Vuonna 1905 Albert Einstein julkaisi suhteellisuusteoriansa, joka muutti jonkin verran tieteen käsitystä ympäröivästä maailmasta. Hänen olettamuksiinsa perustuen saatiin kaava relativistiselle massalle.
Erikoissuhteellisuusteoria
Kokonaisuus on, että järjestelmissä, jotka liikkuvat suhteessa toisiinsa, kaikki prosessit etenevät hieman eri tavalla. Tarkemmin sanottuna tämä ilmaistaan esimerkiksi massan kasvuna nopeuden kasvaessa. Jos järjestelmän nopeus on paljon pienempi kuin valon nopeus (υ << c=3 108), nämä muutokset eivät käytännössä ole havaittavissa, koska ne pyrkivät nollaan. Jos liikkeen nopeus on kuitenkin lähellä valon nopeutta (esimerkiksi yhtä kymmenesosaa siitä), niin sellaiset indikaattorit kuin kehon massa, sen pituus ja minkä tahansa prosessin aika muuttuvat. Seuraavien kaavojen avulla on mahdollista laskea nämä arvot liikkuvassa vertailukehyksessä, mukaan lukien relativistisen hiukkasen massa.
Tässä l0, m0 ja t0 - kehon pituus, sen massa ja prosessiaika kiinteässä järjestelmässä, ja υ on kohteen nopeus.
Einsteinin teorian mukaan mikään keho ei voi kiihtyä valonnopeutta nopeammin.
Lepomassa
Kysymys relativistisen hiukkasen lepomassasta herää juuri suhteellisuusteoriassa, kun kappaleen tai hiukkasen massa alkaa muuttua nopeuden mukaan. Lepomassa on siis kappaleen massa, joka on mittaushetkellä levossa (liikkeen puuttuessa), eli sen nopeus on nolla.
Kehon relativistinen massa on yksi pääparametreista liikkeen kuvaamisessa.
Vaatimustenmukaisuusperiaate
Einsteinin suhteellisuusteorian ilmestymisen jälkeen vaadittiin joitakin vuosisatoja käytetyn newtonilaisen mekaniikka tarkistamista, jota ei voitu enää käyttää tarkasteltaessa vertailujärjestelmiä, jotka liikkuvat valonnopeutta vastaavalla nopeudella. Siksi oli tarpeen muuttaa kaikkia dynamiikan yhtälöitä käyttämällä Lorentz-muunnoksia - muutos kappaleen koordinaateissa tai prosessin pisteessä ja ajassa siirtymisen aikana inertiaalisten viitekehysten välillä. Näiden muunnosten kuvaus perustuu siihen, että jokaisessa inertiaalisessa viitekehyksessä kaikki fysikaaliset lait toimivat tasa-arvoisesti. Siten luonnonlait eivät ole millään tavalla riippuvaisia viitekehyksen valinnasta.
Lorentzin muunnoksista ilmaistaan relativistisen mekaniikan pääkerroin, joka on kuvattu yllä ja jota kutsutaan kirjaimeksi α.
Vastavuusperiaate itsessään on melko yksinkertainen - se sanoo, että mikä tahansa uusi teoria jossain tietyssä tapauksessa antaa samat tulokset kuinEdellinen. Erityisesti relativistisessa mekaniikassa tämä heijastuu siinä tosiasiassa, että nopeuksilla, jotka ovat paljon valonnopeutta pienemmät, käytetään klassisen mekaniikan lakeja.
Relativistinen partikkeli
Relativistinen hiukkanen on hiukkanen, joka liikkuu nopeudella, joka on verrattavissa valonnopeuteen. Niiden liikettä kuvataan erityisellä suhteellisuusteorialla. On jopa ryhmä hiukkasia, joiden olemassaolo on mahdollista vain liikkuessaan valonnopeudella - näitä kutsutaan hiukkasiksi, joilla ei ole massaa tai yksinkertaisesti massattomia, koska levossa niiden massa on nolla, joten nämä ovat ainutlaatuisia hiukkasia, joilla ei ole analogista vaihtoehtoa -relativistinen, klassinen mekaniikka.
Toisin sanoen relativistisen hiukkasen loppumassa voi olla nolla.
Hiukkasta voidaan kutsua relativistiseksi, jos sen kineettistä energiaa voidaan verrata seuraavalla kaavalla ilmaistuun energiaan.
Tämä kaava määrittää vaaditun nopeusehdon.
Hiukkasen energia voi olla myös suurempi kuin sen lepoenergia - näitä kutsutaan ultrarelativistiseksi.
Tällaisten hiukkasten liikkeen kuvaamiseksi kvanttimekaniikkaa käytetään yleisessä tapauksessa ja kvanttikenttäteoriaa laajempaan kuvaukseen.
Ulkonäkö
Samank altaisia hiukkasia (sekä relativistisia että ultrarelativistisia) luonnollisessa muodossaan on vain kosmisessa säteilyssä, eli säteilyssä, jonka lähde on Maan ulkopuolella, luonteeltaan sähkömagneettista. Ne ovat ihmisen keinotekoisesti luomia.erityisissä kiihdyttimissä - niiden avulla löydettiin useita kymmeniä hiukkastyyppejä, ja tätä luetteloa päivitetään jatkuvasti. Tällainen laitos on esimerkiksi Sveitsissä sijaitseva Large Hadron Collider.
β-hajoamisen aikana ilmaantuvat elektronit voivat joskus saavuttaa riittävän nopeuden, jotta ne voidaan luokitella relativistisiksi. Elektronin relativistinen massa voidaan löytää myös annettujen kaavojen avulla.
Massan käsite
Massalla Newtonin mekaniikassa on useita pakollisia ominaisuuksia:
- Kehojen vetovoima syntyy niiden massasta, eli se riippuu suoraan siitä.
- Kehon massa ei riipu vertailujärjestelmän valinnasta, eikä se muutu muuttuessaan.
- Kehon hitaus mitataan sen massalla.
- Jos kappale on järjestelmässä, jossa ei tapahdu prosesseja ja joka on suljettu, sen massa ei käytännössä muutu (lukuun ottamatta diffuusion siirtoa, joka on erittäin hidasta kiinteille aineille).
- Yhdistetyn kappaleen massa muodostuu sen yksittäisten osien massoista.
Suhteellisuusperiaatteet
Galilean suhteellisuusperiaate
Tämä periaate on muotoiltu ei-relativistista mekaniikkaa varten ja ilmaistaan seuraavasti: riippumatta siitä, ovatko järjestelmät levossa tai liikkuvatko ne, kaikki prosessit niissä etenevät samalla tavalla.
Einsteinin suhteellisuusperiaate
Tämä periaate perustuu kahteen oletukseen:
- Galileon suhteellisuusperiaatekäytetään myös tässä tapauksessa. Eli missä tahansa CO:ssa ehdottomasti kaikki luonnonlait toimivat samalla tavalla.
- Valon nopeus on ehdottomasti aina ja kaikissa vertailujärjestelmissä sama, riippumatta valonlähteen ja näytön (valovastaanottimen) nopeudesta. Tämän tosiasian todistamiseksi suoritettiin useita kokeita, jotka vahvistivat alkuperäisen arvauksen täysin.
Massa relativistisessa ja newtonilaisessa mekaniikassa
Toisin kuin Newtonin mekaniikassa, relativistisessa teoriassa massa ei voi olla materiaalin määrän mitta. Kyllä, ja itse relativistinen massa on määritelty jollain laajemmalla tavalla, jolloin voidaan selittää esimerkiksi massattomien hiukkasten olemassaolo. Relativistisessa mekaniikassa kiinnitetään erityistä huomiota energiaan eikä massaan - eli päätekijä, joka määrää minkä tahansa kappaleen tai alkuainehiukkasen, on sen energia tai liikemäärä. Vauhti voidaan löytää seuraavalla kaavalla
Hartikkelin lepomassa on kuitenkin erittäin tärkeä ominaisuus - sen arvo on hyvin pieni ja epävakaa luku, joten mittauksia lähestytään maksiminopeudella ja tarkkuudella. Hiukkasen lepoenergia saadaan seuraavalla kaavalla
- Samana kuin Newtonin teorioissa, eristetyssä järjestelmässä kappaleen massa on vakio, eli se ei muutu ajan myötä. Se ei myöskään muutu siirryttäessä CO:sta toiseen.
- Inertialla ei ole mitään mittaaliikkuva ruumis.
- Liikkuva kappaleen relativistinen massa ei määräydy gravitaatiovoimien vaikutuksesta siihen.
- Jos kappaleen massa on nolla, sen täytyy liikkua valon nopeudella. Päinvastoin ei pidä paikkaansa – eivät vain massattomat hiukkaset voi saavuttaa valonnopeutta.
- Relativistisen hiukkasen kokonaisenergia on mahdollista seuraavalla lausekkeella:
Massan luonne
Tieteessä uskottiin vielä jonkin aikaa, että minkä tahansa hiukkasen massa johtuu sähkömagneettisesta luonteesta, mutta nyt on tullut tiedoksi, että tällä tavalla on mahdollista selittää vain pieni osa siitä - pääasiallinen gluonien aiheuttamien voimakkaiden vuorovaikutusten luonne vaikuttaa siihen. Tällä menetelmällä ei kuitenkaan voida selittää tusinan hiukkasen massaa, joiden luonnetta ei ole vielä selvitetty.
Relativistinen massan kasvu
Kaikkien edellä kuvattujen lauseiden ja lakien tulos voidaan ilmaista melko ymmärrettävällä, vaikkakin yllättävällä prosessilla. Jos yksi kappale liikkuu suhteessa toiseen millä tahansa nopeudella, sen parametrit ja sisällä olevien kappaleiden parametrit muuttuvat, jos alkuperäinen kappale on järjestelmä. Tämä ei tietenkään ole käytännössä havaittavissa pienillä nopeuksilla, mutta tämä vaikutus on silti olemassa.
Voi antaa yksinkertaisen esimerkin - toinen ajaa loppumaan junassa, joka liikkuu 60 km/h nopeudella. Sitten lasketaan parametrin muutoskerroin seuraavan kaavan mukaan.
Tämä kaava kuvattiin myös yllä. Korvaamalla kaikki tiedot siihen (c ≈ 1 109 km/h), saamme seuraavan tuloksen:
Ilmeisesti muutos on erittäin pieni eikä muuta kelloa havaittavalla tavalla.