Релятивістська маса частинки

Рубрика: Середня освіта

У 1905 році Альберт Ейнштейн опублікував свою теорію 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, що рухаються відносно один одного, будь-які процеси протікають дещо по-різному. Конкретно це виражається, наприклад, у збільшенні маси зі збільшенням швидкості. Якщо швидкість руху системи набагато менше швидкості світла (? c = 3 · 10 8 ), то ці зміни практично не будуть помітні, так як вони будуть прагне до нулю. Проте якщо швидкість руху близька до швидкості світла (наприклад, дорівнює однієї десятої від неї), то такі показники, як маса тіла, його довжина і час будь-якого процесу, зміняться. З допомогою наступних формул можливо розрахувати ці значення в рухомій системі відліку, в тому числі - маса релятивістської частинки.

Тут l 0 , m 0 і t 0 - довжина тіла, маса та час процесу в нерухомій системі, а ? - швидкість руху об'єкта. З теорії Ейнштейна, жодне тіло не здатне розвивати швидкість більшу, ніж швидкість світла.

Маса спокою

Питання маси спокою релятивістської частинки виникає саме в теорії відносності, коли маса тіла або частинки 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 Ейнштейна знадобився деякий перегляд використовуваної протягом кількох століть механіки Ньютона, яка вже не могла використовуватися при розгляді систем відліку, що рухаються зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю світла. Тому потрібно змінити всі рівняння динаміки, використовуючи перетворення Лоренца - зміна координат тіла або точки і часу процесу при переході між інерціальними системами відліку. Опис даних перетворень ґрунтується на тому, що в кожній інерціальній системі відліку всі фізичні закони працюють однаково і рівноправно. Таким чином, закони природи ніяким чином не залежать від вибору системи відліку.

З перетворень Лоренца і виражається основний коефіцієнт релятивістської механіки, який описаний вище і названий літерою ?. Сам принцип відповідності досить простий - він говорить про те, що будь-яка нова теорія в якомусь певному окремому випадку буде давати ті ж результати, що і попередня. Конкретно в релятивістській механіці це відбивається тим фактом, що при швидкостях, які багато менше швидкості світла, використовуються закони класичної механіки.

Релятивістська частка

Релятивістської часткою називається частинка, яка рухається зі швидкістю, порівнянною 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 безмассовими, так як в стані спокою їх маса дорівнює нулю, тому це унікальні частинки, які не мають жодного аналогічного варіанту в нерелятивістської, класичної механіки.
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 ультрарелятивистскими. Для опису руху подібних частинок використовується квантова механіка в загальному випадку і квантова теорія поля для більш обширного опису.

Поява

Подібні частинки (і релятивістські, і ультрарелятивистские) природному вигляді існують лише в космічному випромінюванні, тобто випромінювання, джерело якого знаходиться поза Землі, електромагнітної природи. Людиною ж вони штучно створюються в спеціальних прискорювачах - з допомогою них же були знайдені кілька десятків видів частинок, і цей список постійно оновлюється. Подібною установкою є, наприклад, Великий Адронний Коллайдер, який перебуває у Швейцарії. З'являються при ?-розпаді електрони також можуть іноді досягти 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 тіл виникає з-за 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 вагою.

Якщо тіло знаходиться в системі, в якій не відбуваються ніякі процеси і яка є замкнутою, то його маса практично не буде змінюватися (крім дифузійної передачі, яка в твердих тіл відбувається дуже повільно).

Маса складеного тіла складається з мас окремих його частин.

Принципи відносності

Принцип відносності Галілея.

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

Принцип відносності Ейнштейна.

Даний принцип базується на двох постулатах:

Принцип відносності Галілея використовується і в даному випадку. Тобто, в будь ЗІ абсолютно всі закони природи працюють однаково.

Швидкість світла абсолютно завжди і у всіх системах відліку однакова, незалежно від швидкості руху джерела світла та екрана (приймача світла). Для доказу цього факту було проведено низку експериментів, які повністю підтвердили первісну гіпотезу.

Маса релятивістської і в ньютонівській механіці

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

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

Аналогічно теоріям Ньютона, в ізольованій системі маса тіла є постійним, тобто не змінюється з часом. Також не змінюється вона і при переході від однієї З іншою.

Не існує абсолютно ніякої міри інерції рухомого тіла.

Релятивістська маса рухомого тіла не визначається впливом на нього гравітаційними силами.

Якщо маса тіла дорівнює нулю, то воно обов'язково повинне рухатися зі швидкістю світла. Зворотне твердження невірне - швидкості світла можуть досягати не тільки безмассовие частинки.

Повну енергію релятивисткой частинки можливо з допомогою наступного виразу:

Природа маси

До деякого часу в науці вважалося, що маса будь-якої частинки обумовлена електромагнітної природою, однак до теперішнього моменту стало відомо, що таким чином можливо пояснити лише малу її частину - основний внесок вноситься природою сильних взаємодій, що виникають із-за глюонов. Однак цим способом неможливо пояснити масу десятка частинок, природа якої ще не була з'ясована.

Релятивістський збільшення маси

Результат всіх описаних вище теорем і законів можна виразити в досить зрозумілою, хоч і дивовижному процесі. Якщо одне тіло рухається відносно іншого з будь-якою швидкістю, то його параметри тіл, що знаходяться всередині, якщо початкове тіло являє собою систему, що змінюються. Безумовно, на малих швидкостях це практично не помітно, однак даний ефект все одно буде присутній. Можна привести простий приклад - інше закінчення часу рухається зі швидкістю 60 км/год поїзді. Тоді за наступною формулою розраховується коефіцієнт зміни параметрів.