Jump to content

Связь энергии и импульса

В физике соотношение энергии -импульса , или релятивистское дисперсионное соотношение , представляет собой релятивистское уравнение, связывающее полную энергию (которую также называют релятивистской энергией ) с инвариантной массой (которая также называется массой покоя) и импульсом . Это расширение эквивалентности массы и энергии для тел или систем с ненулевым импульсом. Его можно записать в виде следующего уравнения:

( 1 )

Это уравнение справедливо для тела или системы , например одной или нескольких частиц , с полной энергией E , инвариантной массой m 0 и импульсом величины p ; константа c скорость света . Он предполагает относительности специальный случай плоского пространства-времени. [1] [2] [3] и что частицы свободны. Полная энергия представляет собой сумму энергии покоя и кинетической энергии , а инвариантная масса — это масса, измеренная в системе отсчёта центра импульса .

Для тел или систем с нулевым импульсом оно упрощается до уравнения массы-энергии. , где полная энергия в данном случае равна энергии покоя (также обозначается как E 0 ).

Модель моря Дирака , которая использовалась для предсказания существования антиматерии , тесно связана с соотношением энергии и импульса.

Подключение к E = mc 2

[ редактировать ]
Треугольник Эйнштейна

Соотношение энергия-импульс согласуется со знакомым соотношением масса-энергия в обеих его интерпретациях: E = mc. 2 связывает полную энергию E с (общей) релятивистской массой m (альтернативно обозначаемой m rel или m tot ), в то время как E 0 = m 0 c 2 связывает энергию покоя E 0 с (инвариантной) массой покоя m 0 .

В отличие от любого из этих уравнений, уравнение энергии-импульса ( 1 ) связывает полную энергию с покоя массой m 0 . Все три уравнения справедливы одновременно.

Особые случаи

[ редактировать ]
  1. Если тело является безмассовой частицей ( m 0 = 0 ), то ( 1 ) сводится к E = pc . Для фотонов это соотношение, открытое в классическом электромагнетизме XIX века , между лучистым импульсом (вызывающим радиационное давление ) и лучистой энергией .
  2. Если скорость тела v много меньше c , то ( 1 ) сводится к E = 1 / 2 m 0 v 2 + м 0 с 2 ; то есть полная энергия тела — это просто его классическая кинетическая энергия ( 1 / 2 m 0 v 2 ) плюс его энергия покоя.
  3. Если тело покоится ( v = 0 ), т. е. находится в своей системе отсчета с центром импульса ( p = 0 ), мы имеем E = E 0 и m = m 0 ; таким образом, соотношение энергия-импульс и обе формы отношения масса-энергия (упомянутые выше) становятся одинаковыми.

справедлива более общая форма соотношения ( 1 ) Для общей теории относительности .

Инвариантная масса (или масса покоя) является инвариантом для всех систем отсчета (отсюда и название), не только в инерциальных системах отсчета в плоском пространстве-времени, но и в ускоренных системах отсчета, перемещающихся в искривленном пространстве-времени (см. ниже). Однако полная энергия частицы E и ее релятивистский импульс p зависят от системы отсчета; относительное движение между двумя кадрами заставляет наблюдателей в этих кадрах измерять разные значения энергии и импульса частицы; один кадр измеряет E и p , а другой кадр измеряет E и p , где E E и p p , если только между наблюдателями нет относительного движения, и в этом случае каждый наблюдатель измеряет одну и ту же энергию и импульсы. Хотя в плоском пространстве-времени у нас все еще есть:

Величины E , p , E ' , p ' связаны преобразованием Лоренца . Соотношение позволяет обойти преобразования Лоренца при определении только величин энергии и импульса путем приравнивания соотношений в разных системах отсчета. Опять же, в плоском пространстве-времени это означает;

Поскольку m 0 не меняется от кадра к кадру, соотношение энергия-импульс используется в расчетах релятивистской механики и физики элементарных частиц , поскольку энергия и импульс задаются в системе отсчета покоя частицы (то есть E и p как наблюдатель, движущийся с частицей) и измеряется в лабораторных условиях (т.е. E и p определяются физиками элементарных частиц в лаборатории, а не движутся вместе с частицами).

В релятивистской квантовой механике оно является основой построения релятивистских волновых уравнений , поскольку если релятивистское волновое уравнение, описывающее частицу, согласуется с этим уравнением – оно согласуется с релятивистской механикой и является лоренц-инвариантным . В релятивистской квантовой теории поля она применима ко всем частицам и полям. [4]

Происхождение и вывод уравнения

[ редактировать ]

Соотношение энергии и импульса восходит к Макса Планка. статье [5] опубликовано в 1906 году.Его использовал Уолтер Гордон в 1926 году, а затем Поль Дирак в 1928 году под формой , где V — количество потенциальной энергии. [6] [7]

Уравнение можно получить разными способами, два из самых простых включают в себя:

  1. Из релятивистской динамики массивной частицы:
  2. Путем оценки нормы четырехимпульса системы . Этот метод применим как к массивным, так и к безмассовым частицам и может быть распространен на многочастичные системы с относительно небольшими усилиями (см. § Многочастичные системы ниже).

Эвристический подход для массивных частиц

[ редактировать ]

Для массивного объекта, движущегося с трехскоростью u = ( u x , u y , u z ) с магнитудой | ты | = u в лабораторной системе : [1]

- полная энергия движущегося объекта в лабораторной системе координат,

— трехмерный релятивистский импульс объекта в лабораторной системе координат с магнитудой | р | = п . Релятивистская энергия E и импульс p включают фактор Лоренца, определяемый как:

Некоторые авторы используют релятивистскую массу, определяемую как:

хотя масса покоя m 0 будет использоваться в первую очередь вместо релятивистской массы m имеет более фундаментальное значение и в этой статье .

Возведение в квадрат 3-импульса дает:

тогда решу за тебя 2 и подставляя в фактор Лоренца, получаем его альтернативную форму в терминах 3-импульса и массы, а не 3-скорости:

Включение этой формы фактора Лоренца в уравнение энергии дает:

с последующей перестановкой получается ( 1 ). Устранение фактора Лоренца также устраняет неявную зависимость частицы от скорости в ( 1 ), а также любые выводы о «релятивистской массе» массивной частицы. Этот подход не является универсальным, поскольку безмассовые частицы не рассматриваются. Наивно установить m 0 = 0 означало бы, что E = 0 и p = 0 , и никакое соотношение энергии и импульса не может быть получено, что неверно.

Норма четырехимпульса

[ редактировать ]
Энергия и импульс объекта измеряются в двух инерциальных системах отсчета в пространстве энергии-импульса: желтая рамка измеряет E и p , а синяя рамка измеряет E и p . Зеленая стрелка — четырехимпульс P объекта, длина которого пропорциональна его массе покоя m 0 . Зеленая рамка — это рамка центра импульса объекта с энергией, равной энергии покоя. Гиперболы показывают, что преобразование Лоренца из одного кадра в другой представляет собой гиперболическое вращение , а Φ и Φ + η быстроты синего и зеленого кадров соответственно.

Специальная теория относительности

[ редактировать ]

В пространстве Минковского энергия (деленная на c ) и импульс являются двумя компонентами четырехвектора Минковского , а именно четырехимпульса ; [8]

(это контравариантные компоненты).

Скалярное произведение Минковского , ⟩ этого вектора на самого себя дает квадрат нормы этого вектора, оно пропорционально квадрату массы покоя m тела:

Лоренц - инвариантная величина и, следовательно, независимая от системы отсчета . Используя метрику Минковского η с метрической сигнатурой (− + + +) , внутренний продукт равен

и

так

или, в натуральных единицах, где c = 1,

.

Общая теория относительности

[ редактировать ]

В общей теории относительности 4-импульс представляет собой четырехвектор, определенный в локальной системе координат, хотя по определению внутренний продукт аналогичен продукту специальной теории относительности:

в котором метрика Минковского η заменена метрическим тензорным полем g :

решено из уравнений поля Эйнштейна . Затем: [9]

Выполнение суммирования по индексам с последующим сбором терминов «времяподобного», «пространственно-временного» и «пространственноподобного» дает:

где коэффициент 2 возникает потому, что метрика представляет собой симметричный тензор и используется соглашение о латинских индексах i , j, принимающих пространственные значения 1, 2, 3. Поскольку каждый компонент метрики в целом зависит от пространства и времени; это значительно сложнее, чем формула, приведенная в начале; см. в метрическом тензоре (общая теория относительности) дополнительную информацию .

Единицы энергии, массы и импульса

[ редактировать ]

В натуральных единицах , где c = 1 , уравнение энергии-импульса сводится к

В физике элементарных частиц энергия обычно выражается в единицах электрон-вольт (эВ), а импульс — в единицах эВ· с. −1 , а масса в единицах эВ· с −2 . В электромагнетизме и из-за релятивистской инвариантности полезно иметь электрическое поле E и магнитное поле B в одной и той же единице ( Гаусс ), используя систему единиц СГС (гауссова) , где энергия дается в единицах эрг , масса в граммах (г) и импульс в г·см·с. −1 .

Энергия также теоретически может быть выражена в граммах, хотя на практике требуется большое количество энергии, чтобы быть эквивалентным массам в этом диапазоне. Например, первая атомная бомба выделила около 1 грамма тепла , а самые крупные термоядерные бомбы выделили килограмм и более тепла. Энергию термоядерных бомб обычно измеряют в десятках килотонн и мегатонн, имея в виду энергию, выделяющуюся при взрыве такого количества тринитротолуола (тротила).

Особые случаи

[ редактировать ]

Система центра импульса (одна частица)

[ редактировать ]

Для тела в системе покоя импульс равен нулю, поэтому уравнение упрощается до

где m 0 – масса покоя тела.

Безмассовые частицы

[ редактировать ]

Если объект безмассовый, как в случае фотона , то уравнение сводится к

Это полезное упрощение. Его можно переписать и другими способами, используя соотношения де Бройля :

если длина волны λ или волновое число k заданы .

Принцип соответствия

[ редактировать ]

Переписав соотношение для массивных частиц как:

и разложение в степенной ряд по биномиальной теореме (или ряду Тейлора ):

в пределе, когда u c , мы имеем γ ( u ) ≈ 1 , поэтому импульс имеет классическую форму p m 0 u , затем в первом порядке по ( p / m 0 c ) 2
(т.е. сохранить термин ( p / m 0 c ) 2
для n = 1 и пренебрегая всеми членами для n ≥ 2 ), имеем

или

где второй член — классическая кинетическая энергия , а первый — энергия покоя частицы. Это приближение неприменимо для безмассовых частиц, поскольку для расширения требовалось деление импульса на массу. Кстати, в классической механике нет безмассовых частиц.

Многочастичные системы

[ редактировать ]

Сложение четырех импульсов

[ редактировать ]

В случае многих частиц с релятивистскими импульсами p n и энергией En ( , где n = 1, 2, ... вплоть до общего числа частиц), просто маркирует частицы, измеренные в конкретной системе отсчета, четырех- импульсы в этой системе координат можно добавить;

а потом принять норму; чтобы получить соотношение для системы многих частиц:

где M 0 — инвариантная масса всей системы и не равна сумме масс покоя частиц, если только все частицы не покоятся ( см. «Масса в специальной теории относительности» более подробно ). Замена и перестановка дают обобщение ( 1 );

( 2 )

Все энергии и импульсы в уравнении зависят от системы отсчета, а M 0 не зависит от системы отсчета.

Рамка центра импульса

[ редактировать ]

В кадре центра импульса (кадре COM) по определению мы имеем:

с учетом ( 2 ), что инвариантная масса также является массой-энергией центра импульса (COM), помимо c 2 фактор:

и это верно для всех кадров, поскольку M 0 не зависит от кадра. Энергии E COM n — это энергии в системе COM, а не в лабораторной системе координат. Однако во многих знакомых связанных системах лабораторный кадр используется как COM-кадр, поскольку сама система не находится в движении, и поэтому все импульсы сводятся к нулю. Примером может служить простой объект (где колебательные моменты атомов компенсируются) или контейнер с газом, в котором контейнер покоится. В таких системах все энергии системы измеряются как масса. Например, тепло в объекте на шкале или сумма кинетических энергий в контейнере с газом на шкале — все они измеряются по шкале как масса системы.

Массы покоя и инвариантная масса

[ редактировать ]

Либо энергии, либо импульсы частиц, измеренные в некоторой системе отсчета, можно исключить, используя соотношение энергии-импульса для каждой частицы:

позволяя выразить M 0 через энергии и массы покоя или импульсы и массы покоя. В конкретной системе координат квадраты сумм можно переписать как суммы квадратов (и произведений):

поэтому, подставив суммы, можно ввести их массы покоя m n в ( 2 ):

Энергии можно устранить следующими способами:

аналогично импульс можно устранить следующим образом:

где θnk угол между pn . и pk векторами импульса

Перестановка:

Поскольку инвариантная масса системы и массы покоя каждой частицы не зависят от системы отсчета, правая часть также является инвариантом (хотя все энергии и импульсы измеряются в определенной системе отсчета).

Волны материи

[ редактировать ]

Используя соотношения де Бройля для энергии и импульса для волн материи ,

где ω угловая частота , а k волновой вектор величины | к | = k , равный волновому числу , связь энергия-импульс может быть выражена через волновые величины:

и привести в порядок путем деления на ( ħc ) 2 через:

( 3 )

Это также можно получить из величины четырехволнового вектора

аналогично четырехимпульсу, описанному выше.

Поскольку приведенная константа Планка ħ и скорость света c появляются и засоряют это уравнение, именно здесь естественные единицы особенно полезны. Нормализовав их так, что ħ = c = 1 , получим:

Тахион и экзотическая материя

[ редактировать ]

Скорость брадиона с релятивистской зависимостью энергия-импульс

никогда не может превышать c . Напротив, вид для тахиона, уравнение энергии-импульса которого имеет [10]

Напротив, гипотетическая экзотическая материя имеет отрицательную массу. [11] и уравнение энергии-импульса имеет вид

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Клеппнер, Дэниел ; Роберт Дж. Коленков (2010) [1973]. Введение в механику . Издательство Кембриджского университета. стр. 499–500 . ISBN  978-0-521-19821-9 .
  2. ^ Дж. Р. Форшоу; А.Г. Смит (2009). Динамика и относительность . Уайли. стр. 149 , 249. ISBN.  978-0-470-01460-8 .
  3. ^ Д. МакМахон (2006). Относительность . Демистифицируется. МакГроу Хилл (США). п. 20 . ISBN  0-07-145545-0 .
  4. ^ Д. МакМахон (2008). Квантовая теория поля . Демистифицируется. МакГроу Хилл (США). стр. 11 , 88. ISBN.  978-0-07-154382-8 .
  5. ^ Планк, Макс (1906). «Принцип относительности и основные уравнения механики» . Переговоры Немецкого физического общества . 8 (7): 136–141.
  6. ^ Гордон, Уолтер (1926). «Эффект Комптона по теории Шрёдингера». З. Физ . 40 : 117–133. дои : 10.1007/BF01390840 . S2CID   122254400 .
  7. ^ Дирак, Поль (1928). «Квантовая теория электрона» . Учеб. Р. Сок. Лонд. А. 117 (778): 610–624. Бибкод : 1928RSPSA.117..610D . дои : 10.1098/rspa.1928.0023 .
  8. ^ Дж. Р. Форшоу; А.Г. Смит (2009). Динамика и относительность . Уайли. стр. 258–259 . ISBN  978-0-470-01460-8 .
  9. ^ Дж. А. Уиллер; К. Миснер; К. С. Торн (1973). Гравитация . WH Freeman & Co., стр. 201 , 649, 1188. ISBN  0-7167-0344-0 .
  10. ^ Г. Файнберг (1967). «Возможность частиц со скоростью, превышающей скорость света». Физический обзор . 159 (5): 1089–1105. Бибкод : 1967PhRv..159.1089F . дои : 10.1103/PhysRev.159.1089 .
  11. ^ ЗЫВанг (2016). «Современная теория электромагнитных метаматериалов». Плазмоника . 11 (2): 503–508. дои : 10.1007/s11468-015-0071-7 . S2CID   122346519 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5e65da46061a383709645c5ff9a33c05__1722550260
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/5e/05/5e65da46061a383709645c5ff9a33c05.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Energy–momentum relation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)