Share This Article
Релятивистская механика, начиная с 20 века, заменила механику Ньютона при высоких скоростях движения. Она основана на двух началах, о которых пойдет речь ниже.
В экспериментах, проводимых с использованием высоких энергий, например, на Большом Адронном Коллайдере или при изучении тел вблизи черных дыр, релятивистское описание становится важным для правильной трактовки и предсказания исходов экспериментов.
Релятивистская механика – одна из базовых составляющих теории относительности, разработанной А. Эйнштейном. Теория связывает механику быстрого движения с проявлениями гравитации. Релятивистская механика предлагает новый взгляд на гравитационные взаимодействия.
Преобразования Галилея
Данные уравнения иллюстрируют переход между системами отсчета (стандартное сокращение: ИСО), которая двигается по отношению к первой со скоростью V. Предположим, что есть некоторая ИСО S с координатами (x, y, z, t) и S’ (x’, y’, z’, t’), движущаяся по отношению к S вдоль оси x. Тогда преобразования Галилея выражаются так:
x’ = x — vt
y’ = y
z’ = z
t’ = t
Обратные преобразования выглядят следующим образом:
x = x’ + vt’
y = y’
z = z’
t = t’
Эти формулы описывают изменения времени и координат при переходе от одной ИСО к другой.
Отметим, что эти преобразования предполагают, что скорости невелики по сравнению с световыми. Более того, они не учитывают эффекты, такие как замедление времени и уменьшение длины, которые возникают при достаточной быстроте объекта.
Потребность релятивистского описания возникла из-за явных противоречий между классической механикой Ньютона и результатами экспериментов, особенно в области электромагнетизма. Вот некоторые из основных факторов, приведших к необходимости разработки «альтернативной» релятивистской механики:
- Начиная 20 века появилась возможность достигать скоростей, близких к скорости света, благодаря развитию физики частиц и появлению сверхтехнологичного оборудования. Однако классическая механика Ньютона не могла точно описать поведение объектов при таких высоких скоростях.
- Электромагнетизм. Экспериментальные результаты в области электромагнетизма, особенно формулы Максвелла, предсказывали существование электромагнитных волн, которые распространяются с околосветовой скоростью. Классическая механика не была совместима с этими результатами и не могла объяснить, почему свет двигается с постоянной скоростью (на этот вопрос отвечает релятивистская механика).
- В начале 20-го века физика столкнулась с проблемами, которые не могли быть объяснены классической механикой Ньютона. Знаменитые эксперименты Майкельсона-Морли не подтвердили существование эфира – среды, в которой должны были распространяться световые волны. Эти противоречия стали катализатором для революционных идей Эйнштейна.
Эйнштейн формализовал теорию при помощи математических уравнений – они описывают равноускоренное движение и взаимосвязь энергии, массы и скорости. Масса объекта в механике увеличивается со скоростью, а энергия преобразуется в массу и наоборот по знаменитому уравнению E = mc^2.
Специальная теория относительности революционизировала представления о времени, движении и механике в целом. Она стала фундаментальной основой для развития релятивистской механики, которая применяется в большом спектре областей, от физики элементарных частиц до астрофизики и космологии.
Принцип относительности Эйнштейна
Данный закон – один из основополагающих этой теории, разработанной Эйнштейном в 1905 г. Он утверждает, что физические законы механики одинаковы во всех ИСО (которые неподвижны или движутся равномерно прямолинейно).
Следствия:
- Законы физики, включая электродинамику, формулируются таким образом, чтобы быть инвариантными при переходе между ИСО. Это означает, что физические уравнения должны быть одинаковыми в ИСО.
- Быстрота распространения света в вакууме (c) является абсолютной постоянной величиной. Никакое тело не может двигаться быстрее света.
- Для учета принципа относительности предложил математические уравнения, известные как преобразования Лоренца.
Закон относительности Эйнштейна — фундаментальное начало физики. Он открыл новое понимание пространства, времени и взаимодействия физических тел.
Релятивистская механика
Принципы:
- Законы физики одинаковы для любых ИСО.
- Скорость света в вакууме (c) — постоянная величина для всех ИСО, независимо от быстроты движения. Этот закон подразумевает, что невозможно двигаться быстрее света.
- При приближении к скорости света, объекты сокращают свою длину, а время замедляется.
- Преобразования Лоренца описывают, как пространственные координаты и время преобразуются при движении объекта.
- Релятивистская механика включает концепции энергии и массы, связанные с известным уравнением Эйнштейна E = mc^2 (E – энергия, m – масса тела). Масса тела равна энергии, которую оно несет.
Сложение скоростей
В релятивистской механике существует особый способ сложения скоростей, отличающийся от механики Ньютона. В последней они складываются векторно, но в релятивистской механике учитывается специальная теория относительности – она вводит новые правила для сложения скоростей в околосветовом диапазоне.
Согласно этой теории, скорость света в вакууме — предельная. Она равна примерно 299 792 458 метров в секунду. Она обозначается символом «c». Отсюда вытекает важное правило в релятивистской механике – никакой объект не может двигаться быстрее света.
При сложении скоростей в релятивистской механике используется формула, которая учитывает эффекты искажения времени и длины.
Если два объекта движутся относительно неподвижной СО со скоростями v1 и v2, то их скорость сближения v будет определяться формулой v = (v1 + v2) / (1 + (v1*v2)/c^2).
Если скорости намного меньше световых (v1, v2
