Все законы и теории классической механики справедливы для материальных тел, движущихся со скоростями, которые значительно меньше скорости света в самом вакууме.
Релятивистская механика – это обширный раздел физики, в который превращаются учения Ньютона в случае, если тело движется со скоростью, близкой к скорости света.
Рисунок 1. Релятивистский закон сложения скоростей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
На таких сверхвысоких скоростях с элементами начинают происходить невероятные и совершенно неожиданные вещи такие как релятивистское спонтанное сокращение длины или замедление временного пространства.
В пределах релятивистской механики часто меняются формулировки определенных физических величин. Полная энергия тела в данной научной области равна $E = \frac { mc^2}{1-b^2}$ Данная формула демонстрирует общую массу, которая является мерой полной энергии физического тела, а также иллюстрирует принципиальную вероятность перехода энергии вещества в коэффициент излучения.
Релятивистские эффекты
Рисунок 2. Релятивистские эффекты. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Из преобразований Лоренца логически вытекают релятивистский эффект сокращения длины и замедления времени.
Этот удивительный и кажущийся нереальным эффект заключается в том, что при огромных скоростях время течет с различной скоростью, которую предугадать практически невозможно. И чем выше скорость предмета, тем медленнее течёт в нём время.
Количественное значение замедления временного пространства возможно получить из преобразований Лоренца: $∆t=\frac {∆t_0}{(1-V) ^2 c^2 } $ , где $∆t$ — проходящее между двумя событиями время, за которым следит некий неподвижный объект, $∆t_0$ — время, наблюдаемое между двумя движущимися предметами с точки зрения наблюдателя, находящегося в постоянном движении, $v$ — относительная скорость движения тела, $c$ — показатель света в вакууме.
Из формулы видно, что $∆t_0 > ∆t$. То есть, время начинает двигаться медленнее для наблюдателя, который находятся в состоянии покоя.
Очень наглядно эффект замедления временного пространства можно наблюдать в космических полетах, где движение осуществляется с релятивистскими скоростями. Ведь время на борту такого летательного аппарата течёт медленнее, чем на планете. Так, если космический корабль будет двигаться со скоростью, равной примерно 0,95 скорости света, его полет будет длиться 13 земных лет, однако на самом деле по часам на самом шаттле пройдет всего 7,3 года. А если корабль будет в полёте 54 года по собственному времени, то на Земле за это время пробежит уже почти 5 млн. лет. Скорее всего, ход всех процессов, а не только часов, в полете будет замедленным. Это замедление называют в науке релятивистским сокращением длины движущегося физического тела.
Длина любого предмета в релятивистской механике напрямую зависит от скорости. Этот эффект характеризуется тем, что для наблюдателя, находящегося в состоянии покой, все движущиеся относительно него объекты имеют меньшую длину, чем в действительности. И чем выше скорость движения предмета, тем меньшим он кажется.
Постулаты релятивистской механики
В основе релятивистской механики лежат два основных постулата:
- Принцип общей относительности движения физических тел, который предполагает равноправие всех инерциальных концепций отсчета. Любая система отсчета, которая движется относительно инерциальным принципам равномерно и прямолинейно начинает становиться инерциальной системой отсчета. Движение с постоянной по направлению и модулю скоростью называется прямолинейным движением. Таким образом, общность всех методов означает, что во всех законах физики эти системы будут одинаковы. Это утверждение называется в физике релятивистской инвариантностью.
- Принцип стабильности скорости света в вакууме, который принято обозначать буквой $c$ ($c = 300000 км/с$). Эта закономерность означает, что световая скорость в пустоте не зависит от движения самого источника света. Форсирование физических процессов является максимальной вероятностью для дальнейшего распространения материальных взаимодействий.
Иными словами, первый постулат подразумевает, что, будучи в закрытой кабине и производя длительные наблюдения над электрическими и магнитными явлениями, невозможно сразу установить, покоится объект или осуществляет движение прямолинейно.
Тем самым определяется относительность определений «стабильность» и «равномерное движение».
Используя эти два принципа, Эйнштейн смог создать новые математические преобразования Лоренца, наполнив их физическим смыслом. Таким образом, временной промежуток между двумя несвязанными между собой событиями непосредственно зависит от системы отсчета, то есть является относительным.
Основные положения релятивистской кинематики
Релятивистская кинематика - это универсальная теория относительности, которая основывается на двух постулатах: принцип инвариантности Эйнштейна и учения о постоянстве скорости света.
Данное направление в науке имеет собственные положения, которые заключаются в следующем:
- относительность одновременности – два события, находящиеся в разных системах, являются одновременными, если они имеет место быть в один и тот же момент времени;
- длина движущегося тела - в некоторой системе отсчета определяет расстояние между двумя основными точками координат, с которыми совпадают начало и конец тела в одно и то же временное пространство;
- собственное время - интервал времени между определенными событиями, которые произошли в одной и той же точке собственной системы начального отсчета, тесно связанной с движущимся со скоростью объектом;
- преобразование скоростей - устанавливает связь между проекциями скорости точки в двух произвольных зонах отсчета.
Можно утверждать, что интервал между двумя определенными событиями является инвариантом относительно преобразований Лоренца. В релятивистской механике кинетическую энергию элементарной частицы возможно представить, как разность полной энергии и энергии покоя.
На сегодняшний день релятивистская механика во многом стала инженерной наукой, с помощью которой экспертам удается анализировать и предотвращать возможное столкновение элементарных частиц, а также определять взаимодействие веществ и вообще всех физических процессов со скоростями, близкими к световой. Все современные и мощные ускорители заряженных элементов планируются и рассчитываются исключительно на основе релятивистской механики.
