През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува своята теория на относителността, която донякъде променя разбирането на науката за света около нас. Въз основа на неговите предположения е получена формулата за релативистичната маса.
Специална теория на относителността
Цялата работа е, че в системите, движещи се една спрямо друга, всички процеси протичат по различен начин. По-конкретно, това се изразява например в увеличаване на масата с увеличаване на скоростта. Ако скоростта на системата е много по-малка от скоростта на светлината (υ << c=3 108), тогава тези промени практически няма да бъдат забележими, тъй като те ще клонят към нула. Въпреки това, ако скоростта на движение е близка до скоростта на светлината (например, равна на една десета от нея), тогава такива показатели като телесна маса, нейната дължина и времето на всеки процес ще се променят. Използвайки следните формули, е възможно да се изчислят тези стойности в движеща се референтна система, включително масата на релативистична частица.
Тук l0, m0 и t0 - дължина на тялото, неговата маса и времето на процеса в стационарна система, а υ е скоростта на обекта.
Според теорията на Айнщайн, никое тяло не може да ускори по-бързо от скоростта на светлината.
Маса на почивка
Въпросът за масата на покой на релативистична частица възниква именно в теорията на относителността, когато масата на тяло или частица започва да се променя в зависимост от скоростта. Съответно масата на покой е масата на тялото, което в момента на измерване е в покой (при липса на движение), тоест скоростта му е нула.
Релативистичната маса на тялото е един от основните параметри при описването на движението.
Принцип на съответствие
След появата на теорията на относителността на Айнщайн се наложи известна ревизия на Нютонова механика, използвана в продължение на няколко века, която вече не може да се използва при разглеждане на референтни системи, движещи се със скорост, сравнима със скоростта на светлината. Следователно беше необходимо да се променят всички уравнения на динамиката с помощта на преобразувания на Лоренц - промяна в координатите на тяло или точка и времето на процеса по време на прехода между инерциалните отправни системи. Описанието на тези трансформации се основава на факта, че във всяка инерционна референтна система всички физически закони работят еднакво и еднакво. По този начин природните закони по никакъв начин не зависят от избора на референтна рамка.
От трансформациите на Лоренц се изразява основният коефициент на релативистичната механика, който е описан по-горе и се нарича буквата α.
Самият принцип на съответствие е доста прост - той казва, че всяка нова теория в някакъв конкретен случай ще даде същите резултати катопредишен. По-конкретно, в релативистичната механика това се отразява от факта, че при скорости, които са много по-малки от скоростта на светлината, се използват законите на класическата механика.
Релативистична частица
Релативистична частица е частица, която се движи със скорост, сравнима със скоростта на светлината. Тяхното движение се описва от специалната теория на относителността. Има дори група частици, чието съществуване е възможно само при движение със скоростта на светлината - те се наричат частици без маса или просто безмасови, тъй като в покой масата им е нула, следователно това са уникални частици, които нямат аналогичен вариант в не -релативистка, класическа механика.
Тоест, масата на покой на релативистична частица може да бъде нула.
Частица може да се нарече релативистична, ако нейната кинетична енергия може да се сравни с енергията, изразена със следната формула.
Тази формула определя необходимото условие за скорост.
Енергията на една частица може също да бъде по-голяма от нейната енергия на покой - те се наричат ултралативистични.
За да се опише движението на такива частици, квантовата механика се използва в общия случай и квантовата теория на полето за по-обширно описание.
Външен вид
Подобни частици (както релативистки, така и ултралативистки) в тяхната естествена форма съществуват само в космическото излъчване, тоест радиация, чийто източник е извън Земята, от електромагнитна природа. Те са изкуствено създадени от човека.в специални ускорители - с тяхна помощ бяха открити няколко десетки вида частици и този списък постоянно се актуализира. Такова съоръжение е например Големият адронен колайдер, разположен в Швейцария.
Електроните, които се появяват по време на β-разпад, понякога могат да достигнат достатъчна скорост, за да ги класифицират като релативистки. Релативистичната маса на електрона може също да бъде намерена с помощта на посочените формули.
Концепцията за маса
Масата в нютонова механика има няколко задължителни свойства:
- Гравитационното привличане на телата възниква от тяхната маса, тоест пряко зависи от нея.
- Масата на тялото не зависи от избора на референтна система и не се променя, когато се промени.
- Инерцията на тялото се измерва с неговата маса.
- Ако тялото е в система, в която не протичат процеси и която е затворена, тогава масата му практически няма да се промени (с изключение на дифузионния трансфер, който е много бавен за твърдите вещества).
- Масата на сложно тяло се състои от масите на отделните му части.
Принципи на относителността
Галилеев принцип на относителността
Този принцип е формулиран за нерелативистката механика и се изразява по следния начин: независимо дали системите са в покой или правят някакво движение, всички процеси в тях протичат по един и същи начин.
Принципът на относителността на Айнщайн
Този принцип се основава на два постулата:
- Принципът на относителността на Галилейсе използва и в този случай. Това означава, че във всеки CO, абсолютно всички закони на природата работят по същия начин.
- Скоростта на светлината е абсолютно винаги и във всички референтни системи една и съща, независимо от скоростта на светлинния източник и екрана (приемника на светлина). За доказване на този факт бяха проведени редица експерименти, които напълно потвърдиха първоначалното предположение.
Маса в релативистката и нютонова механика
За разлика от Нютоновата механика, в релативистката теория масата не може да бъде мярка за количеството материал. Да, и самата релативистка маса е дефинирана по някакъв по-обширен начин, което позволява да се обясни например съществуването на частици без маса. В релативистката механика се обръща специално внимание на енергията, а не на масата – тоест основният фактор, който определя всяко тяло или елементарна частица, е неговата енергия или импулс. Инерцията може да бъде намерена с помощта на следната формула
Въпреки това, масата на покой на една частица е много важна характеристика - нейната стойност е много малко и нестабилно число, така че измерванията се подхождат с максимална скорост и точност. Останалата енергия на частица може да се намери по следната формула
- Подобно на теориите на Нютон, в изолирана система масата на тялото е постоянна, тоест не се променя с времето. Също така не се променя при преминаване от един CO към друг.
- Няма абсолютно никаква мярка за инерциядвижещо се тяло.
- Релативистичната маса на движещо се тяло не се определя от влиянието на гравитационните сили върху него.
- Ако масата на едно тяло е нула, то трябва да се движи със скоростта на светлината. Обратното не е вярно – не само безмасовите частици могат да достигнат скоростта на светлината.
- Общата енергия на релативистична частица е възможна с помощта на следния израз:
Естество на масата
До известно време в науката се смяташе, че масата на всяка частица се дължи на електромагнитната природа, но досега стана известно, че по този начин е възможно да се обясни само малка част от нея - основната приносът е от естеството на силните взаимодействия, произтичащи от глуоните. Този метод обаче не може да обясни масата на дузина частици, чиято природа все още не е изяснена.
Релативистично увеличение на масата
Резултатът от всички теореми и закони, описани по-горе, може да бъде изразен в доста разбираем, макар и изненадващ процес. Ако едно тяло се движи спрямо друго с всякаква скорост, тогава неговите параметри и параметрите на телата вътре, ако първоначалното тяло е система, се променят. Разбира се, при ниски скорости това практически няма да се забележи, но този ефект все още ще присъства.
Може да се даде прост пример - поредното изтичане на времето във влак, движещ се със скорост 60 км/ч. След това, съгласно следната формула, се изчислява коефициентът на промяна на параметрите.
Тази формула също беше описана по-горе. Замествайки всички данни в него (за c ≈ 1 109 km/h), получаваме следния резултат:
Очевидно промяната е изключително малка и не променя часовника по начин, който е забележим.
