Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τη θεωρία της σχετικότητας, η οποία άλλαξε κάπως την κατανόηση της επιστήμης για τον κόσμο γύρω μας. Με βάση τις υποθέσεις του, προέκυψε ο τύπος για τη σχετικιστική μάζα.
Ειδική Σχετικότητα
Το όλο θέμα είναι ότι σε συστήματα που κινούνται το ένα σε σχέση με το άλλο, οποιεσδήποτε διαδικασίες προχωρούν κάπως διαφορετικά. Συγκεκριμένα, αυτό εκφράζεται, για παράδειγμα, σε αύξηση της μάζας με αύξηση της ταχύτητας. Εάν η ταχύτητα του συστήματος είναι πολύ μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός (υ << c=3 108), τότε αυτές οι αλλαγές πρακτικά δεν θα είναι αισθητές, αφού θα τείνουν στο μηδέν. Ωστόσο, εάν η ταχύτητα κίνησης είναι κοντά στην ταχύτητα του φωτός (για παράδειγμα, ίση με το ένα δέκατο του), τότε δείκτες όπως η μάζα του σώματος, το μήκος του και ο χρόνος οποιασδήποτε διαδικασίας θα αλλάξουν. Χρησιμοποιώντας τους παρακάτω τύπους, είναι δυνατός ο υπολογισμός αυτών των τιμών σε ένα κινούμενο πλαίσιο αναφοράς, συμπεριλαμβανομένης της μάζας ενός σχετικιστικού σωματιδίου.
Εδώ l0, m0 και t0 - μήκος σώματος, μάζα του και ο χρόνος διεργασίας σε ένα ακίνητο σύστημα, και το υ είναι η ταχύτητα του αντικειμένου.
Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, κανένα σώμα δεν μπορεί να επιταχύνει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.
Μάζα ανάπαυσης
Το ζήτημα της ηρεμίας μάζας ενός σχετικιστικού σωματιδίου τίθεται ακριβώς στη θεωρία της σχετικότητας, όταν η μάζα ενός σώματος ή σωματιδίου αρχίζει να αλλάζει ανάλογα με την ταχύτητα. Αντίστοιχα, η μάζα ηρεμίας είναι η μάζα του σώματος, η οποία τη στιγμή της μέτρησης βρίσκεται σε ηρεμία (ελλείψει κίνησης), δηλαδή η ταχύτητά του είναι μηδέν.
Η σχετικιστική μάζα ενός σώματος είναι μία από τις κύριες παραμέτρους στην περιγραφή της κίνησης.
Αρχή συμμόρφωσης
Μετά την έλευση της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, απαιτήθηκε κάποια αναθεώρηση της Νευτώνειας μηχανικής που χρησιμοποιήθηκε για αρκετούς αιώνες, η οποία δεν μπορούσε πλέον να χρησιμοποιηθεί όταν θεωρούμε συστήματα αναφοράς που κινούνται με ταχύτητα συγκρίσιμη με την ταχύτητα του φωτός. Ως εκ τούτου, ήταν απαραίτητο να αλλάξουμε όλες τις εξισώσεις της δυναμικής χρησιμοποιώντας μετασχηματισμούς Lorentz - μια αλλαγή στις συντεταγμένες ενός σώματος ή σημείου και χρόνου της διαδικασίας κατά τη μετάβαση μεταξύ αδρανειακών πλαισίων αναφοράς. Η περιγραφή αυτών των μετασχηματισμών βασίζεται στο γεγονός ότι σε κάθε αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς όλοι οι φυσικοί νόμοι λειτουργούν εξίσου και ίσα. Επομένως, οι νόμοι της φύσης δεν εξαρτώνται σε καμία περίπτωση από την επιλογή του πλαισίου αναφοράς.
Από τους μετασχηματισμούς Lorentz, εκφράζεται ο κύριος συντελεστής της σχετικιστικής μηχανικής, ο οποίος περιγράφεται παραπάνω και ονομάζεται γράμμα α.
Η ίδια η αρχή της αντιστοιχίας είναι αρκετά απλή - λέει ότι κάθε νέα θεωρία σε κάποια συγκεκριμένη περίπτωση θα δώσει τα ίδια αποτελέσματα μεπροηγούμενος. Συγκεκριμένα, στη σχετικιστική μηχανική, αυτό αντανακλάται από το γεγονός ότι σε ταχύτητες πολύ μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός, χρησιμοποιούνται οι νόμοι της κλασικής μηχανικής.
Σχετικό σωματίδιο
Ένα σχετικιστικό σωματίδιο είναι ένα σωματίδιο που κινείται με ταχύτητα συγκρίσιμη με την ταχύτητα του φωτός. Η κίνησή τους περιγράφεται από την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Υπάρχει ακόμη και μια ομάδα σωματιδίων των οποίων η ύπαρξη είναι δυνατή μόνο όταν κινούνται με την ταχύτητα του φωτός - αυτά ονομάζονται σωματίδια χωρίς μάζα ή απλά χωρίς μάζα, αφού σε ηρεμία η μάζα τους είναι μηδέν, επομένως πρόκειται για μοναδικά σωματίδια που δεν έχουν ανάλογη επιλογή σε μη -σχετικιστική, κλασική μηχανική.
Δηλαδή, η υπόλοιπη μάζα ενός σχετικιστικού σωματιδίου μπορεί να είναι μηδέν.
Ένα σωματίδιο μπορεί να ονομαστεί σχετικιστικό εάν η κινητική του ενέργεια μπορεί να συγκριθεί με την ενέργεια που εκφράζεται από τον ακόλουθο τύπο.
Αυτός ο τύπος καθορίζει την απαιτούμενη συνθήκη ταχύτητας.
Η ενέργεια ενός σωματιδίου μπορεί επίσης να είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια ηρεμίας του - αυτές ονομάζονται υπερσχετιστικές.
Για να περιγράψει την κίνηση τέτοιων σωματιδίων, η κβαντική μηχανική χρησιμοποιείται στη γενική περίπτωση και η κβαντική θεωρία πεδίου για μια πιο εκτενή περιγραφή.
Εμφάνιση
Παρόμοια σωματίδια (τόσο σχετικιστικά όσο και υπερσχετικά) στη φυσική τους μορφή υπάρχουν μόνο στην κοσμική ακτινοβολία, δηλαδή σε ακτινοβολία που η πηγή της βρίσκεται εκτός της Γης, ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Δημιουργούνται τεχνητά από τον άνθρωπο.σε ειδικούς επιταχυντές - με τη βοήθειά τους, βρέθηκαν αρκετές δεκάδες είδη σωματιδίων και αυτή η λίστα ενημερώνεται συνεχώς. Μια τέτοια εγκατάσταση είναι, για παράδειγμα, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων που βρίσκεται στην Ελβετία.
Τα ηλεκτρόνια που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της β-διάσπασης μπορούν επίσης μερικές φορές να φτάσουν σε επαρκή ταχύτητα για να τα ταξινομήσουν ως σχετικιστικά. Η σχετικιστική μάζα ενός ηλεκτρονίου μπορεί επίσης να βρεθεί χρησιμοποιώντας τους υποδεικνυόμενους τύπους.
Η έννοια της μάζας
Η μάζα στη Νευτώνεια μηχανική έχει αρκετές υποχρεωτικές ιδιότητες:
- Η βαρυτική έλξη των σωμάτων προκύπτει από τη μάζα τους, δηλαδή εξαρτάται άμεσα από αυτήν.
- Η μάζα του σώματος δεν εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος αναφοράς και δεν αλλάζει όταν αλλάζει.
- Η αδράνεια ενός σώματος μετριέται από τη μάζα του.
- Αν το σώμα βρίσκεται σε ένα σύστημα στο οποίο δεν συμβαίνουν διεργασίες και το οποίο είναι κλειστό, τότε η μάζα του πρακτικά δεν θα αλλάξει (εκτός από τη μεταφορά διάχυσης, η οποία είναι πολύ αργή για τα στερεά).
- Η μάζα ενός σύνθετου σώματος αποτελείται από τις μάζες των επιμέρους μερών του.
Αρχές της Σχετικότητας
Γαλιλαία αρχή της σχετικότητας
Αυτή η αρχή διατυπώθηκε για τη μη σχετικιστική μηχανική και εκφράζεται ως εξής: ανεξάρτητα από το αν τα συστήματα είναι σε ηρεμία ή αν κάνουν κάποια κίνηση, όλες οι διαδικασίες σε αυτά προχωρούν με τον ίδιο τρόπο.
Αρχή της σχετικότητας του Αϊνστάιν
Αυτή η αρχή βασίζεται σε δύο αξιώματα:
- Η αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίουχρησιμοποιείται και σε αυτή την περίπτωση. Δηλαδή, σε οποιοδήποτε CO, όλοι οι νόμοι της φύσης λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο.
- Η ταχύτητα του φωτός είναι απολύτως πάντα και σε όλα τα συστήματα αναφοράς η ίδια, ανεξάρτητα από την ταχύτητα της πηγής φωτός και της οθόνης (δέκτης φωτός). Για να αποδειχθεί αυτό το γεγονός, διεξήχθησαν διάφορα πειράματα, τα οποία επιβεβαίωσαν πλήρως την αρχική εικασία.
Μάζα στη σχετικιστική και Νευτώνεια μηχανική
Σε αντίθεση με τη Νευτώνεια μηχανική, στη σχετικιστική θεωρία, η μάζα δεν μπορεί να είναι μέτρο της ποσότητας του υλικού. Ναι, και η ίδια η σχετικιστική μάζα ορίζεται με κάποιο πιο εκτεταμένο τρόπο, αφήνοντας δυνατό να εξηγηθεί, για παράδειγμα, η ύπαρξη σωματιδίων χωρίς μάζα. Στη σχετικιστική μηχανική, δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην ενέργεια και όχι στη μάζα - δηλαδή, ο κύριος παράγοντας που καθορίζει οποιοδήποτε σώμα ή στοιχειώδες σωματίδιο είναι η ενέργεια ή η ορμή του. Η ορμή μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο
Ωστόσο, η ηρεμία μάζα ενός σωματιδίου είναι ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό - η τιμή του είναι ένας πολύ μικρός και ασταθής αριθμός, επομένως οι μετρήσεις προσεγγίζονται με μέγιστη ταχύτητα και ακρίβεια. Η υπόλοιπη ενέργεια ενός σωματιδίου μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο
- Παρόμοια με τις θεωρίες του Νεύτωνα, σε ένα απομονωμένο σύστημα, η μάζα ενός σώματος είναι σταθερή, δηλαδή δεν αλλάζει με το χρόνο. Επίσης, δεν αλλάζει όταν μετακινείται από ένα CO σε άλλο.
- Δεν υπάρχει απολύτως κανένα μέτρο αδράνειαςκινούμενο σώμα.
- Η σχετικιστική μάζα ενός κινούμενου σώματος δεν καθορίζεται από την επίδραση των βαρυτικών δυνάμεων σε αυτό.
- Αν η μάζα ενός σώματος είναι μηδέν, τότε πρέπει να κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Το αντίστροφο δεν είναι αλήθεια - όχι μόνο τα σωματίδια χωρίς μάζα μπορούν να φτάσουν την ταχύτητα του φωτός.
- Η συνολική ενέργεια ενός σχετικιστικού σωματιδίου είναι δυνατή χρησιμοποιώντας την ακόλουθη έκφραση:
Φύση της μάζας
Μέχρι κάποιο χρονικό διάστημα στην επιστήμη πίστευαν ότι η μάζα οποιουδήποτε σωματιδίου οφείλεται στην ηλεκτρομαγνητική φύση, αλλά μέχρι τώρα έχει γίνει γνωστό ότι με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να εξηγηθεί μόνο ένα μικρό μέρος του - το κύριο συνεισφορά γίνεται από τη φύση των ισχυρών αλληλεπιδράσεων που προκύπτουν από τα γκλουόνια. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος δεν μπορεί να εξηγήσει τη μάζα μιας ντουζίνας σωματιδίων, η φύση των οποίων δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί.
Σχετικιστική αύξηση μάζας
Το αποτέλεσμα όλων των θεωρημάτων και των νόμων που περιγράφονται παραπάνω μπορεί να εκφραστεί με μια αρκετά κατανοητή, αν και εκπληκτική, διαδικασία. Εάν ένα σώμα κινείται σε σχέση με ένα άλλο με οποιαδήποτε ταχύτητα, τότε αλλάζουν οι παράμετροί του και οι παράμετροι των σωμάτων που βρίσκονται μέσα, αν το αρχικό σώμα είναι σύστημα, αλλάζουν. Φυσικά, σε χαμηλές ταχύτητες, αυτό πρακτικά δεν θα γίνει αντιληπτό, αλλά αυτό το αποτέλεσμα θα εξακολουθεί να υπάρχει.
Μπορεί κανείς να δώσει ένα απλό παράδειγμα - ένα άλλο ξεμένει από χρόνο σε ένα τρένο που κινείται με ταχύτητα 60 km/h. Στη συνέχεια, σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο, υπολογίζεται ο συντελεστής αλλαγής παραμέτρου.
Αυτός ο τύπος περιγράφηκε επίσης παραπάνω. Αντικαθιστώντας όλα τα δεδομένα σε αυτό (για c ≈ 1 109 km/h), έχουμε το ακόλουθο αποτέλεσμα:
Προφανώς η αλλαγή είναι εξαιρετικά μικρή και δεν αλλάζει το ρολόι με τρόπο που να είναι αισθητό.
