Список релятивистских уравнений - List of relativistic equations

Ниже приводится список часто встречающихся уравнений в теории специальная теория относительности.

Постулаты специальной теории относительности

Чтобы вывести уравнения специальной теории относительности, нужно начать с двух постулатов:

  1. Законы физики инвариантны относительно преобразований между инерциальными системами отсчета. Другими словами, законы физики будут одинаковыми независимо от того, проверяете ли вы их в кадре «в состоянии покоя» или в кадре, движущемся с постоянной скоростью относительно системы «покоя».
  2. Скорость света в вакууме измеряется всеми наблюдателями в инерциальных системах отсчета.

Из этих двух постулатов следует вся специальная теория относительности.

В дальнейшем относительная скорость v между двумя инерциальные системы отсчета полностью ограничивается Икс-направление, Декартова система координат.

Кинематика

Преобразование Лоренца

В специальной теории относительности очень часто используются следующие обозначения:

Фактор Лоренца

где β = и v относительная скорость между двумя инерциальные системы отсчета.

Для двух неподвижных систем отсчета γ = 1 и увеличивается с относительной скоростью между двумя инерциальными системами отсчета. Когда относительная скорость приближается к скорости света, γ → ∞.

Замедление времени (разные времена т и т ' на той же позиции Икс в той же инерциальной системе отсчета)

В этом примере время, измеренное в кадре на транспортном средстве, т, известен как подходящее время. Правильное время между двумя событиями - например, событием, излучаемым на транспортном средстве, и событием, полученным светом на транспортном средстве, - это время между двумя событиями в кадре, где события происходят в одном и том же месте. Итак, выше излучение и прием света происходили в кадре транспортного средства, поэтому время, которое наблюдатель в кадре транспортного средства мог бы измерить, правильное.

Уменьшение длины (разные позиции Икс и Икс' в то же время т в той же инерциальной системе отсчета)

Это формула сокращения длины. Поскольку существовало собственное время для замедления времени, существует подходящая длина для сокращения длины, которая в данном случае . Правильная длина объекта - это длина объекта в кадре, в котором объект находится в состоянии покоя. Кроме того, это сжатие влияет только на размеры объекта, которые параллельны относительной скорости между объектом и наблюдателем. Таким образом, длины, перпендикулярные направлению движения, не подвержены сокращению длины.

Преобразование Лоренца
Сложение скорости

Метрика и четырехвекторы

В дальнейшем полужирный шрифт без засечек используется для 4-векторы в то время как обычный жирный шрифт используется для обычных 3-векторов.

Внутренний продукт (т.е. понятие длина )

где известен как метрический тензор. В специальной теории относительности метрический тензор - это Метрика Минковского:

Пространственно-временной интервал

В приведенном выше описании ds2 известен как интервал пространства-времени. Этот внутренний продукт инвариантен относительно преобразования Лоренца, т. Е.

Знак метрики и размещение ct, ct ', cdt, и cdt ′ сроки могут варьироваться в зависимости от выбора автора. Например, часто временные термины помещаются первыми в четырехвекторах, а затем пространственные термины. Также иногда η заменяется на -η, заставляя пространственные члены давать отрицательные вклады в скалярное произведение или пространственно-временной интервал, тогда как временные члены вносят положительный вклад. Эти различия могут использоваться в любой комбинации при условии, что выбор стандартов полностью соблюдается при выполнении вычислений.

Преобразования Лоренца

Вышеупомянутое преобразование координат можно выразить через матрицу. Чтобы упростить задачу, лучше всего заменить т, t ′, dt, и dt ′ с участием ct, ct ', cdt, и cdt ′, который имеет размерность расстояния. Так:

затем в матричной форме:

Векторы в приведенном выше уравнении преобразования известны как четырехвекторы, в данном случае это, в частности, четырехвекторы положения. В общем, в специальной теории относительности четырехвекторы можно преобразовать из одной системы отсчета в другую следующим образом:

В приведенном выше описании и - четырехвекторный и преобразованный четырехвекторный соответственно, а Λ - матрица преобразования, которая для данного преобразования одинакова для всех четырехвекторов, которые можно преобразовать. Так может быть четырехмерным вектором, представляющим положение, скорость или импульс, и тот же Λ может использоваться при преобразовании между теми же двумя кадрами. Наиболее общее преобразование Лоренца включает ускорения и вращения; компоненты сложные, и преобразование требует спиноры.

4-векторы и инвариантные результаты

И инвариантность, и унификация физических величин возникают из четырехвекторный.[1] Внутреннее произведение 4-вектора на себя равно скаляру (по определению внутреннего произведения), и поскольку 4-векторы являются физическими величинами, их величины также соответствуют физическим величинам.

Свойство / эффект3-вектор4-векторИнвариантный результат
Пространство-время События3 позиции: р = (Икс1, Икс2, Икс3)

4 позиции: Икс = (ct, Икс1, Икс2, Икс3)


τ = подходящее время
χ = правильное расстояние

Импульсно-энергетическая инвариантность

3-импульс: п = (п1, п2, п3)

4-импульс: п = (E / c, п1, п2, п3)

что приводит к:

E = полная энергия
м = инвариантная масса

Скорость3-скоростная: ты = (ты1, ты2, ты3)

4-скоростная: U = (U0, U1, U2, U3)


Ускорение3-разгон: а = (а1, а2, а3)

4-разгон: А = (А0, А1, А2, А3)


Сила3-сила: ж = (ж1, ж2, ж3)

4-сила: F = (F0, F1, F2, F3)


Доплеровский сдвиг

Общий доплеровский сдвиг:

Доплеровский сдвиг для излучателя и наблюдателя, движущихся навстречу друг другу (или прямо в сторону):

Доплеровский сдвиг для излучателя и наблюдателя, движущихся в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей их:

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Динамика и относительность, Дж. Р. Форшоу, А. Г. Смит, Манчестерская физическая серия, John Wiley & Sons, 2009, ISBN  978-0-470-01460-8

Источники

  • Энциклопедия физики (2-е издание), R.G. Лернер, Г.Л. Тригг, издательство VHC, 1991, (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1, (VHC Inc.) 0-89573-752-3
  • Динамика и относительность, Дж. Р. Форшоу, А. Г. Смит, Wiley, 2009 г., ISBN  978-0-470-01460-8
  • Демистифицированная теория относительности, Д. МакМахон, Мак Гроу Хилл (США), 2006 г., ISBN  0-07-145545-0
  • Кембриджский справочник по физическим формулам, Дж. Воан, Издательство Кембриджского университета, 2010 г. ISBN  978-0-521-57507-2.
  • Введение в механику, Д. Клеппнер, Р.Дж. Коленков, Cambridge University Press, 2010 г., ISBN  978-0-521-19821-9