Мы начинаем построение релятивистской динамики.
Как уже говорилось, процесс этот состоит в том, чтобы создавать 4-мерные векторы, у которых 3-мерная (пространственная) часть – это обычный вектор, а временная (ударение на а) часть исчезает при (принцип соответствия).
Почему мы должны поступать таким образом?
- Неинвариантность уравнений Ньютона относительно преобразований Лоренца.
- Неопределенность понятия силы из-за неинвариантности пространственного расстояния относительно преобразований Лоренца и т.д.
Нужно обеспечить инвариантность уравнений механики относительно релятивистских преобразований координат и времени.
4-мерный вектор скорости
4-мерный вектор скорости будем искать как производную 4-мерного радиус - вектора по временно¢му интервалу. В качестве временно¢го интервала возьмем собственное время частицы (материальной точки) в мгновенно-сопутствующей системе отсчета.
По аналогии с построением соответствующих величин в обычном (3-мерном) пространстве, где скорость определялась как производная радиус-вектора по времени, , имеем: (здесь - собственное время частицы; - инвариант, в то время как ни , ни инвариантами не являются).
Собственное время мы отсчитываем в мгновенно-сопутствующей системе отсчета K'.
Мгновенно-сопутствующей системой отсчета будем называть систему отсчета, постоянная скорость которой равна мгновенной скорости частицы (скорость 3-мерная).
В мгновенно-сопутствующей системе отсчета K’ за бесконечно малый промежуток времени (в течение которого как раз ) координаты частицы не изменяются: , т. е. частица покоится в мгновенно-сопутствующей системе K’.
Пользуясь высказанными соображениями, введем еще раз понятие собственного времени частицы, связав его с интервалом между событиями.
Интервал инвариантен:
; отсюда с учетом , имеем
.
- квадрат модуля вектора мгновенной скорости частицы, поэтому
.
Собственное время частицы: .
Примечание
Поскольку ускорение влияет на ход часов, мы не можем связывать часы с движущейся частицей. Время нужно отсчитывать по часам в неподвижной системе отсчета, переходя к измерению полного собственного времени частицы путем суммирования (интегрирования): .
Вводим 4-мерный вектор скорости: .
Компоненты скорости (индекс не путать со степенью!):
, .
Убедимся в инвариантности квадрата 4-мерного вектора скорости относительно преобразований Лоренца.
(Дополнительный материал.)
Для этого подставим выражение для интервала вместо dR - и собственное время частицы в выражение для скорости:
invariant.
Заметим, что при множитель , компоненты переходят в , т.е. совпадают с обычной скоростью. Компонента отлична от нуля даже при (частица покоится). При этом . Смысл в том, что время остановить нельзя, оно всегда течет (точнее - летит).
В 4-мерном мире Минковского покоя (в смысле ) – быть не может.
4-мерная сила и 4-мерное уравнение движения
Напоминание 1
Основное уравнение динамики в модели Галилея-Ньютона:
, или , или
( - 3-мерный импульс, - 3-мерная сила).
Напоминание 2
Возьмем уравнение . Умножим правую и левую части на :
(левая часть – изменение энергии системы, правая – работа силы на пути ).
Под знак дифференциала в левой части уравнения можно ввести произвольное постоянное слагаемое (энергия, которой обладает тело в состоянии покоя). Тогда полная энергия тела . Обычно в классической механике выбирают , и полная энергия свободного тела (при ) совпадает с его кинетической энергией.
Напоминание 3
Если частица находится в потенциальном поле , то .
Так как , а , то
; отсюда закон сохранения энергии Þ .
4-мерный импульс
По аналогии с трехмерным импульсом вводим 4-мерный импульс как произведение инвариантной скалярной массы на 4-мерную скорость, т.е.
, .
Здесь записаны компоненты импульса в виде матрицы.
Отличие от 3-мерного импульса - в множителе, возникающем в результате преобразования скоростей:
.
Из этой записи возникает распространенное впечатление о зависимости массы частицы от скорости: .
Тогда: .
РИС. 6-11
На самом деле масса инвариантна и не изменяется при переходе от одной ИСО к другой.
Математическое отступление
Матрица – система элементов (чисел, функций или иных величин, над которыми можно производить алгебраические операции), расположенных в виде прямоугольной схемы (таблицы).
Если матрица имеет строк и столбцов, говорят о матрице .
Если , то матрица называется квадратной, а число - ее порядком. Матрица может состоять из одной строки или из одного столбца. Запись матрицы:
.
Действия над матрицами
Произведением прямоугольной - матрицы на число называется матрица, элементы которой получены из элементов умножением на :
.
Сумма определяется только для матриц одинакового строения – элементы суммы равны суммам соответствующих элементов:
.
Умножение матриц определяется только для таких прямоугольных матриц, что число столбцов первого множителя равно числу строк второго множителя.
Произведением матрицы на матрицу будет матрица - такая, что , где , .
Элементы строки умножаются на соответствующие элементы столбца и складываются.
При умножении:
1) нет коммутативности, ; если , то матрицы называются перестановочными;
2) произведение двух ненулевых матриц может быть равно нулевой матрице.
4-мерное уравнение движения (пространственная часть)
(Вывод можно пропустить.)
По аналогии с основным уравнением классической динамики запишем:
( - собственное время частицы).
Компоненты вектора 4-мерной силы еще предстоит определить.
То же уравнение в компонентах:
.
Определяем компоненты :
;
Используем определение 4-мерного импульса, тогда
.
Приравнивая 4-мерные векторы, мы приравниваем компоненты:
Чтобы выполнялся принцип соответствия, пространственные компоненты 4-мерной силы должны быть пропорциональны компонентам 3-мерной силы. Тогда при релятивистские уравнения движения перейдут в уравнения Галилея-Ньютона:
, ( - компоненты 3-мерной силы).
Так как , то
= , Þ = .
Умножая правую и левую части на соответствующие координатные орты и складывая результаты, получаем:
Это - пространственная часть уравнения движения в релятивистском приближении.
Отличается от классического уравнения лишь определением импульса , да и то можно превратить в классическую форму, если ввести зависящую от скорости массу: .
Временна¢я компонента 4-мерной силы
(Вывод можно пропустить.)
Запишем инварианты 4-мерной скорости:
.
Продифференцируем уравнение по собственному времени частицы:
.
Здесь записано то, что нам уже известно о величинах, входящих в дифференциал инварианта. Подставляем:
;
;
- временна¢я компонента 4-мерной силы.
Найдены компоненты 4-мерной силы Минковского:
.
Временна¢я компонента релятивистского уравнения движения
Приравниваем соответствующие компоненты и :
.
Умножаем правую и левую части на :
;
слева - изменение во времени полной энергии свободной релятивистской частицы, справа - работа трехмерной силы .
Пространственно-временное уравнение движения:
(1) - векторное,
(2) - скалярное.
При уравнение (1) переходит в уравнение классической динамики, а уравнение (2) превращается в тождество 0º0:
делим левую и правую части (2) на , тогда
;
в левой части , поэтому производная равна 0;
в правой части при , поэтому векторное произведение равно 0.
Полная энергия свободной () релятивистской частицы
Запишем пространственно-временное уравнение движения (2):
;
слева, по аналогии с классическим уравнением, изменение полной энергии свободной частицы, справа - работа силы на пути .
Определим полную энергию свободной релятивистской частицы, помня о том, что уравнение (2) дает полную энергию с точностью до постоянной величины:
,
где и - абсолютная величина 3-мерной скорости частицы.
Из выражения видно, что при , и выясняется, что частица обладает энергией покоя:
.
Какая величина энергии покоя?
=1 г, =9×1020см2/с2 Þ »1021эрг/г»1014 Дж/г.
Примечание
Существенно не то, сколько энергии содержит та или иная система, а то, сколько энергии может быть использовано. До начала использования ядерной энергии энергия покоя никак не реализовывалась, соответственно всегда сохранялась масса (взвешивание всегда было одним из самых точных измерений). Действительно, нагревание 1 кг воды на 1000 изменяет массу на 5×10-9г, т.е. относительное изменение массы =5×10-12 – за пределами точности.
Кинетическая энергия свободной релятивистской частицы =
=(полная энергия) – (энергия покоя):
;
.
При каких условиях это выражение переходит в классическое?
Разложим в ряд по малому параметру :
,
; .
члены порядка не ниже .
Условно принято считать, что релятивистской поправкой можно пренебрегать, если (1%). Это соответствует
Итоги:
Итак, мы получили 4-мерные векторы динамических переменных:
;
;
.
Получили также пространственно-временные уравнения движения:
(1) - векторное,
(2) - скалярное.
Здесь - мгновенная скорость частицы, - сила, действующая на частицу, - инвариантная масса.
4-мерный вектор энергии-импульса
(Вывод можно пропустить.)
Вспомним запись - компоненты 4-мерного импульса:
, так как , где - полная энергия свободной частицы.
Теперь 4-мерный импульс можно записать в форме:
= , где .
Квадрат 4-мерного импульса является важным инвариантом:
, при этом сравниваются выражения для импульса
(с. 110) и энергии (с. 115), а также (с. 109).
, или
- релятивистский инвариант.
По существу это закон сохранения энергии - импульса, заменивший закон сохранения энергии и закон сохранения импульса.
Заметим, что . Вообще говоря, знак минус перед выражением для полной энергии свободной частицы имеет физический смысл: море частиц с отрицательной полной энергией ненаблюдаемо; вырывая из этого моря одну частицу и переводя ее в состояние с положительной энергией, мы можем наблюдать не только эту частицу, но и оставшееся свободное место – античастицу (модель Дирака).