Релятивістська маса частинки

У 1905 році Альберт Ейнштейн опублікував своютеорію відносності, яка дещо змінила уявлення науки про навколишній світ. Виходячи з його припущень була отримана формула релятивістської маси.

Спеціальна теорія відносності

Вся суть полягає в тому, що в системах,рухомих відносно один одного, будь-які процеси протікають дещо по-різному. Конкретно це виражається, наприклад, в збільшенні маси зі збільшенням швидкості. Якщо швидкість руху системи набагато менше швидкості світла (υ << c = 3 · 10⁸ ), То ці зміни практично не будуть помітні,так як вони будуть прагне до нуля. Однак якщо швидкість руху близька до швидкості світла (наприклад, дорівнює одній десятій від неї), то такі показники, як маса тіла, його довжина і час будь-якого процесу, зміняться. За допомогою наступних формул можна розрахувати ці значення в рухомій системі відліку, в тому числі - маса релятивістської частинки.

тут l₀, m₀ і t₀ - довжина тіла, його маса і час процесу в нерухомій системі, а υ - швидкість руху об'єкта.

За теорією Ейнштейна, жодне тіло не здатне розвивати швидкість більшу, ніж швидкість світла.

маса спокою

Питання маси спокою релятивістської частинкивиникає саме в теорії відносності, коли маса тіла або частки починає змінюватися в залежності від швидкості. Відповідно, масою спокою називається маса тіла, яке в момент вимірювання міститься в спокої (при відсутності руху), тобто швидкість його дорівнює нулю.

Релятивістська маса тіла є одним з основних параметрів при описі руху.

принцип відповідності

Після появи теорії відносності Ейнштейнапотрібен був певний перегляд використовуваної в перебігу декількох століть механіки Ньютона, яка вже не могла використовуватися при розгляді систем відліку, що рухаються зі швидкістю, порівнянної зі швидкістю світла. Тому треба було змінити все рівняння динаміки, використовуючи перетворення Лоренца - зміна координат тіла або точки і часу процесу при переході між інерційних системах відліку. Опис даних перетворень грунтується на тому, що в кожної інерційної системі відліку всі фізичні закони працюють однаково і рівноправно. Таким чином, закони природи у разі не залежать від вибору системи відліку.

З перетворень Лоренца і виражається основний коефіцієнт релятивістської механіки, який описаний вище і названий буквою α.

Сам принцип відповідності досить простий - вінговорить про те, що будь-яка нова теорія в якомусь певному окремому випадку буде давати ті ж результати, що і попередня. Саме в релятивістській механіці це відбивається тим фактом, що при швидкостях, які багато менше швидкості світла, використовуються закони класичної механіки.

Релятивістська частинка

Релятивістської часткою називається частка,яка рухається зі швидкістю, порівнянної зі швидкістю світла. Їх рух описується спеціальною теорією відносності. Існує навіть група частинок, існування яких можливе тільки при русі зі швидкістю світла - такі називаються частками без маси або просто безмасовими, так як в стані спокою їх маса дорівнює нулю, тому це унікальні частки, які не мають ніякого аналогічного варіанту в нерелятивистской, класичній механіці .

Тобто, маса спокою релятивістської частинки може дорівнювати нулю.

Частинку можна назвати релятивістської, якщо її кінетична енергія може бути порівнянна з енергією, яка виражається наступною формулою.

Дана формула обумовлює умова необхідної швидкості.

Енергія частинки також може бути і більше своєї енергії спокою - такі називають ультрарелятивістських.

Для опису руху подібних частинок використовується квантова механіка в загальному випадку і квантова теорія поля для ширшого опису.

поява

Подібні частинки (і релятивістські, іультрарелятивістських) в природному вигляді існують тільки в космічному випромінюванні, тобто випромінювання, джерело якого знаходиться поза Землею, електромагнітної природи. Людиною ж вони штучно створюються в спеціальних прискорювачах - за допомогою них же були знайдені кілька десятків видів частинок, і даний список постійно оновлюється. Подібної установкою є, наприклад, Великий Адронний Коллайдер, що знаходиться в Швейцарії.

З'являються при β-розпаді електрони також можутьіноді досягати достатньої швидкості для того, щоб віднести їх до класу релятивістських. Релятивістська маса електрона також може бути знайдений за вказаними формулами.

поняття маси

Маса в механіці Ньютона володіє декількома обов'язковими властивостями:

• Гравітаційне тяжіння тел виникає через їх маси, тобто безпосередньо залежить від неї.
• Маса тіла не залежить від вибору системи відліку і не змінюється при її зміні.
• Інерція тіла вимірюється його масою.
• Якщо тіло знаходиться в системі, в якій невідбуваються ніякі процеси і яка є замкненою, то його маса практично не буде змінюватися (крім дифузійної передачі, яка у твердих тіл відбувається дуже повільно).
• Маса складеного тіла складається з мас окремих його частин.

принципи відносності

• Принцип відносності Галілея.

Даний принцип був сформульований длянерелятивистской механіки і виражається наступним чином: незалежно від того, чи перебуває системи в стані спокою або ж роблять вони який-небудь рух, всі процеси в них протікають однаково.

• Принцип відносності Ейнштейна.

Даний принцип базується на двох постулатах:

1. Принцип відносності Галілея використовується і в даному випадку. Тобто, в будь-СО абсолютно всі закони природи працюють однаково.
2. Швидкість світла абсолютно завжди і у всіхсистемах відліку однакова, незалежно від швидкості руху джерела світла і екрану (приймача світла). Для доказу цього факту було проведено ряд експериментів, які повністю підтвердили первинну здогад.

Маса в релятивістської і в ньютонівської механіці

• На відміну від механіки Ньютона, в релятивістськоїтеорії маса не може бути мірою кількості матеріалу. Та й сама релятивістська маса визначається деяким було більшим способом, залишаючи можливим пояснити, наприклад, існування частинок без маси. У релятивістської механіки особлива увага приділяється швидше енергії, ніж масі - тобто основним фактором, що визначає будь-яке тіло або елементарну частинку, є його енергія або ж імпульс. Імпульс можливо знайти за такою формулою.

• Однак при цьому маса спокою частинки єдуже важливою характеристикою - її значення є дуже невеликим і нестабільним числом, тому до вимірювань підходять з максимальною швидкістю і акуратністю. Енергію спокою частинки можна знайти за такою формулою.

• Аналогічно теоріям Ньютона, в ізольованій системі маса тіла є постійною, тобто, не змінюється з часом. Також не змінюється вона і при переході від однієї СО до іншої.
• Не існує абсолютно ніякого запобіжного інерції тіла, що рухається.
• Релятивістська маса тіла, що рухається не визначається впливом на нього гравітаційними силами.
• Якщо маса тіла дорівнює нулю, то воно обов'язково повинно рухатися зі швидкістю світла. Протилежне твердження невірно - швидкості світла можуть досягати не тільки безмасові частки.
• Повну енергію релятивістському частки можливо за допомогою наступного виразу:

природа маси

До деякого часу в науці вважалося, щомаса будь-якої частинки обумовлена ​​електромагнітної природою, проте до справжнього моменту стало відомо, що таким чином можливо пояснити лише малу її частину - основний же внесок вноситься природою сильних взаємодій, що виникають через глюонів. Однак цим способом неможливо пояснити масу десятка частинок, природа якої все ще не була з'ясована.

Релятивістське збільшення маси

Результат усіх описаних вище теорем і законівможна виразити в досить зрозумілою, хоч і дивовижному процесі. Якщо одне тіло рухається щодо іншого з будь-якої швидкістю, то його параметри і параметри тіл, що знаходяться всередині, якщо початкове тіло являє собою систему, змінюються. Безумовно, на малих швидкостях це практично не буде помітно, проте даний ефект все одно буде присутній.

Можна навести простий приклад - інше закінчення часу в рухомому зі швидкістю 60 км / год поїзді. Тоді за такою формулою розраховується коефіцієнт зміни параметрів.

Дана формула також була описана вище. Підставивши всі дані в неї (при c ≈ 1 · 10⁹ км / год), вийде наступний результат:

Очевидно, що зміна надзвичайно мало і не змінює показники годин так, щоб це було помітно.