Релятивистская механика — один из важных и обширных разделов физики, который рассматривает механические процессы в виде законов движения тел и частиц при скоростях, сравнимых со скоростью света.
Рисунок 1. Законы релятивистской механики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Указанное научное направление тщательно описывает взаимосвязь предметов, движущихся на огромных скоростях, а изучение этого же показателя, который значительно меньше скорости света, занимается классическая (ньютоновская) механика.
Значимые для науки законы релятивистской механики представляют собой обобщение второго закона Ньютона и релятивистскую теорию сохранения энергетического потенциала и импульса, которые являются следствием необычного «смешения» временной координаты и пространственных факторов при преобразованиях Лоренца.
Основной закон релятивистской механики
Рисунок 2. Релятивистский закон сложения скоростей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Первый постулат универсальной теории относительности или принцип инертности Эйнштейна требует обязательного сохранения формы фундаментальных постулатов физики во всех существующих инерциальных системах отсчета.
Основной закон классической динамики Ньютона для материальной точки описывается уравнением, где масса $m$ считается абсолютной и одинаковой во всех инерциальных системах отсчета. При переходе от одной концепции отсчета к другой форма записи закона будет кардинально видоизменяться. Следовательно, он не может стать основой релятивистской динамики.
Эйнштейн продемонстрировал, что форма второго учения Ньютона сохраняется, если под общей массой понимать сам коэффициент, который измеряется только в инерциальной системе отсчета с помощью материальной точки и скорости света в пустоте. Правильная формулировка этой теории формально совпадает с аналогичным законом классической механики: скорость изменения импульса физического тела равна силе, которая действует на точку.
Закон взаимосвязи массы и энергии
Рисунок 3. Закон взаимосвязи массы и энергии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В специальной теории относительности сделан важный вывод о взаимосвязи массы и энергии тела в релятивистской механике. Для его понимания необходимо определить кинетическую энергию материальной точки таким же методом, как и в классической физике, то есть как конкретную величину, действие которой равно работе движущейся на точку силы.
Из этого следует, что приращение кинетической энергии материальной среды прямо пропорционально приращению собственной релятивистской массы. Если физический элемент находится в состоянии покоя, то он в любом случае обладает определенной энергией, называемой в физике показателем стабильности.
Выражение и уравнения, которые демонстрируют взаимосвязь энергетического потенциала и массы физического тела, представляют собой математическую запись фундаментального вывода, сделанного Эйнштейном и носящего название данной теории. В новом понимании полная энергия материального вещества равна произведению релятивистской массы на квадрат скорости света в вакууме. В итоге, полная энергия тела на сегодняшний день приравнивается сумме кинетической интенсивности и коэффициента покоя этого объекта.
Заметим, что в полную релятивистскую энергию невозможно ввести потенциальную энергию тела во внешнем силовом поле.
Таким образом, масса физического тела, которая в классической механике представляла собой показатель инертности (во втором законе Ньютона), теперь выполняет роль энергосодержателя исследуемого предмета. Даже покоящаяся материальная точка, согласно гипотезе относительности, обладает энергией.
Преобразования Лоренца
Рисунок 4. Преобразования Лоренца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Подобно тому, как классические представления и теории о времени и пространстве количественно формулируются посредством преобразований Галилея для соответствующих координат, новые релятивистские идеи реализуются с помощью формул Лоренца.
Если имеется инерциальная система отсчёта, тогда координаты любой точки, например, точки $B$ , в этом пространстве будут обозначаться через $х, у, z$, а время через $t$. Другая инерциальная концепция движется с постоянной скоростью относительно первой системы, а оси $y$ и $z$ параллельны конкретным линиям. Это означает что рассмотрение частных и стабильных преобразований предполагает комплексное изучение движущихся в соответствующей системе тел. Начало отсчета времени необходимо выбирать таким образом, чтобы в момент времени $t$, т точки $O$ и $O*$ полностью совпадали.
Различие в течение времени в различных системах отсчёта обусловлено наличием предельной скорости распространения их взаимодействий.
Это означает, что в определенных системах одно событие будет предшествовать другому. Сказанное относится только к тем явлениям, между которыми нет причинной связи.
Принцип относительности в релятивистской механике
В релятивистской механике изобретать различные теории для объяснения отрицательных результатов не стоит, ведь это не поможет обнаружить различие между действующими инерциальными системами. Законом природы в этой области науки выступает полное равноправие всех концепций отсчета в отношении электромагнитных и механических явлений. Нет никакого существенного различия между состоянием покоя и прямолинейного равномерного движения.
Принцип относительности – основной постулат теории Эйнштейна, где все физические процессы протекают одновременно и одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Но теория относительности в релятивистской механике базируется не только на этом принципе, ведь существует еще и второй постулат: скорость света в пустоте одинакова для существующих в той же среде инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости светового сигнала, ни от скорости самого источника.
Основные следствия, которые вытекают из постулатов теории относительности, заключаются в следующем:
- относительность расстояний между действующими объектами;
- относительность промежутков времени;
- замедления времени в движущихся системах отсчета.
Таким образом, скорость света занимает центральное положение. Более того, как вытекает из закономерностей гипотезы относительности, световая скорость в вакууме считается максимально вероятной скоростью передачи взаимодействия в природе.
Для того чтобы грамотно сформулировать постулаты указанной теории, ученым нужна была большая научная мысль, которая смогла бы противостоять классическим представлениям о времени и пространстве.
