Лоренц-фактор
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b7/RelativeFactor.png/220px-RelativeFactor.png)
Фактор Лоренца или член Лоренца (также известный как гамма-фактор [1] ) — это величина , которая выражает, насколько изменяются измерения времени, длины и других физических свойств объекта во время его движения. Выражение появляется в нескольких уравнениях специальной теории относительности и возникает при выводе преобразований Лоренца . Название происходит от его более раннего появления в лоренцевой электродинамике – в честь голландского физика Хендрика Лоренца . [2]
Обычно его обозначают γ (греческая строчная буква гамма ). Иногда (особенно при обсуждении сверхсветового движения ) коэффициент записывается как Γ (греческая заглавная гамма), а не как γ .
Определение [ править ]
Фактор Лоренца γ определяется как [3]
- v - относительная скорость между инерциальными системами отсчета,
- c — скорость света в вакууме,
- β — отношение v к c ,
- t — координатное время ,
- τ — собственное время для наблюдателя (измерение временных интервалов в собственной системе отсчета наблюдателя).
Это наиболее часто используемая на практике форма, хотя и не единственная (альтернативные формы см. ниже).
В дополнение к определению некоторые авторы определяют взаимный [4]
Происшествие [ править ]
Ниже приводится список формул специальной теории относительности, в которых γ используется как сокращение: [3] [5]
- Преобразование Лоренца : Самый простой случай — это усиление в направлении x (более общие формы, включая произвольные направления и вращения, не перечисленные здесь), которое описывает, как координаты пространства-времени изменяются от одной инерциальной системы координат с использованием координат ( x , y , z , t ). в другой ( x ′ , y ′ , z ′ , t ′ ) с относительной скоростью v :
Следствием вышеуказанных преобразований являются результаты:
- Замедление времени : время ( ∆ t ′ ) между двумя тактами, измеренное в кадре, в котором движутся часы, больше, чем время ( ∆ t ) между этими тактами, измеренное в остальном кадре часов:
- длины : длина ( ∆x Сокращение ′ ) объекта, измеренная в кадре, в котором он движется, короче, чем его длина ( ) ∆x в его собственном кадре покоя:
Применение закона сохранения импульса и энергии приводит к следующим результатам:
- Релятивистская масса m движущегося : масса объекта зависит от а остальная масса m 0 :
- Релятивистский импульс : соотношение релятивистского импульса принимает ту же форму, что и для классического импульса, но с использованием указанной выше релятивистской массы:
- Релятивистская кинетическая энергия : соотношение релятивистской кинетической энергии принимает слегка измененную форму: Как является функцией , нерелятивистский предел дает , как и ожидалось из ньютоновских соображений.
Числовые значения [ править ]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/49/Lorentz_factor_2.png/220px-Lorentz_factor_2.png)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Lorentz_factor_inverse.svg/220px-Lorentz_factor_inverse.svg.png)
В таблице ниже в левом столбце скорости показаны как различные доли скорости света (т.е. в единицах c ). В среднем столбце указан соответствующий коэффициент Лоренца, в последнем — обратный. Значения, выделенные жирным шрифтом, являются точными.
Скорость (единицы c ), β = v / c |
фактор Лоренца, с |
Взаимный, 1/ с |
---|---|---|
0 | 1 | 1 |
0.050 | 1.001 | 0.999 |
0.100 | 1.005 | 0.995 |
0.150 | 1.011 | 0.989 |
0.200 | 1.021 | 0.980 |
0.250 | 1.033 | 0.968 |
0.300 | 1.048 | 0.954 |
0.400 | 1.091 | 0.917 |
0.500 | 1.155 | 0.866 |
0.600 | 1.25 | 0.8 |
0.700 | 1.400 | 0.714 |
0.750 | 1.512 | 0.661 |
0.800 | 1.667 | 0.6 |
0.866 | 2 | 0.5 |
0.900 | 2.294 | 0.436 |
0.990 | 7.089 | 0.141 |
0.999 | 22.366 | 0.045 |
0.99995 | 100.00 | 0.010 |
Альтернативные представления [ править ]
Есть и другие способы записи фактора. Выше скорость v использовалась связанные с ней переменные, такие как импульс и быстрота , но могут оказаться удобными и .
Важно [ править ]
Решение предыдущего уравнения релятивистского импульса для γ приводит к
Быстрота [ править ]
Применение определения быстроты как гиперболического угла : [7]
Используя свойство преобразования Лоренца , можно показать, что быстрота аддитивна, а это полезное свойство, которого нет у скорости. Таким образом, параметр быстроты образует однопараметрическую группу , являющуюся основой физических моделей.
Функция Бесселя [ править ]
Тождество Банни представляет фактор Лоренца в терминах бесконечного ряда функций Бесселя : [8]
Расширение серии (скорость) [ править ]
Фактор Лоренца имеет ряд Маклорена :
Приближение может быть использован для расчета релятивистских эффектов на низких скоростях. Он сохраняется с точностью до 1% для v < 0,4 c ( v < 120 000 км/с) и с точностью до 0,1 % для v < 0,22 c ( v < 66 000 км/с).
Усеченные версии этой серии также позволяют физикам доказать, что специальная теория относительности сводится к механике Ньютона на низких скоростях. Например, в специальной теории относительности выполняются следующие два уравнения:
Для и соответственно, они сводятся к своим ньютоновским эквивалентам:
Уравнение фактора Лоренца также можно обратить, чтобы получить
Первые два члена иногда используются для быстрого расчета скорости по большим γ значениям . Приближение сохраняется с точностью до 1% для γ > 2 и с точностью до 0,1% для γ > 3,5 .
Приложения в астрономии [ править ]
Стандартная модель длительных гамма-всплесков (GRB) утверждает, что эти взрывы являются ультрарелятивистскими (начальное значение γ больше примерно 100), что призвано объяснить так называемую проблему «компактности»: отсутствие этой ультрарелятивистской При расширении выброс будет оптически толстым для образования пар при типичных пиковых спектральных энергиях в несколько 100 кэВ, тогда как мгновенное излучение не является тепловым. [9]
Мюоны , субатомные частицы, движутся с такой скоростью, что имеют относительно высокий фактор Лоренца и поэтому испытывают сильное замедление времени . Поскольку среднее время жизни мюонов составляет всего 2,2 мкс , мюоны, генерируемые в результате столкновений космических лучей на высоте 10 км (6,2 мили) в атмосфере Земли, должны быть необнаружимы на Земле из-за скорости их распада. Однако примерно 10% мюонов от этих столкновений все еще можно обнаружить на поверхности, что демонстрирует влияние замедления времени на скорость их распада. [10]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Гамма-фактор» . webs.morningside.edu . Проверено 14 января 2024 г.
- ^ Тайсон, Нил де Грасс ; Лю, Чарльз Цун-Чу ; Ирион, Роберт. «Специальная теория относительности» . Одна Вселенная . Национальные академии наук, техники и медицины . Архивировано из оригинала 25 июля 2021 г. Проверено 6 января 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б Форшоу, Джеффри; Смит, Гэвин (2014). Динамика и относительность . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-1-118-93329-9 .
- ^ Яаков Фридман, Физические применения однородных шаров , Прогресс в математической физике 40 Биркхойзер, Бостон, 2004, страницы 1–21.
- ^ Молодой; Фридман (2008). Физика Университета Сирса и Земански (12-е изд.). Пирсон Эд. и Аддисон-Уэсли. ISBN 978-0-321-50130-1 .
- ^ Synge, JL (1957). Релятивистский газ. Серия по физике. Северная Голландия. ЛЦН 57-003567
- ↑ Кинематика. Архивировано 21 ноября 2014 г. в Wayback Machine , автор: Дж. Д. Джексон . Определение скорости см. на стр. 7.
- ^ Кэмерон Р. Д. Банни и Йорма Луко, класс 2023 года. Квантовая гравитация. 40 155001
- ^ Ценко, С.Б.; и другие. (2015). «iPTF14yb: первое открытие послесвечения гамма-всплеска, независимого от высокоэнергетического триггера». Письма астрофизического журнала . 803 (L24): : 1504.00673 803.arXiv . Бибкод : 2015ApJ...803L..24C . дои : 10.1088/2041-8205/803/2/L24 .
- ^ «Мюонный эксперимент в теории относительности» . HyperPhysics.Phy-Astr.GSU.edu . Проверено 6 января 2024 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Меррифилд, Майкл. «γ – Фактор Лоренца (и замедление времени)» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .
- Меррифилд, Майкл. «γ2 – Гамма-перезагрузка» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .