Правильная скорость - Proper velocity

Не путать с правильное движение.

Бревенчатый график из γ (синий), v/c (голубой) и η (желтый) в зависимости от собственной скорости ш/c (т.е. импульс п/MC). Обратите внимание, что ш/c отслеживается v/c на малых скоростях и по γ на высоких скоростях. Пунктирная красная кривая γ − 1 (кинетическая энергия K/MC²), а пунктирная пурпурная кривая - это релятивистский доплеровский фактор.

В относительность, собственная скорость, также известный как быстрота, является альтернативой скорость для измерения движения. В то время как скорость относительно наблюдателя - это расстояние в единицу времени, где и расстояние, и время измеряются наблюдателем, собственная скорость относительно наблюдателя делит измеренное наблюдателем расстояние на время, прошедшее на часах движущегося объекта. Собственная скорость почти равна скорости на малых скоростях. Более того, собственная скорость на высоких скоростях сохраняет многие свойства, которые скорость теряет в теории относительности по сравнению с теорией Ньютона.

Например, собственная скорость равна импульс на единицу масса на любой скорости, поэтому не имеет верхнего предела. На высоких скоростях, как показано на рисунке справа, она также пропорциональна энергии объекта.

Правильная скорость ш можно определить через две производные от координатной скорости v и Фактор Лоренца γ:

${displaystyle { extbf {w}}={frac {d{ extbf {x}}}{d au }}={frac {d{ extbf {x}}}{dt}}{frac {dt}{d au }}={ extbf {v}},gamma (v)}$

Связывание со схемой именования для правильной скорости, τ упоминается как подходящее время и т в качестве координировать время или «время на карте».

Для однонаправленного движения каждый из них также просто связан с гиперболическим углом скорости движущегося объекта или быстрота η к

${displaystyle eta =sinh ^{-1}{frac {w}{c}}= anh ^{-1}{frac {v}{c}}=pm cosh ^{-1}gamma }$.

Вступление

В плоском пространстве-времени собственная скорость - это соотношение между пройденным расстоянием относительно кадра справочной карты (используется для определения одновременности) и подходящее время τ прошло на часах движущегося объекта. Он равен импульсу объекта п делится на его массу покоя м, и состоит из пространственно-подобных компонентов объекта четырехвекторный скорость. Уильям Шурклифф монография^[1] упомянул его раннее использование в тексте Sears и Brehme.^[2] Фраундорф исследовал его педагогическую ценность^[3] а Унгар,^[4] Бейлис^[5] и Hestenes^[6] изучили его актуальность из теория групп и геометрическая алгебра перспективы. Правильная скорость иногда называется быстротой.^[7]

Крейсер выпадает из гиперпространства ...

В отличие от более знакомой координатной скорости v, собственная скорость не синхронна^[1] (не требует синхронизированных часов) и полезен для описания как супер-релятивистского, так и суб-релятивистского движения. Подобно координатной скорости и в отличие от четырехвекторной скорости, она находится в трехмерном срезе пространства-времени, определяемом фреймом карты. Как показано ниже и на рисунке справа, собственные скорости даже складываются как три вектора с изменением масштаба компонента вне кадра. Это делает их более полезными для картографических (например, инженерных) приложений и менее полезными для получения информации без координат. Правильная скорость, разделенная на скорость света c это гиперболический синус быстроты η, так же как фактор Лоренца γ - гиперболический косинус скорости, а координатная скорость v сверх скорости света - это гиперболический тангенс скорости.

Представьте себе объект, путешествующий через область пространства-времени, локально описываемую Герман Минковски метрическое уравнение плоского пространства (CDτ)² = (CDт)² − (dИкс)². Здесь рамка эталонной карты мер и синхронизированных часов определяет положение карты. Икс и время на карте т соответственно, а d предшествование координате означает бесконечно малое изменение. Небольшая манипуляция позволяет показать правильную скорость ш = dИкс/dτ = γv где, как обычно, координатная скорость v = dИкс/dt. Таким образом конечный ш гарантирует, что v меньше скорости света c. Группируя γ с v в выражении для релятивистского импульса п, собственная скорость также расширяет ньютоновскую форму импульса как массу, умноженную на скорость, до высоких скоростей без необходимости релятивистская масса.^[8]

Формула правильного сложения скорости

Формула сложения собственных скоростей:^[9][10][11]

${displaystyle mathbf {u} oplus mathbf {v} =mathbf {u} +mathbf {v} +left{{frac {eta _{mathbf {u} }}{1+eta _{mathbf {u} }}}{frac {mathbf {u} cdot mathbf {v} }{c^{2}}}+{frac {1-eta _{mathbf {v} }}{eta _{mathbf {v} }}}ight}mathbf {u} }$

куда ${displaystyle eta _{mathbf {w} }}$ бета-фактор, определяемый ${displaystyle eta _{mathbf {w} }={frac {1}{sqrt {1+{frac {|mathbf {w} |^{2}}{c^{2}}}}}}}$.

Эта формула обеспечивает правильную скорость гировекторное пространство модель гиперболическая геометрия который использует все пространство по сравнению с другими моделями гиперболической геометрии, в которых используются диски или полуплоскости.

Поэтому в физических обозначениях локальные собственные скорости ш ≡ гИкс/ dτ сложить как 3-векторы^[12] очень похоже на координатные скорости на низкой скорости, при условии, что мы изменяем масштаб вектора "вне кадра". Другими словами:

${displaystyle {vec {w}}_{ ext{AC}}=left({vec {w}}_{ ext{AB}}ight)_{ ext{C}}+{vec {w}}_{ ext{BC}}=gamma _{ ext{AC}}{vec {v}}_{ ext{AC}}}$,

где лоренц-фактор γ = 1 / β, а величина w_AB масштабируется в кадр C в соответствии с:

${displaystyle left({vec {w}}_{ ext{AB}}ight)_{ ext{C}}equiv left({frac {{vec {w}}_{ ext{AB}}cdot {vec {w}}_{ ext{BC}}}{(1+gamma _{ ext{AB}})c^{2}}}+gamma _{ ext{BC}}ight){vec {w}}_{ ext{AB}}}$.

В однонаправленном случае это становится коммутативным и упрощается до произведения фактора Лоренца, умноженного на сумму координатных скоростей, например к ш_AC = γ_ABγ_{до н.э}(v_AB + v_{до н.э}), как описано в разделе приложения ниже.

Связь с другими параметрами скорости

Таблица скорости

В таблице ниже показано, как правильная скорость ш = c или «один картографический световой год на каждого путешественника в год» - естественный ориентир для перехода от субрелятивистского к сверхрелятивистскому движению.

Сравнение контрольных значений, несколько близких к релятивистскому изменению наклона KE в зависимости от импульса.

Состояние / параметр	Координатная скорость v dx / dt в единицах c	Угол скорости η в я-радианы	Правильная скорость ш dx/dτ в единицах c	Фактор Лоренца γ dt/dτ = E/MC^2
Путешественник остановился во фрейме карты ⇔ 1 карта-год / год путешественника	0	0	0	1
Импульс = ½MC ⇔ 0,5 карта-световой год / год путешественника	1/√5 ≅ 0.447	ln [(1 + √5)/2] ≅ 0.481	½	√5/2 ≅ 1.118
Скорость 0,5 гиперболического радиана	(е − 1)/(е + 1) ≅ 0.462	½	½(√е − 1/√е) ≅ 0.521	½(√е + 1/√е) ≅ 1.128
Координатная скорость = ½c ⇔ 0,5 карта-световой год / карта-год	½	½ln [3] ≅ 0,549	1/√3 ≅ 0.577	2/√3 ≅ 1.155
Импульс = mc ⇔ 1 карта-световой год / год путешественника	1/√2 ≅ 0.707	ln [1 + √2] ≅ 0.881	1	√2 ≅ 1.414
Скорость 1 гиперболический радиан	(е^2 − 1)/(е^2 + 1) ≅ 0.761	1	½(е − 1/е) ≅ 1.175	½(е + 1/е) ≅ 1.543
Кинетическая энергия = mc^2 ⇔ 2 карты года / год путешественника	√3/2 ≅ 0.866	ln [√3 + 2] ≅ 1.317	√3 ≅ 1.732	2
Импульс = 2mc ⇔ 2 световых года карты / год путешественника	2/√5 ≅ 0.894	ln [2+ √5] ≅ 1.444	2	√5 ≅ 2.236
Скорость 2 гиперболических радиана	(е^4−1)/(е^4+1) ≅ 0.964	2	½(е^2 − 1/е^2) ≅ 3.627	½(е^2 + 1/е^2) ≅ 3.762
Координатная скорость = c ⇔ 1 карта-световой год / карта-год	1	∞	∞	∞

Отметим сверху, что угол скорости η и собственная скорость ш бегать от 0 до бесконечности и отслеживать координату-скорость, когда ш << c. С другой стороны, когда ш >> c, собственная скорость отслеживает фактор Лоренца, в то время как угол скорости логарифмический и, следовательно, увеличивается гораздо медленнее.

Уравнения взаимного преобразования

Следующие уравнения преобразуют четыре альтернативных показателя скорости (или однонаправленной скорости), которые вытекают из метрического уравнения Минковского для плоского пространства:

${displaystyle (cdelta au )^{2}=(cdelta t)^{2}-(delta x)^{2}.,}$.

Фактор Лоренца γ: энергия над mc² ≥ 1

${displaystyle gamma equiv {frac {dt}{d au }}={sqrt {1+left({frac {w}{c}}ight)^{2}}}={frac {1}{sqrt {1-({frac {v}{c}})^{2}}}}=cosh(eta )equiv {frac {e^{eta }+e^{-eta }}{2}}}$

Правильная скорость ш: импульс на единицу массы

${displaystyle {frac {w}{c}}equiv {frac {1}{c}}{frac {dx}{d au }}={frac {v}{c}}{frac {1}{sqrt {1-({frac {v}{c}})^{2}}}}=sinh(eta )equiv {frac {e^{eta }-e^{-eta }}{2}}=pm {sqrt {gamma ^{2}-1}}}$

Координатная скорость: v ≤ c

${displaystyle {frac {v}{c}}equiv {frac {1}{c}}{frac {dx}{dt}}={frac {w}{c}}{frac {1}{sqrt {1+({frac {w}{c}})^{2}}}}= anh(eta )equiv {frac {e^{2eta }-1}{e^{2eta }+1}}=pm {sqrt {1-left({frac {1}{gamma }}ight)^{2}}}}$

Гиперболический угол скорости или быстрота

${displaystyle eta =sinh ^{-1}left({frac {w}{c}}ight)= anh ^{-1}left({frac {v}{c}}ight)=pm cosh ^{-1}left(gamma ight)}$

или в логарифмах:

${displaystyle eta =ln left({frac {w}{c}}+{sqrt {left({frac {w}{c}}ight)^{2}+1}}ight)={frac {1}{2}}ln left({frac {1+{frac {v}{c}}}{1-{frac {v}{c}}}}ight)=pm ln left(gamma +{sqrt {gamma ^{2}-1}}ight)}$.

Приложения

Сравнение скоростей на высокой скорости

Однонаправленное сложение скорости: правильная сумма кривых.

Правильная скорость полезна для сравнения скорости объектов с импульсом на единицу массы покоя (ш) больше скорости света c. Координатная скорость таких объектов обычно близка к скорости света, тогда как собственная скорость говорит нам, насколько быстро они покрывают землю на часы на путешествующих объектах. Это важно, например, если, подобно некоторым частицам космических лучей, летящие объекты имеют конечное время жизни. Собственная скорость также указывает нам на импульс объекта, который не имеет верхней границы.

Например, электрон 45 ГэВ, ускоренный Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) в Церне в 1989 г. имел бы фактор Лоренца γ около 88 000 (45 ГэВ, деленное на массу покоя электрона 511 кэВ). Его координатная скорость v было бы примерно на шестьдесят четыре триллионных меньше скорости света c при 1 световой секунде на карта второй. С другой стороны, его правильная скорость была бы ш = γv ~ 88000 световых секунд на путешественник второй. Для сравнения координатная скорость электрона 250 ГэВ в предложенном Международный линейный коллайдер^[13] (ILC) останется рядом c, в то время как его собственная скорость значительно увеличится до ~ 489 000 световых секунд на секунду путешественника.

Правильная скорость также полезна для сравнения относительных скоростей вдоль линии на высокой скорости. В этом случае

${displaystyle {frac {p_{AC}}{m_{1}}}=w_{AC}=gamma _{AC}v_{AC}=gamma _{AB}gamma _{BC}left(v_{AB}+v_{BC}ight)=gamma _{AB}w_{BC}+w_{AB}gamma _{BC},}$

где A, B и C относятся к различным объектам или системам отсчета.^[14] Например, ш_AC относится к правильной скорости объекта A относительно объекта C. Таким образом, при вычислении относительной правильной скорости, Факторы Лоренца умножаются при сложении координатных скоростей.

Следовательно, каждый из двух электронов (A и C) при лобовом столкновении при 45 ГэВ в лабораторной системе (B) будет видеть, как другой приближается к ним со скоростью v_AC ~ c и ш_AC = 88,000²(1 + 1) ~ 1.55×10¹⁰ световых секунд на секунду путешественника. Таким образом, с точки зрения цели, коллайдеры могут исследовать столкновения с гораздо более высокой энергией и импульсом снаряда на единицу массы.

Правильные дисперсионные соотношения на основе скорости

Сюжеты (γ − 1)c² × масса, в зависимости от собственной скорости × массы для диапазона значений массы по обеим осям.

Графика »(γ - 1) в зависимости от собственной скорости "после умножения первого на MC² а последний по массе м, для различных значений м дает семейство кривых зависимости кинетической энергии от импульса, которое включает в себя большинство движущихся объектов, встречающихся в повседневной жизни. Такие графики можно, например, использовать, чтобы показать, где скорость света, постоянная Планка и энергия Больцмана kT фигура в.

Чтобы проиллюстрировать, на рисунке справа с осями log-log показаны объекты с одинаковой кинетической энергией (связанные по горизонтали), которые несут разное количество импульса, а также то, как скорость объекта с малой массой сравнивается (путем вертикальной экстраполяции) со скоростью скорость после совершенно неупругого столкновения с большим неподвижным объектом. Линии с большим уклоном (подъем / ход = 2) обозначают контуры постоянной массы, а линии единичного уклона обозначают контуры постоянной скорости.

Объекты, которые хорошо вписываются в этот сюжет, - это люди, управляющие автомобилями, частицы пыли Броуновское движение, космический корабль на орбите вокруг Солнца, молекулы при комнатной температуре, истребитель на скорости 3 Маха, одна радиоволна фотон, человек движется со скоростью один световой год на год путешественника, пульс 1,8 мегаджоуля лазер, электрон с энергией 250 ГэВ и наша наблюдаемая Вселенная с кинетической энергией абсолютно черного тела, ожидаемой от одиночной частицы при 3 градусах Кельвина.

Однонаправленное ускорение за счет собственной скорости

Правильное ускорение на любой скорости это физическое ускорение, испытываемое объектом локально. В пространстве-времени это трехвекторное ускорение по отношению к мгновенно изменяющейся свободно плавающей рамке объекта.^[15] Его величина α - инвариантная к кадру величина величины этого объекта. четырехскоростной. Правильное ускорение также полезно с точки зрения (или среза пространства-времени) внешних наблюдателей. Наблюдатели во всех кадрах могут не только согласиться с ее величиной, но и измерить степень, в которой у ускоряющейся ракеты «педаль до металла».

В однонаправленном случае, т.е. когда ускорение объекта параллельно или антипараллельно его скорости в пространственно-временном срезе наблюдателя, изменение собственной скорости является интегралом собственного ускорения по времени карты т.е. Δш = αΔт для постоянного α. На малых скоростях это сводится к хорошо известной связи между координатной скоростью и координатой ускорение время карта времени, т.е. Δv = аΔт. Для постоянного однонаправленного надлежащего ускорения аналогичные отношения существуют между скоростью η и прошедшее собственное время Δτ, а также между фактором Лоренца γ и пройденное расстояние ΔИкс. Чтобы быть конкретным:

${displaystyle alpha ={frac {Delta w}{Delta t}}=c{frac {Delta eta }{Delta au }}=c^{2}{frac {Delta gamma }{Delta x}}}$,

где, как отмечалось выше, различные параметры скорости связаны соотношением

${displaystyle eta =sinh ^{-1}left({frac {w}{c}}ight)= anh ^{-1}left({frac {v}{c}}ight)=pm cosh ^{-1}left(gamma ight)}$.

Эти уравнения описывают некоторые последствия ускоренного движения на высокой скорости. Например, представьте космический корабль, который может разгонять своих пассажиров на 1 г (или 1,03 светового года / год²) на полпути к месту назначения, а затем замедлите их на 1 g в течение оставшейся половины, чтобы создать земную искусственную гравитацию из точки A в точку B за кратчайшее время. Для расстояния по карте Δx_AB, первое уравнение выше предсказывает фактор Лоренца в средней точке (по сравнению с его единичным значением покоя) γ_{середина}= 1 + α (Δx_AB/ 2) / c². Следовательно, время обхода на часах путешественника будет Δτ = 4 (c / α) ch⁻¹[γ_{середина}], в течение которого время, прошедшее на часах карты, будет Δt = 4 (c / α) sinh [ch⁻¹[γ_{середина}]].

График параметров скорости и времени на горизонтальной оси в зависимости от положения на вертикальной оси для ускоренного двойного туда и обратно к месту назначения с Δx_AB= 10c²/ α ~ 10 световых лет, если α ~ 9,8 м / с².

Этот воображаемый космический корабль может совершать поездки туда и обратно Проксима Центавра длительностью около 7,1 лет путешественника (~ 12 лет по земным часам), поездки туда и обратно к Млечный Путь центральный черная дыра около 40 лет (~ 54000 лет прошло по земным часам), и туда и обратно Галактика Андромеды продолжительностью около 57 лет (более 5 миллионов лет по земным часам). К сожалению, хотя ускорение ракеты в 1 g может быть легко достигнуто, оно не может поддерживаться в течение длительного периода времени.^[16]

Смотрите также

• Кинематика: для изучения того, как позиция меняется со временем
• Фактор Лоренца: γ = dt/dτ или кинетическая энергия более MC²
• Быстрота: угол гиперболической скорости в мнимых радианах
• Четырехскоростной: сочетание путешествия во времени и пространстве
• Равномерное ускорение: фиксированное ускорение координат
• Координаты Гуллстранда – Пенлеве: свободно плавающие кадры в искривленном пространстве-времени.

Примечания и ссылки

1. Уильям Шурклифф (1996) Специальная теория относительности: основные идеи (19 Appleton St, Cambridge MA 02138)
2. Фрэнсис У. Сирс и Роберт У. Брем (1968) Введение в теорию относительности (Аддисон-Уэсли, Нью-Йорк) LCCN 680019344, раздел 7–3
3. П. Фраундорф (1996) «Двухчасовой подход к преподаванию теории относительности во вводной физике» (arXiv:физика / 9611011 )
4. А. А. Унгар (2006 г.) »Группа преобразований релятивистской собственной скорости ", Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма 60, 85–94.
5. У. Э. Бейлис (1996) Клиффордовы (геометрические) алгебры с приложениями к физике (Спрингер, Нью-Йорк) ISBN  0-8176-3868-7
6. Д. Хестенес (2003) "Физика пространства-времени с геометрической алгеброй ", Являюсь. J. Phys. 71, 691–714
7. Бернард Янцевич (1988) Мультивекторы и алгебра Клиффорда в электродинамике (World Scientific, Нью-Йорк) ISBN  9971-5-0290-9
8. Г. Оас (2005) «Об использовании релятивистской массы в различных опубликованных работах» (arXiv: физика / 0504111 )
9. Прецессия Томаса: лежащие в основе аксиомы гирогрупп и их использование в гиперболической геометрии и релятивистской физике, Абрахам А. Унгар, Основы физики, т. 27, No. 6, 1997 г.
10. Аналитическая гиперболическая геометрия и специальная теория относительности Альберта Эйнштейна, Абрахам А. Унгар, World Scientific, 2008 г., ISBN  978-981-277-229-9
11. Унгар, А. А. (2006), "Релятивистская группа преобразований собственных скоростей", Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма, ПИЕР 60, pp. 85–94, уравнение (12)
12. П. Фраундорф (2011/2012) «Сюрпризы, ориентированные прежде всего на метрику и энтропию», arXiv: 1106.4698 [Physics.gen-ph].
13. Б. Бариш, Н. Уокер и Х. Ямамото "Создание коллайдера следующего поколения " Scientific American (Февраль 2008 г.) 54–59
14. Этот правило сложения скорости легко получается из быстроты α и β, так как sinh (α + β) = cosh α шиш β (танх α + танх β).
15. Эдвин Ф. Тейлор и Джон Арчибальд Уиллер (1966, только 1-е изд.) Физика пространства-времени (W.H. Freeman, Сан-Франциско) ISBN  0-7167-0336-X, Глава 1 Упражнение 51 стр. 97–98: «Парадокс часов III»
16. Калле, Карлос I. (2009). Суперструны и другие вещи: руководство по физике (2-е изд. Перераб.). CRC Press. п. 365. ISBN  978-1-4398-1074-3. Выписка со страницы 365

внешняя ссылка

• Выдержки из первого издания Физика пространства-времени, и другие ресурсы, опубликованные Эдвином Ф. Тейлором