Релятивистская энергия. Обсудим смысл временной компоненты 4-импульса. Введем в рассмотрение величину E равную произведению временной компоненты 4-импульса частицы на скорость света
. (8)
Эту величину можно назвать энергией. Во-первых, потому что она имеет
размерность энергии. Во-вторых, что наиболее существенно, потому что сумма
данных величин сохраняется при всех столкновениях. Доказательство того, сумма
значений E всех частиц подчиняется закону
сохранения, базируется на простом соображении: если три пространственные
компоненты полного 4-импульса сохраняются во всех системах отсчета, то его
временная компонента (а значит и суммарная E)
тоже сохраняется. В противном случае сохранение импульса было бы невозможным.
Таким образом, сохранение полного импульса частиц приводит к сопутствующему закону, – закону сохранения энергии справедливому во всех ИСО
, (9)
где
определяется выражением (8) и называется полной
релятивистской энергией частицы.
При малых скоростях выражение для релятивистской энергии можно разложить в ряд по степеням v, пользуясь формулой Тейлора,
.
Таким образом, в пределе малых скоростей релятивистская энергия складывается из
классического выражения кинетической энергии и добавочного слагаемого
. Этот добавочный член называют энергией
покоя
. (10)
С момента получения Эйнштейном в 1905 г. эта формула нашла огромное число
подтверждений, и одно из них – существование атомной бомбы.
В теории относительности определение кинетической энергии является тем же самым, что и в классической механике: кинетическая энергия – это энергия, обусловленная движением частицы. Для свободной частицы ее можно получить, вычитая из полной энергии энергию покоя
. (11)
При малых скоростях (11) сводится к классическому выражению
.
В связи с тем, что временная компонента 4-импульса имеет непосредственное отношение к энергии частицы, естественно назвать P 4-вектором энергии-импульса и записать его как
.
Из того, что квадрат 4-скорости
, непосредственно
вытекает
. (12)
Таким образом, вектор энергии-импульса свободной частицы является
времениподобным вектором.
Релятивистская сила. В теории относительности сила
носит вспомогательную функцию. Это связано с тем, что взаимодействия
распространяются с конечной скоростью, не превышающей скорость света. Поэтому невозможно
определить силу так, чтобы для двух взаимодействующих частиц выполнялся третий
закон Ньютона (важное свойство силы). Только в случаях локального
взаимодействия, таких как взаимодействие частицы с полем или движение тела
переменной массы (ракеты), можно записать и
, где
–
импульс частицы (ракеты),
– импульс поля
(отработанных газов).
На этом основании целесообразно определить силу выражением
.
Следует отметить, что при таком определении величина и направление силы будут
зависеть от скорости движущегося наблюдателя, тогда как в классической механике
сила не зависела от скорости наблюдателя. Эта зависимость приводит к интересным
эффектам, например, к возникновению магнитной силы в электромагнитных
взаимодействиях.
Для построения 4-вектора силы, которую иногда называют силой
Минковского, рассмотрим 4-вектор , где t – собственное время частицы. С помощью ()
легко перейти собственного времени к обычному
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.