Релятивистская энергия и импульс
В специальной теории относительности энергия и импульс объединяются в единый четырёхвектор, инвариантная длина которого равна массе покоя, что даёт знаменитое соотношение E = mc^2 и сохраняющуюся величину для всех высокоскоростных процессов.
Definition
Релятивистские энергия и импульс — это временная и пространственные компоненты четырёхвектора энергии-импульса p = (E/c, p), чья сохраняющаяся сумма управляет динамикой частиц и чья инвариантная величина равна массе покоя, умноженной на c.
Scope
Эта тема охватывает релятивистские определения импульса и энергии, четырёхвектор энергии-импульса, инвариантное соотношение E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2, энергию покоя и эквивалентность массы и энергии, поведение безмассовых частиц, таких как фотоны, и сохранение четырёхимпульса при столкновениях, распадах и реакциях.
Core questions
- Как должны быть переопределены импульс и энергия, чтобы законы сохранения выполнялись в любой инерциальной системе отсчёта?
- Что означает E = mc^2 для покоящегося тела и как энергия добавляется к массе?
- Как безмассовые частицы, такие как фотоны, могут переносить импульс и энергию?
Key concepts
- Релятивистский импульс
- Энергия покоя и масса покоя
- Четырёхвектор энергии-импульса
- Инвариант E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2
- Безмассовые частицы
- Сохранение четырёхимпульса
Key theories
- Четырёхвектор энергии-импульса
- Энергия и импульс являются компонентами единого четырёхвектора, который преобразуется преобразованиями Лоренца, так что полный четырёхимпульс сохраняется во всех системах отсчёта, а его инвариантная величина равна массе покоя.
- Эквивалентность массы и энергии
- Покоящееся тело обладает энергией покоя E = mc^2, и любое изменение его внутренней энергии соответствующим образом изменяет его массу, так что масса является формой энергии, и они взаимопревращаемы в ядерных и частичных процессах.
Clinical relevance
Эквивалентность массы и энергии лежит в основе выделения энергии при ядерном делении и синтезе, создании и аннигиляции пар частица-античастица в коллайдерах и при ПЭТ-визуализации, а также в учёте энергии связи, объясняющем, почему светят звёзды и почему некоторые ядра стабильны.
History
В короткой последующей статье Эйнштейна 1905 года было выведено, что тело, излучающее энергию, теряет массу, что привело к эквивалентности массы и энергии; это соотношение было уточнено Планком и другими и окончательно подтверждено ядерной физикой в 1930-х годах, где измеренные энергии связи соответствовали дефектам массы.
Key figures
- Albert Einstein
- Max Planck
- Gilbert N. Lewis
Related topics
Seminal works
- einstein1905b
- rindler2006
Frequently asked questions
- Увеличивается ли масса объекта при ускорении?
- Современное использование сохраняет массу как инвариантную массу покоя и приписывает рост инерции на высоких скоростях возрастающей релятивистской энергии и импульсу; более старый язык «релятивистской массы» описывает ту же физику, но в настоящее время обычно избегается.
- Как фотон может иметь импульс, если у него нет массы?
- Инвариантное соотношение E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2 для безмассовой частицы сводится к E = pc, поэтому фотон несёт импульс, пропорциональный его энергии, что делает возможным радиационное давление и комптоновское рассеяние.