V roku 1905 Albert Einstein publikoval svoju teóriu relativity, ktorá trochu zmenila chápanie vedy o svete okolo nás. Na základe jeho predpokladov bol získaný vzorec pre relativistickú hmotnosť.
Špeciálna relativita
Celá pointa je v tom, že v systémoch, ktoré sa navzájom pohybujú, prebiehajú akékoľvek procesy trochu inak. Konkrétne sa to prejavuje napríklad nárastom hmotnosti s nárastom rýchlosti. Ak je rýchlosť systému oveľa nižšia ako rýchlosť svetla (υ << c=3 108), potom tieto zmeny prakticky nebudú viditeľné, pretože budú mať tendenciu k nule. Ak je však rýchlosť pohybu blízka rýchlosti svetla (napríklad rovná jednej jej desatine), zmenia sa také ukazovatele, ako je telesná hmotnosť, jej dĺžka a čas akéhokoľvek procesu. Pomocou nasledujúcich vzorcov je možné vypočítať tieto hodnoty v pohyblivom referenčnom rámci vrátane hmotnosti relativistickej častice.
Tu l0, m0 a t0 - dĺžka tela, jeho hmotnosť a procesný čas v stacionárnom systéme a υ je rýchlosť objektu.
Podľa Einsteinovej teórie sa žiadne teleso nemôže zrýchliť rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Odpočinková hmota
Otázka pokojovej hmotnosti relativistickej častice vyvstáva práve v teórii relativity, keď sa hmotnosť telesa alebo častice začína meniť v závislosti od rýchlosti. V súlade s tým je pokojová hmotnosť hmotnosťou telesa, ktoré je v okamihu merania v pokoji (bez pohybu), to znamená, že jeho rýchlosť je nulová.
Relativistická hmotnosť telesa je jedným z hlavných parametrov pri popise pohybu.
Princíp zhody
Po príchode Einsteinovej teórie relativity bola potrebná určitá revízia newtonovskej mechaniky používanej po niekoľko storočí, ktorá sa už nedala použiť pri uvažovaní o referenčných systémoch pohybujúcich sa rýchlosťou porovnateľnou s rýchlosťou svetla. Preto bolo potrebné zmeniť všetky rovnice dynamiky pomocou Lorentzových transformácií – zmena súradníc telesa alebo bodu a času procesu pri prechode medzi inerciálnymi vzťažnými sústavami. Opis týchto transformácií je založený na skutočnosti, že v každej inerciálnej vzťažnej sústave všetky fyzikálne zákony fungujú rovnako a rovnako. Prírodné zákony teda v žiadnom prípade nezávisia od výberu referenčného rámca.
Z Lorentzových transformácií je vyjadrený hlavný koeficient relativistickej mechaniky, ktorý je popísaný vyššie a nazýva sa písmenom α.
Samotný princíp korešpondencie je pomerne jednoduchý – hovorí, že každá nová teória v určitom konkrétnom prípade poskytne rovnaké výsledky akopredchádzajúce. Konkrétne v relativistickej mechanike sa to prejavuje tým, že pri rýchlostiach, ktoré sú oveľa menšie ako rýchlosť svetla, sa používajú zákony klasickej mechaniky.
Relativistická častica
Relativistická častica je častica, ktorá sa pohybuje rýchlosťou porovnateľnou s rýchlosťou svetla. Ich pohyb popisuje špeciálna teória relativity. Existuje dokonca skupina častíc, ktorých existencia je možná len pri pohybe rýchlosťou svetla – nazývajú sa častice bez hmotnosti alebo jednoducho bezhmotné, keďže v pokoji je ich hmotnosť nulová, ide teda o jedinečné častice, ktoré nemajú obdobnú možnosť. -relativistická, klasická mechanika.
To znamená, že pokojová hmotnosť relativistickej častice môže byť nula.
Časticu možno nazvať relativistickou, ak jej kinetickú energiu možno porovnať s energiou vyjadrenou nasledujúcim vzorcom.
Tento vzorec určuje podmienku požadovanej rýchlosti.
Energia častice môže byť aj väčšia ako jej pokojová energia – nazývajú sa ultrarelativistické.
Na opísanie pohybu takýchto častíc sa vo všeobecnom prípade používa kvantová mechanika a pre podrobnejší popis kvantová teória poľa.
Vzhľad
Podobné častice (relativistické aj ultrarelativistické) vo svojej prirodzenej forme existujú iba v kozmickom žiarení, teda v žiarení, ktorého zdroj je mimo Zeme, elektromagnetického charakteru. Sú umelo vytvorené človekom.v špeciálnych urýchľovačoch - s ich pomocou sa našlo niekoľko desiatok druhov častíc a tento zoznam sa neustále aktualizuje. Takýmto zariadením je napríklad Veľký hadrónový urýchľovač nachádzajúci sa vo Švajčiarsku.
Elektróny, ktoré sa objavia počas β-rozpadu, môžu tiež niekedy dosiahnuť dostatočnú rýchlosť na to, aby boli klasifikované ako relativistické. Relativistickú hmotnosť elektrónu možno nájsť aj pomocou uvedených vzorcov.
Koncept hmotnosti
Hmotnosť v newtonovskej mechanike má niekoľko povinných vlastností:
- Gravitačná príťažlivosť telies vyplýva z ich hmotnosti, to znamená, že od nej priamo závisí.
- Hmotnosť telesa nezávisí od výberu referenčného systému a nemení sa, keď sa mení.
- Zotrvačnosť telesa sa meria jeho hmotnosťou.
- Ak je teleso v systéme, v ktorom neprebiehajú žiadne procesy a ktorý je uzavretý, potom sa jeho hmotnosť prakticky nemení (okrem difúzneho prenosu, ktorý je pre tuhé látky veľmi pomalý).
- Hmotnosť zloženého telesa sa skladá z hmôt jeho jednotlivých častí.
Princípy relativity
Galileov princíp relativity
Tento princíp bol formulovaný pre nerelativistickú mechaniku a je vyjadrený takto: bez ohľadu na to, či sú systémy v pokoji alebo či vykonávajú nejaký pohyb, všetky procesy v nich prebiehajú rovnako.
Einsteinov princíp relativity
Tento princíp je založený na dvoch postulátoch:
- Galileov princíp relativitysa používa aj v tomto prípade. To znamená, že v akomkoľvek CO fungujú úplne všetky prírodné zákony rovnako.
- Rýchlosť svetla je absolútne vždy a vo všetkých referenčných systémoch rovnaká, bez ohľadu na rýchlosť svetelného zdroja a obrazovky (prijímača svetla). Na preukázanie tejto skutočnosti bolo vykonaných niekoľko experimentov, ktoré úplne potvrdili pôvodný odhad.
Hmotnosť v relativistickej a newtonovskej mechanike
Na rozdiel od newtonovskej mechaniky v relativistickej teórii hmotnosť nemôže byť mierou množstva materiálu. Áno, a samotná relativistická hmotnosť je definovaná nejakým obšírnejším spôsobom, takže je možné vysvetliť napríklad existenciu častíc bez hmotnosti. V relativistickej mechanike sa osobitná pozornosť venuje skôr energii ako hmotnosti – to znamená, že hlavným faktorom, ktorý určuje akékoľvek teleso alebo elementárnu časticu, je jej energia alebo hybnosť. Hybnosť možno nájsť pomocou nasledujúceho vzorca
Kľudová hmotnosť častice je však veľmi dôležitou charakteristikou – jej hodnota je veľmi malé a nestabilné číslo, preto sa k meraniam pristupuje s maximálnou rýchlosťou a presnosťou. Zvyšnú energiu častice možno nájsť pomocou nasledujúceho vzorca
- Podobne ako v Newtonových teóriách, v izolovanom systéme je hmotnosť telesa konštantná, to znamená, že sa nemení s časom. Taktiež sa nemení pri prechode z jedného CO na druhé.
- Neexistuje absolútne žiadna miera zotrvačnostipohybujúce sa telo.
- Relativistická hmotnosť pohybujúceho sa telesa nie je určená vplyvom gravitačných síl naň.
- Ak je hmotnosť telesa nulová, musí sa pohybovať rýchlosťou svetla. Opak nie je pravdou – nielen bezhmotné častice môžu dosiahnuť rýchlosť svetla.
- Celková energia relativistickej častice je možná pomocou nasledujúceho výrazu:
Povaha hmotnosti
Do určitej doby sa vo vede verilo, že hmotnosť akejkoľvek častice je spôsobená elektromagnetickou povahou, ale teraz je známe, že týmto spôsobom je možné vysvetliť iba jej malú časť - hlavnú prispieva povaha silných interakcií vznikajúcich z gluónov. Táto metóda však nedokáže vysvetliť hmotnosť tuctu častíc, ktorých povaha ešte nebola objasnená.
Relativistický nárast hmoty
Výsledok všetkých vyššie opísaných teorémov a zákonov možno vyjadriť pomerne zrozumiteľným, aj keď prekvapivým procesom. Ak sa jedno teleso pohybuje voči druhému akoukoľvek rýchlosťou, potom sa menia jeho parametre a parametre telies vo vnútri, ak je pôvodné teleso systém. Samozrejme, pri nízkych rýchlostiach to prakticky nebude viditeľné, ale tento efekt bude stále prítomný.
Môžeme uviesť jednoduchý príklad – ďalší nedostatok času vo vlaku pohybujúcom sa rýchlosťou 60 km/h. Potom sa podľa nasledujúceho vzorca vypočíta koeficient zmeny parametra.
Tento vzorec bol tiež popísaný vyššie. Nahradením všetkých údajov (pre c ≈ 1 109 km/h) dostaneme nasledujúci výsledok:
Je zrejmé, že zmena je extrémne malá a nemení hodiny tak, aby boli viditeľné.
