в добавочную кинетическую энергию, получаемых в реакциях, частиц. Это превращение и служит источником энергии ядерных реакторов и атомных бомб.

Правильность соотношения Эйнштейна можно доказать на примере распада свободного нейтрона на протон, электрон и нейтрино (с нулевой массой покоя): n → p + e - + ν. При этом суммарная кинетическая энергия конечных продуктов равна 1,25∙10 -13 Дж. Масса покоя нейтрона превышает суммарную массу протона и электрона на 13,9∙10 -31 кг. Этому уменьшению массы должна соответствовать энергия ΔE=c 2 Δm=(13,9∙10 -31)(3,0∙10 8) 2 =1,25∙10 -15 Дж. Она совпадает с наблюдаемой кинетической энергией продуктов распада.

В релятивистской механике не соблюдается закон сохранения массы покоя, но выполняется закон сохранения энергии: полная энергия замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени .

6.7. Общая теория относительности. @

Спустя несколько лет после опубликования специальной теории относитель­ности, Эйнштейном была разработана и окончательно сформулирована в 1915 г. общая теория относительности, которая представляет собой современную физиче­скую теорию пространства, времени и тяготения.

Главным предметом общей теории относительности является гравитационное взаимодействие, или тяготение. В законе всемирного тяготения Ньютона подразу­мевается, что сила тяготения действует мгновенно. Такое утверждение противоре­чит одному из основных принципов теории относительности, а именно: ни энергия, ни сигнал не могут распространяться быстрее скорости света. Таким образом, Эйн­штейн столкнулся с проблемой релятивистской теории тяготения. Для решения этой проблемы необходимо было также ответить на вопрос: различаются ли гравитаци­онная масса (входящая в закон Всемирного тяготения) и инертная масса (входящая во второй закон Ньютона)? Ответ на этот вопрос может дать только опыт. Вся сово­купность опытных фактов указывает на то, что инертная и гравитационная массы тождественны. Известно, что силы инерции аналогичны силам тяготения: находясь внутри закрытой кабины, никакими опытами нельзя ус­тановить, чем вызвано действие на тело силы mg – тем ли, что кабина движется с ускорением g, либо тем, что неподвижная кабина находится вблизи поверхности Земли. Вышесказанное представляет собой так называемый принцип эквивалент­ности : поле тяготения по своему проявлению тождественно ускоряющейся системе отсчета. Это утверждение и было положено Эйнштейном в основу общей теории относительности.

В своей теории Эйнштейн получил, что свойства пространства и времени связаны более сложными соотношениями, чем соотношения Лоренца. Вид этих связей зависит от распределения материи в пространстве, часто образно говорят, что материя искривляет пространство и время. Если материи нет на больших расстояниях от точки наблюдения или искривление пространства‑времени мало, то можно с удовлетворительной точностью использовать соотношения Лоренца.

Явление гравитации (притяжение тел имеющих массу) Эйнштейн объяснил тем, что массивные тела так искривляют пространство, что естественное движение других тел по инерции происходит по тем же траекториям, как если бы существовали силы притяжения. Таким образом, Эйнштейн решил проблему совпадения гравитаци­онной и инертной массы путем отказа от использования понятия сил гравитации.

Следствия, полученные из общей теории относительности (теории гравитации), предсказали наличие новых физических явлений вблизи массивных тел: изменение хода времени; изменение траекторий других тел, не объясняемое в классической механике; отклонение лучей света; изменение частоты света; необратимое притяжение всех форм материи к достаточно массивным звездам и др. Все эти явления были обнаружены: изменение хода часов наблюдали при полете самолета вокруг Земли; траектория движения самой близкой к Солнцу планеты – Меркурия объясняется только этой теорией, отклонение лучей света наблюдается для лучей, идущих от звезд к нам вблизи Солнца; изменение частоты или длины волны света также обнаружено, этот эффект называется гравитационным красным смещением, он на­блюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд; необратимым притяжением материи к звездам объясняют наличие «черных дыр» ‑ космических звездных объектов, поглощающих даже свет. Кроме этого, множество космологических вопросов находит объяснение в общей теории относительности.

Пример. Вернёмся к примеру (1.13 ):

x = 1 + 12t 3t2

(координата измеряется в метрах, время в секундах). Последовательно дифференцируя два раза, получаем:

vx = x = 12 6t;

ax = vx = 6:

Как видим, ускорение постоянно по модулю и равно 6 м/с2 . Направлено ускорение в сторону, противоположную оси X.

Приведённый пример есть случай равноускоренного движения, при котором модуль и направление ускорения неизменны. Равноускоренное движение один из важнейших и часто встречающихся видов движения в механике.

Из данного примера нетрудно понять, что при равноускоренном движении проекция скорости является линейной функцией времени, а координата квадратичной функцией. Мы поговорим об этом более подробно в соответствующем разделе, посвящённом равноускоренному движению.

Пример. Рассмотрим более экзотический случай:

x = 2 + 3t 4t2 + 5t3 :

Дифференцируем:

vx = x = 3 8t + 15t2 ;

ax = vx = 8 + 30t:

Данное движение не является равноускоренным: ускорение зависит от времени.

Пример. Пусть тело движется вдоль оси X по следующему закону:

Мы видим, что координата тела периодически изменяется, находясь в пределах от 5 до 5. Данное движение является примером гармонических колебаний, когда координата меняется со временем по закону синуса.

Дифференцируем дважды:

vx = x = 5 cos 2t 2 = 10 cos 2t;

ax = vx = 20 sin 2t:

Проекция скорости меняется по закону косинуса, а проекция ускорения снова по закону синуса. Величина ax пропорциональна координате x и противоположна ей по знаку (а именно, ax = 4x); вообще, соотношение вида ax = !2 x характерно для гармонических колебаний.

1.2.8 Закон сложения скоростей

Пусть имеются две системы отсчёта. Одна из них связана с неподвижным телом отсчёта O. Эту систему отсчёта обозначим K и будем называть неподвижной.

Вторая система отсчёта, обозначаемая K0 , связана с телом отсчёта O0 , которое движется относительно тела O со скоростью ~u. Эту систему отсчёта называем движущейся. Дополнительно

предполагаем, что координатные оси системы K0 перемещаются параллельно самим себе (нет вращения системы координат), так что вектор ~u можно считать скоростью движущейся системы относительно неподвижной.

Неподвижная система отсчёта K обычно связана с землёй. Если поезд плавно едет по рельсам со скоростью ~u, то система отсчёта, связанная с вагоном поезда, будет движущейся системой отсчёта K0 .

Заметим, что скорость любой точки вагона3 равна ~u. Если муха неподвижно сидит в некоторой точке вагона, то относительно земли муха движется со скоростью ~u. Муха переносится вагоном, и потому скорость ~u движущейся системы относительно неподвижной называется переносной скоростью.

Предположим теперь, что муха поползла по вагону. Тогда появляются ещё две скорости, которые нужно рассмотреть.

Скорость мухи относительно вагона (то есть в движущейся системе K0 ) обозначается ~v0 и

называется относительной скоростью.

Скорость мухи относительно земли (то есть в неподвижной системе K) обозначается ~v и

называется абсолютной скоростью.

Выясним, как связаны друг с другом эти три скорости абсолютная, относительная и переносная.

На рис. 1.11 муха обозначена точкой M. Далее:

~r радиус-вектор точки M в неподвижной системе K; ~r0 радиус-вектор точки M в движущейся системе K0 ;

~ радиус-вектор тела отсчёта0 в неподвижной системе.

~r 0

Рис. 1.11. К выводу закона сложения скоростей

Как видно из рисунка,

~ 0 ~r = R + ~r:

Дифференцируя это равенство, получим:

					d~r 0

Производная d~r=dt есть скорость точки M в системе K, то есть абсолютная скорость:

d~r dt = ~v:

Аналогично, производная d~r 0 =dt есть скорость точки M в системе K0 , то есть относительная

скорость:

d~r dt 0 = ~v0 :

3 Кроме вращающихся колёс, но их мы не берём во внимание.

А что такое ~ ? Это скорость точки0 в неподвижной системе, то есть переносная dR=dt O

скорость ~u движущейся системы относительно неподвижной:

dR dt = ~u:

В результате из (1.28 ) получаем:

~v = ~u + ~v 0 :

Закон сложения скоростей. Скорость точки относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости движущейся системы и скорости точки относительно движущейся системы. Иными словами, абсолютная скорость есть сумма переносной и относительной скоростей.

Таким образом, если муха ползёт по движущемуся вагону, то скорость мухи относительно земли равна векторной сумме скорости вагона и скорости мухи относительно вагона. Интуитивно очевидный результат!

1.2.9 Виды механического движения

Простейшими видами механического движения материальной точки являются равномерное и прямолинейное движения.

Движение называется равномерным, если модуль вектора скорости остаётся постоянным (направление скорости при этом может меняться).

Движение называется прямолинейным, если оно происходит вдоль некоторой прямой (величина скорости при этом может меняться). Иными словами, траекторией прямолинейного движения служит прямая линия.

Например, автомобиль, который едет с постоянной скоростью по извилистой дороге, совершает равномерное (но не прямолинейное) движение. Автомобиль, разгоняющийся на прямом участке шоссе, совершает прямолинейное (но не равномерное) движение.

А вот если при движении тела остаются постоянными как модуль скорости, так и её направление, то движение называется равномерным прямолинейным. Итак:

равномерное движение, j~vj = const;

равномерное прямолинейное движение, ~v = const.

Важнейшим частным случаем неравномерного движения является равноускоренное движение, при котором остаются постоянными модуль и направление вектора ускорения:

равноускоренное движение, ~a = const.

Наряду с материальной точкой в механике рассматривается ещё одна идеализация твёрдое тело.

Твёрдое тело это система материальных точек, расстояния между которыми не меняются со временем. Модель твёрдого тела применяется в тех случаях, когда мы не можем пренебречь размерами тела, но можем не принимать во внимание изменение размеров и формы тела в процессе движения.

Простейшими видами механического движения твёрдого тела являются поступательное и вращательное движения.

Движение тела называется поступательным, если всякая прямая, соединяющая две какиелибо точки тела, перемещается параллельно своему первоначальному направлению. При поступательном движении траектории всех точек тела идентичны: они получаются друг из друга параллельным сдвигом.

Так, на рис. 1.12 показано поступательное движение серого квадрата. Произвольно взятый зелёный отрезок этого квадрата перемещается параллельно самому себе. Траектории концов отрезка изображены синими пунктирными линиями.

Рис. 1.12. Поступательное движение

Движение тела называется вращательным, если все его точки описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. При этом центры данных окружностей лежат на одной прямой, которая перпендикулярна всем этим плоскостям и называется осью вращения.

На рис. 1.13 изображён шар, вращающийся вокруг вертикальной оси. Так обычно рисуют земной шар в соответствующих задачах динамики.

Рис. 1.13. Вращательное движение

Пусть два фотона 1 и 2 движутся навстречу друг другу со скоростями, равными v 1 = с и v 2 = с (с - скорость света) относительно условно «неподвижной» системы отсчета Земля К (см. рис.). Найдем скорость 1-го фотона в системе отсчета К, связанной со 2-ым фотоном, используя классическую формулу для сложения скоростей:

Таблица 3

Таким образом, скорость одного фотона в системе отсчета, связанной со 2-ым, оказалась равной 2с, но согласно СТО ни одна частица не может двигаться со скоростью, большей скорости света.

При движении тел со скоростями, сопоставимыми со скоростью света в СТО был получена другая формула, которую называют релятивистской формулой сложения скоростей. Запишем формулы для простейшего случая движения систем в одном направлении.

u - скорость тела в неподвижной системе отсчета К

u - скорость тела в движущейся системе отсчета К

v - скорость системы К относительно системы К

(мы заменили буквы по сравнению с предыдущими формулами, чтобы не использовать индексы и еще больше не загромождать формулы)

Получим эти формулы.

Введем промежуточную переменную t

Найдем производную, используя преобразования Лоренца

Перемножим производные, учитывая, что

произведя алгебраические действия, найдем из этого уравнения u или u

Вычислим теперь скорость фотона из предыдущего примера по релятивистской формуле.

v 1 = u 1 = c-скорость 1-го фотона в К, v 1 = u 1 = c- скорость 1-го в К, v 2 = v - скорость 2-го фотона, т.е. скорость К в К. Таким образом по релятивистской формуле скорость фотона не превышает скорость света c.

Понятие о релятивистской динамике

При использовании преобразований Лоренца основной закон динамики m(dp/dt) = F оказывается инвариантным при условии, что импульс частицы записывается в виде:

Релятивистский импульс частицы

Основной закон релятивистской динамики

Тогда основной закон релятивистской динамики формально сохраняет такой же вид, как II закон Ньютона, но между ними имеется принципиальное различие. (см. ниже)

Величина m называется релятивистской массой, она зависит от скорости тела и не является инвариантом, т.е. имеет различное значение в разных ИСО.

m 0 - масса тела, называемая также массой покоя, является инвариантом и имеет одно и то же значение в любых ИСО.

В классической механике ускорение частицы и сила, вызвавшая это ускорение, всегда направлены одинаково. При скорости движения частицы сопоставимой со скоростью света, т.е. в релятивистском случае, направление ускорения и силы совпадают только в двух случаях: 1) когда сила параллельна скорости в каждый момент времени и 2) когда сила перпендикулярна скорости. В общем случае направления ускорения и силы не совпадают (см. рис)

Взаимосвязь массы и энергии в теории относительности.

Введем новые обозначения для энергии, которые чаще всего используются в СТО.

полная энергия

кинетическая энергия (будем использовать обозначение Т)

Найдем выражение для кинетической энергии в СТО, считая, что приращение кинетической энергии происходит за счет работы некоторой силы. Тело в начальный момент неподвижно и является свободным, т.е. не взаимодействует с другими телами и не обладает, таким образом, потенциальной энергией.

чтобы проинтегрировать и получить, нужно свести к одной переменной m, пока их две, и все равенства - скалярные произведения векторов,

вместо переменной р появились переменные

здесь уже нет векторных произведений т.к. , но остались две переменные

возведем в квадрат, выразим, подставим в и получим

теперь можно проинтегрировать, т.к. осталась одна переменная m

интегрируя, получим выражение для кинетической энергии в СТО

Релятивистская кинетическая энергия

Энергия покоя

Полная релятивистская энергия, т.е. энергия движущегося тела

Таким образом, из СТО следует, что любое неподвижное тело обладает запасом энергии, равной. Например, в теле массой 1 кг содержится энергия Е 0 = 1910 16 Дж. Этой энергией можно нагреть на 100 о С водоем с размерами 1 км 20 км 20 м. Проблема состоит в том, как выделить эту энергию. Даже при термоядерной реакции освобождается меньше 1% от полной энергии, соответствующей всей массе покоя. В классической механике понятие «энергия покоя» отсутствовало.

Выражение называется закон Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии

Согласно этому закону, общий запас энергии тела (или системы тел), из каких бы видов энергии он ни состоял (кинетическая, потенциальная, тепловая, электрическая и пр.) связан с массой тела (системы тел) этим соотношением. Иначе говоря, если изменится масса тела, изменится и его энергия, и наоборот.

Пусть кусок железа массой 1 кг нагрели на 1000 о С. Вычислим, насколько должна при этом измениться масса куска.

изменение энергии тела на должно изменить его массу на

Q - теплота при нагревании, С - удельная теплоемкость нагреваемого вещества

не существует таких приборов, чтобы при массе 1 кг обнаружить такое маленькое ее изменение

Все формулы СТО переходят в классические при v<< c.Например, найдем кинетическую энергию тела при малых скоростях. Приближенное выражение, известное из математики

релятивистское выражение переходит в классическое

Из СТО следует возможность существования частиц с нулевой массой, но они не могут быть неподвижными, а должны непрерывно двигаться, причем только со скоростью света с - это фотоны и, возможно, нейтрино.

связь энергии и импульса для частиц с нулевой массой (фотонов) m 0 =0

Некоторые формулы из СТО, которые можно вывести из приведенных выше выражений

Связь кинетической энергии частицы с ее импульсом

Связь полной энергии частицы с ее импульсом

Связь полной энергии и энергии покоя с импульсом

12.2. Постулаты СТО

12.2.1. Релятивистский закон сложения скоростей

Релятивистская теория называется также специальной теорией относительности и базируется на двух постулатах, сформулированных А. Эйнштейном в 1905 г.

Первый постулат специальной теории относительности (СТО) называется принципом относительности : все законы физики инвариантны относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой, т.е. никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные внутри данной ИСО, не дают возможности обнаружить, находится ли эта ИСО в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно.

Первый постулат распространяет механический принцип относительности Галилея на любые физические процессы.

Второй постулат специальной теории относительности (СТО) называется принципом инвариантности скорости света : скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех ИСО.

Второй постулат утверждает, что постоянство скорости света - фундаментальное свойство природы.

Преобразования Лоренца (1904) позволяют получить значения трех пространственных и одной временной координаты при переходе от одной инерциальной системы отсчета (x , y , z , t ) к другой (x ′, y ′, z ′, t ′), движущейся в положительном направлении координатной оси Ox с релятивистской скоростью u → :

x = x ′ + u t ′ 1 − β 2 , y = y ′, z = z ′, t = t ′ + u x ′ / c 2 1 − β 2 ,

где β = u /c ; c - скорость света в вакууме, c = 3,0 ⋅ 10 8 м/с.

Практическую ценность для решения задач имеет закон сложения скоростей , записанный в виде

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 ,

где величины v ′ x , u x , v x - проекции скоростей на выбранную координатную ось Ox :

• v ′ x - относительной скорости релятивистских частиц;
• u x - скорости частицы, выбранной за систему отсчета , относительно неподвижного наблюдателя;
• v x - скорости другой частицы относительно того же неподвижного наблюдателя.

Для расчета относительной скорости движения двух релятивистских частиц целесообразно применять следующий алгоритм :

1) выбрать направление координатной оси Ox вдоль движения одной из релятивистских частиц;

2) связать систему отсчета с одной из частиц, обозначить ее скорость u → ; скорость второй частицы относительно неподвижного наблюдателя обозначить v → ;

3) записать проекции скоростей u → и v → на выбранную координатную ось:

• при движении частицы в положительном направлении оси Ox знак проекции скорости считать положительным ;
• при движении частицы в отрицательном направлении оси Ox знак проекции скорости считать отрицательным ;

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 ;

5) модуль относительной скорости движения релятивистских частиц записать в виде

v отн = | v ′ x | .

Пример 1. Ракета, удаляющаяся от Земли со скоростью 0,6c (c - скорость света), посылает световой сигнал в сторону, противоположную скорости своего движения. Сигнал регистрируется наблюдателем на Земле. Найти скорость этого сигнала относительно земного наблюдателя.

Решение . Согласно второму постулату СТО скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя.

Поэтому скорость сигнала, посланного ракетой, относительно земного наблюдателя равна скорости света:

v отн = c ,

где c - скорость света в вакууме, c = 3,0 ⋅ 10 8 м/с.

Пример 2. В момент вылета из ускорителя радиоактивное ядро выбросило электрон в направлении его движения. Модули скоростей ядра и электрона относительно ускорителя составляют 0,40c и 0,70c соответственно (c - скорость света в вакууме, c ≈ 3,00 ⋅ 10 8 м/с). Определить модуль скорости ядра относительно электрона. Как изменится модуль скорости ядра относительно электрона, если ядро выбросит электрон в противоположную сторону?

Решение . В первом случае ядро выбрасывает электрон в направлении своего движения. На рис. а показано ядро, выбросившее электрон вдоль направления своего движения, и указаны направления координатной оси Ox , скорости ядра v → яд, скорости электрона v → эл.

Для расчета относительной скорости движения двух релятивистских частиц воспользуемся алгоритмом.

1. Выберем направление координатной оси Ox в направлении скорости электрона и ядра.

u → = v → эл;

v → = v → яд.

u x = 0,40c ; v x = 0,70c .

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 = 0,70 c − 0,40 c 1 − 0,40 c ⋅ 0,70 c c 2 = 0,30 c 1 − 0,40 c ⋅ 0,70 c c 2 = 1,25 ⋅ 10 8 м/с.

5. Проекция относительной скорости имеет положительный знак, поэтому модуль скорости ядра относительно электрона равен найденной проекции:

v отн = v ′ x = 1,25 ⋅ 10 8 м/с.

Во втором случае ядро выбрасывает электрон в сторону, противоположную скорости своего движения. На рис. б показано ядро, выбросившее электрон противоположно направлению своего движения, и указаны направления координатной оси Ox , скорости ядра v → яд, скорости электрона v → эл.

Для расчета также воспользуемся алгоритмом.

1. Выберем направление координатной оси Ox в направлении скорости электрона.

2. Свяжем систему отсчета с электроном, его скорость относительно ускорителя обозначим

u → = v → эл;

скорость ядра относительно ускорителя -

v → = v → яд.

3. Запишем проекции скоростей u → и v → на выбранную координатную ось:

u x = 0,40с ; v x = −0,70c .

4. Рассчитаем проекцию относительной скорости частиц по формуле

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 = − 0,70 c − 0,40 c 1 − 0,40 c ⋅ (− 0,70) c c 2 =

= − 1,1 ⋅ 3,00 ⋅ 10 8 1 − 0,40 c ⋅ (− 0,70) c c 2 = − 2,58 ⋅ 10 8 м/с.

5. Проекция относительной скорости имеет отрицательный знак, поэтому модуль скорости ядра относительно электрона равен модулю найденной проекции:

v отн = | v ′ x | = 2,58 ⋅ 10 8 м/с.

Модуль относительной скорости частиц увеличивается в 2,58 раза.