Импульс, энергия и масса в релятивистской механике

Свойства инвариантной массы, связывающей Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru и Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru соотношением:

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , (1)

или, для 3-х мерного импульса

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , (2)

существенно отличаются от свойств, приписываемых массе в классической механике. Именно, масса покоя не удовлетворяет закону сохранения. Существуют процессы, при которых инвариантная масса частиц до начала процесса не равна массе частиц, сохранившихся после окончания процесса. Наличие массы покоя вообще не является обязательным свойством частиц. Существуют частицы с нулевой массой покоя - фотоны, нейтрино, например. Известно много процессов взаимного превращения частиц, при которых частицы с ненулевой массой покоя переходят в частицы с массой покоя, равной нулю. Конечно, при этом масса покоя не сохраняется.

Тем не менее, масса покоя – очень важная, фундаментальная характеристика частицы. Каждая элементарная частица имеет определённое, не изменяющееся от экземпляра к экземпляру значение массы покоя (включая и нулевое).

Так же, как о массе покоя элементарной частицы, можно говорить и о массе покоя тела, состоящего из множества элементарных частиц. При этом, однако, масса покоя системы частиц не равна сумме масс покоя отдельных частиц.

Из определения энергии частицы и четвертой компоненты импульса видно, что

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . (3)

Это соотношение позволяет связать импульс и энергию в один 4-вектор энергии-импульса

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . (6)

Компоненты Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru преобразуются при переходе из одной ИСО к другой обычным образом, так что при движении, например вдоль оси x, для Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru и E имеем

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru (5)

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . (5а)

Видно, что при преобразованиях Лоренца энергия и компоненты импульса выражаются друг через друга. Квадрат импульса – величина инвариантная:

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru ,

т.е.

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . (6)

Следовательно, Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru - времениподобный вектор.

Рассмотрим случай Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru .Тогда

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . (7)

Второе слагаемое совпадает с кинетической энергией в классической механике. Но, оказывается, даже при Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru энергия частицы вне поля сил

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru (8)

отлична от нуля.

Такое определение энергии может показаться произвольным, поскольку Е можно было бы определить как

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru (9)

Тогда, выбрав Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , получим для энергии выражение, которое при Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru совпадает с энергией частицы в классической механике.

Однако нельзя заранее требовать, чтобы все без исключения величины релятивистской механики при Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru приобретали классический вид. А вот преобразования Лоренца при Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru обязаны совпадать с преобразованиями Галилея. Для этого должно выполняться условие Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , тогда

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru ,

следовательно, действительно нужно положить Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru в (9).

Таким образом, СТО приходит к новому важному выводу: покоящаяся частица обладает энергией Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . Её естественно назвать энергией покоя. Любая частица, имеющая массу покоя Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , обладает в то же время энергией покоя Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . Энергия движущейся частицы равна

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru . (10)

Формулы (8),(10) часто называют формулами Эйнштейна. Они показывают, что всякая частица, обладающая массой Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru ( Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , если Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru ) одновременно имеет энергию Е. При этом Е и Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru пропорциональны друг другу.

Если на частицу не действуют внешние силы, то имеет место закон сохранения энергии

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru ,

и импульса

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru .

Обычно Е называют полной энергией, хотя в неё не включена энергия частицы во внешнем поле. Иногда вводят кинетическую энергию Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , определяя её как энергию движения частицы

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru

Так как Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru , то

Импульс, энергия и масса в релятивистской механике - student2.ru .

Наши рекомендации