Релятивистская механика

Специальная теория относительностивозникла изэлектродинамикии мало чем изменила ее содержание, но зато значительно упростила ее теоретическую конструкцию, т.е. вывод законов и, самое главное, уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе.

С классической механикойдело обстоит несколько иначе. Для того, чтобы согласоваться с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь.

Новая механика, основанная на специальном принципе относительности Эйнштейна, который представляет собой объединение принципа относительности с утверждением о конечности максимальной скорости распространения взаимодействия, получила названиерелятивистской механики.

Основными выводами релятивистской механики являются утверждения о том, что масса тела m,его длинаlи длительность события tзависят от величины отношения скорости телаvк скорости светаcи определяются формулами:

m = m₀ /(1 - v²/c²)^1/2,

l = l₀ (1 -v²/c²)^1/2,

t =t₀ /(1 - v²/c²)^1/2,

где m₀ , l₀ , t₀ – масса тела, его длина и длительность события в системе отсчета, связанной с телом.

Например, если два космических корабля находятся в состоянии относительного движения, то наблюдатель на каждом из кораблей будет видеть другой корабль сократившимся в направлении движения, а космонавтов – похудевшими и передвигающимися замедленно. Все явления с периодическими движениями будут казаться замедленными, - движение маятника, колебание атомов и т.д. При обычных скоростях эти изменения чрезвычайно малы: Земля, которая движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/час, показалась бы наблюдателю, покоящемуся относительно Солнца, сократившейся всего лишь на несколько сантиметров. Когда относительные скорости очень велики, изменения становятся значительными.

В дополнение к изменениям длины и времени, релятивистская механика дает релятивистское изменение массы.

Масса тела, определяемая путем измерения силы, необходимой для сообщения телу данного ускорения, называется инертной массой. Для наблюдателя, находящегося в космическом корабле и покоящегося относительно какого-то предмета инертная масса этого предмета, остается одной и той же независимо от скорости корабляvи называется массой покоя. Инертная масса этого предмета для наблюдателя, находящегося на Земле, называется релятивистской массой и зависит от относительной скорости наблюдателя и объекта наблюдения. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно растет и в пределе приближается к бесконечности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны.

Из релятивистской механики можно вывести закон взаимосвязи массы и энергии, играющий фундаментальную роль в ядерной физике:

E = mc²,

где m –масса тела,E –его энергия.

Экспериментальная проверка основных выводов релятивистской механики используется для обоснования специальной теории относительности Эйнштейна, подтверждаемой ежедневно в лабораториях ученых – атомщиков, работающих с частицами, движущимися со скоростями, близкими к скорости света. Движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере электронов, а затем и других элементарных частиц. Тщательно поставленные эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания специальной теории относительности об увеличении их массы с возрастанием скорости.

При обычных скоростях v << c релятивистская механика переходит в классическую механику Ньютона. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно8 км/с, поправка к массе составит около одной двухмиллиардной ее части. В 1928 г. Английский физик П. Дирак объединил специальную теорию относительности и квантовую механику (механику микрочастиц) врелятивистскую квантовую механику, описывающую движение микрочастиц при скоростях, близких к скорости света.