Гиперболическое движение (относительность)
Гиперболическое движение — это движение объекта с постоянным собственным ускорением в специальной теории относительности . Это называется гиперболическим движением, потому что уравнение, описывающее путь объекта в пространстве-времени, представляет собой гиперболу , что можно увидеть, если нанести его на диаграмму Минковского, координаты которой представляют подходящую инерциальную (неускоренную) систему отсчета. можно обогнать, Это движение имеет несколько интересных особенностей, в том числе то, что фотон если дать ему достаточную фору, как можно заключить из диаграммы. [1]
История
[ редактировать ]Герман Минковский (1908) показал связь между точкой на мировой линии и величиной четырехкратного ускорения и «гиперболой кривизны» ( нем . Krümmungshyperbel ). [2] В контексте жесткости борновской Макс Борн (1909) впоследствии ввел термин «гиперболическое движение» ( нем . Hyperbelbewegung ) для случая постоянной величины четырехкратного ускорения, затем дал подробное описание заряженных частиц в гиперболическом движении и ввел соответствующая «гиперболически ускоренная система отсчета» ( нем . Hyperbolisch beschleunigtes Bezugsystem ). [3] Формулы Борна были упрощены и расширены Арнольдом Зоммерфельдом (1910). [4] Ранние обзоры см. в учебниках Макса фон Лауэ (1911, 1921). [5] или Вольфганг Паули (1921). [6] См. также Галерею (2015). [7] или Гургульон (2013), [8] и ускорение (специальная теория относительности)#История .
Мировая линия
[ редактировать ]Правильное ускорение частицы определяется как ускорение , которое частица «чувствует» при ускорении от одной инерциальной системы отсчета к другой. Если собственное ускорение направлено параллельно линии движения, оно относится к обычному тройному ускорению в специальной теории относительности. к
где - мгновенная скорость частицы, фактор Лоренца , это скорость света , а это координатное время. Решение уравнения движения дает искомые формулы, которые можно выразить через координатное время. а также подходящее время . Для упрощения все начальные значения времени, местоположения и скорости можно установить равными 0, таким образом: [5] [6] [9] [10] [11]
( 1 ) |
Это дает , которая является гиперболой во времени T и переменной пространственного положения . В этом случае ускоряемый объект находится в точке во время . Если вместо этого имеются начальные значения, отличные от нуля, формулы гиперболического движения принимают вид: [12] [13] [14]
Быстрота
[ редактировать ]Мировую линию гиперболического движения (которая в дальнейшем будет записываться как функция собственного времени) можно упростить несколькими способами. Например, выражение
может быть подвергнут пространственному сдвигу суммы , таким образом
- , [15]
при котором наблюдатель находится в положении во время . Кроме того, установив и введение быстроты , [14] уравнения гиперболического движения сводятся к [4] [16]
( 2 ) |
с гиперболой .
Заряженные частицы в гиперболическом движении
[ редактировать ]Родился (1909 г.), [3] Летнее поле (1910), [4] Лауэ (1911), [5] Паули (1921) [6] также сформулировал уравнения электромагнитного поля заряженных частиц , находящихся в гиперболическом движении. [7] Это было расширено Германом Бонди и Томасом Голдом (1955). [17] и Фултон и Рорлих (1960) [18] [19]
Это связано со спорным [20] [21] обсуждаемый вопрос, излучают ли заряды в вечном гиперболическом движении или нет, и соответствует ли это принципу эквивалентности – хотя речь идет об идеальной ситуации, поскольку вечное гиперболическое движение невозможно. В то время как ранние авторы, такие как Борн (1909) или Паули (1921), утверждали, что радиация не возникает, более поздние авторы, такие как Бонди и Голд [17] и Фултон и Рорлих [18] [19] показало, что радиация действительно возникает.
Правильная система отсчета
[ редактировать ]В уравнении ( 2 ) для гиперболического движения выражение была постоянной, тогда как быстрота был переменным. Однако, как отметил Зоммерфельд, [16] можно определить в качестве переменной, делая постоянный. Это означает, что уравнения становятся преобразованиями, указывающими на одновременную форму покоя ускоренного тела с гиперболическими координатами. как видит идущий наблюдатель
Посредством этого преобразования собственное время становится временем гиперболически ускоренной системы отсчета. Эти координаты, которые обычно называются координатами Риндлера (подобные варианты называются координатами Коттлера-Мёллера или координатами Ласса ), можно рассматривать как частный случай координат Ферми или собственных координат и часто используются в связи с эффектом Унру . Используя эти координаты, оказывается, что наблюдатели, движущиеся по гиперболическому принципу, обладают кажущимся горизонтом событий , за которым ни один сигнал не может их достичь.
Специальное конформное преобразование
[ редактировать ]Менее известный метод определения системы отсчета в гиперболическом движении — это использование специального конформного преобразования , состоящего из инверсии , перевода и еще одной инверсии. [22] Его обычно интерпретируют как калибровочное преобразование в пространстве Минковского, хотя некоторые авторы альтернативно используют его как преобразование ускорения (критический исторический обзор см. в Каструпе). [23] Он имеет форму
Использование только одного пространственного измерения путем и дальнейшее упрощение, установив , и используя ускорение , следует [24]
с гиперболой . Оказывается, в время становится сингулярным, к чему Фултон, Рорлих и Виттен [24] отмечают, что нужно держаться подальше от этого предела, а Каструп [23] (который очень критично относится к интерпретации ускорения) отмечает, что это один из странных результатов этой интерпретации.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Миснер, Торн и Уилер 1973 , Глава 6.
- ^ Минковский, Герман (1909). Пространство и время ]. Годовой отчет Немецкой ассоциации математиков . Лейпциг. [перевод из Wikisource:
- ^ Перейти обратно: а б Родился Макс (1909). «Die Theorie des starren Elektrons in der Kinematik des Relativitätsprinzips» [перевод из Wikisource: Теория твердого электрона в кинематике принципа относительности ]. Аннален дер Физик . 335 (11): 1–56. Бибкод : 1909АнП...335....1Б . дои : 10.1002/andp.19093351102 .
- ^ Перейти обратно: а б с Зоммерфельд, Арнольд (1910). «К теории относительности II: Четырехмерный векторный анализ» [перевод из Wikisource: К теории относительности II: Четырехмерный векторный анализ ]. Анналы физики . 338 (14): 649–689. Бибкод : 1910АнП...338..649С . дои : 10.1002/andp.19103381402 .
- ^ Перейти обратно: а б с фон Лауэ, М. (1921). Теория относительности, Том 1 (четвертое издание «Принципа относительности» под ред.). Посмотретьег. стр. 89–90 , 155–166. ; Первое издание 1911 г., второе расширенное издание 1913 г., третье расширенное издание 1919 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Паули, Вольфганг (1921), «Теория относительности» , Энциклопедия математических наук , 5 (2): 539–776.
По-английски: Паули, В. (1981) [1921]. Теория относительности . Том. 165. Дуврские публикации. ISBN 0-486-64152-Х .{{cite book}}
:|journal=
игнорируется ( помогите ) - ^ Перейти обратно: а б Галериу, К. (2017) [2015]. «Электрический заряд в гиперболическом движении: ранняя история». Архив истории точных наук . 71 (4): 1–16. arXiv : 1509.02504 . дои : 10.1007/s00407-017-0191-x . S2CID 118510589 .
- ^ Гургульон, Э. (2013). Специальная теория относительности в общих рамках: от частиц к астрофизике . Спрингер. п. 396. ИСБН 978-3642372766 .
- ^ Мёллер, К. (1955). Теория относительности . Оксфорд Кларендон Пресс. стр. 74–75 .
- ^ Риндлер, В. (1977). Основная теория относительности . Спрингер. стр. 49–50 . ISBN 354007970X .
- ^ PhysicsFAQ (2016), «Релятивистская ракета», см. внешние ссылки.
- ^ Галлант, Дж. (2012). Занятие физикой с помощью научной тетради: подход к решению проблем . Джон Уайли и сыновья. стр. 437–441. ISBN 978-0470665978 .
- ^ Мюллер Т., Кинг А. и Адис Д. (2006). «Путешествие на край Вселенной и парадокс близнецов ». Американский журнал физики . 76 (4): 360–373. arXiv : физика/0612126 . Бибкод : 2008AmJPh..76..360M . дои : 10.1119/1.2830528 . S2CID 42983285 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Фраундорф, П. (2012). «Введение в кинематику, ориентированное на путешественника»: IV – B. arXiv : 1206.2877 . Бибкод : 2012arXiv1206.2877F .
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Паули (1921), с. 628, использовались обозначения где
- ^ Перейти обратно: а б Зоммерфельд (1910), стр. 670-671 использует форму и с воображаемым углом и воображаемое время .
- ^ Перейти обратно: а б Бонди Х. и Голд Т. (1955). «Поле равномерно ускоренного заряда с особым упором на проблему гравитационного ускорения». Труды Лондонского королевского общества . 229 (1178): 416–424. Бибкод : 1955RSPSA.229..416B . дои : 10.1098/rspa.1955.0098 . S2CID 121563673 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Фултон, Томас; Рорлих, Фриц (1960). «Классическое излучение равномерно ускоренного заряда». Анналы физики . 9 (4): 499–517. Бибкод : 1960AnPhy...9..499F . дои : 10.1016/0003-4916(60)90105-6 .
- ^ Перейти обратно: а б Рорлих, Фриц (1963). «Принцип эквивалентности». Анналы физики . 22 (2): 169–191. Бибкод : 1963AnPhy..22..169R . дои : 10.1016/0003-4916(63)90051-4 .
- ^ Стивен Лайл (2008). Равномерно ускоряющиеся заряженные частицы: угроза принципу эквивалентности . Спрингер. ISBN 978-3540684770 .
- ^ Ойвинд Грён (2012). «Обзорная статья: Электродинамика излучающих зарядов» . Достижения математической физики . 2012 : 528631. doi : 10.1155/2012/528631 . hdl : 10642/1380 .
- ^ Галериу, Колин (2019) «Электрический заряд в гиперболическом движении: специальное конформное решение», Европейский журнал физики 40 (6) дои : 10.1088/1361-6404/ab3df6
- ^ Перейти обратно: а б Каструп, Х.А. (2008). «О достижениях конформных преобразований и связанных с ними симметрий в геометрии и теоретической физике». Аннален дер Физик . 520 (9–10): 631–690. arXiv : 0808.2730 . Бибкод : 2008АнП...520..631К . дои : 10.1002/andp.200810324 . S2CID 12020510 .
- ^ Перейти обратно: а б Фултон Т., Рорлих Ф. и Виттен Л. (1962). «Физические последствия преобразования координат в равномерно ускоряющуюся систему отсчета». Иль Нуово Чименто . 26 (4): 652–671. Бибкод : 1962NCim...26..652F . дои : 10.1007/BF02781794 . S2CID 121467786 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Ссылки
[ редактировать ]- Ли Пейдж (февраль 1936 г.). «Новая теория относительности. Статья I. Фундаментальные принципы и преобразования между ускоренными системами». Физический обзор . 49 (3): 254–268. Бибкод : 1936PhRv...49..254P . дои : 10.1103/PhysRev.49.254 .
- Ли Пейдж и Норман И. Адамс (март 1936 г.). «Новая теория относительности. Статья II. Преобразование электромагнитного поля между ускоренными системами и уравнение силы». Физический обзор . 49 (6): 466–469. Бибкод : 1936PhRv...49..466P . дои : 10.1103/PhysRev.49.466 .
- Миснер, Чарльз В .; Торн, Кип. С .; Уилер, Джон А. (1973), Гравитация , WH Freeman, глава 6, ISBN 0-7167-0344-0
- Риндлер Вольфганг (1960). «Гиперболическое движение в искривленном пространстве-времени». Физический обзор . 119 (6): 2082–2089. Бибкод : 1960PhRv..119.2082R . дои : 10.1103/PhysRev.119.2082 .
- Людвик Зильберштейн (1914): Теория относительности , стр. 190.
- Набер, Грегори Л., Геометрия пространства-времени Минковского , Springer-Verlag, Нью-Йорк, 1992. ISBN 0-387-97848-8 (твердый переплет), ISBN 0-486-43235-1 (Дуврское издание в мягкой обложке). стр. 58–60.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Часто задаваемые вопросы по физике: Релятивистская ракета
- Mathpages: ускоренные путешествия , излучает ли равномерно ускоряющийся заряд?