Скорость

редактировать

В теории относительности, скорость обычно используется как мера релятивистской скорости. Математически скорость может быть определена как гиперболический угол, который различает две системы отсчета в относительном движении, причем каждый кадр связан с координатами расстояния и времени.

Для одномерного движения скорости являются аддитивными, тогда как скорости должны быть объединены по формуле Эйнштейна сложения скоростей. Для низких скоростей скорость и скорость пропорциональны, но для более высоких скоростей скорость принимает большее значение, так как скорость света бесконечна.

Используя обратную гиперболическую функцию artanh, скорость w, соответствующая скорости v, равна w= artanh (v/ c) где c - скорость света. Для низких скоростей wприблизительно равно v/ c. Поскольку в теории относительности любая скорость vограничена интервалом - c< v< c, отношение v/ cудовлетворяет -1 < v/ c< 1. The inverse hyperbolic tangent has the unit interval (−1, 1) for its области и всей вещественной прямой для ее range, поэтому интервал - c< v< cотображается на −∞ < w< ∞.

Содержание
  • 1 История
    • 1.1 Площадь гиперболического сектора
  • 2 В одном пространственном измерении
    • 2.1 Экспоненциальный и логарифмические отношения
  • 3 Более чем в одном пространственном измерении
  • 4 В экспериментальной физике элементарных частиц
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Примечания и ссылки
История
Гиперболический сектор.svg

В 1908 г. Герман Минковский объяснил, как преобразование Лоренца можно рассматривать просто как гиперболическое вращение пространственно-временных координат , т. Е. Поворот на мнимый угол.. Следовательно, этот угол представляет (в одном пространственном измерении) простую аддитивную меру скорости между кадрами. Параметр быстроты, заменяющий скорость, был введен в 1910 году Владимиром Варичаком и Э. Т. Уиттакер. Параметр был назван быстротой Альфредом Роббом (1911), и этот термин был принят многими последующими авторами, такими как Зильберштейн (1914), Морли (1936). и Риндлер (2001).

Площадь гиперболического сектора

квадрат гиперболы xy = 1 на Грегуар де Сен-Винсент установил натуральный логарифм как площадь гиперболического сектора или эквивалентной площади против асимптоты. В теории пространства-времени связь событий посредством света делит Вселенную на Прошлое, Будущее или Где-то еще на основе Здесь и Сейчас. На любой линии в пространстве луч света может быть направлен влево или вправо. Возьмите ось x как события, прошедшие правый луч, а ось y - как события левого луча. Тогда кадр покоя имеет время по диагонали x = y. Прямоугольную гиперболу xy = 1 можно использовать для измерения скоростей (в первом квадранте). Нулевая скорость соответствует (1,1). Любая точка гиперболы имеет координаты (ew, e - w) {\ displaystyle (e ^ {w}, \ e ^ {- w})}{\ displaystyle (е ^ {w}, \ e ^ {- w})} , где w - скорость, а равна площади гиперболического сектора от (1,1) до этих координат. Многие авторы вместо этого ссылаются на гиперболу единиц x 2 - y 2, {\ displaystyle x ^ {2} -y ^ {2},}{\ displaystyle x ^ {2} -y ^ {2},} , используя скорость для параметра, как в стандартной диаграмме пространства-времени. Здесь оси измеряются часами и измерителем, более привычными ориентирами и основой теории пространства-времени. Таким образом, определение скорости как гиперболического параметра пространства луча является ссылкой на происхождение наших драгоценных трансцендентальных функций семнадцатого века и дополнением к построению диаграмм пространства-времени.

В одном пространственном измерении

Скорость wвозникает в линейном представлении буста Лоренца в виде векторно-матричного произведения

( ct ′ x ′) знак равно (сш ⁡ вес - sinh ⁡ вес - sinh ⁡ w cosh ⁡ w) (ctx) = Λ (w) (ctx) {\ displaystyle {\ begin {pmatrix} ct '\\ x' \ end {pmatrix}} = {\ begin {pmatrix} \ cosh w - \ sinh w \\ - \ sinh w \ ch w \ end {pmatrix}} {\ begin {pmatrix} ct \\ x \ end {pmatrix}} = \ mathbf {\ Lambda} (w) {\ begin {pmatrix} ct \\ x \ end {pmatrix}}}{\displaystyle {\begin{pmatrix}ct'\\x'\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cosh w-\sinh w\\-\sinh w\cosh w\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}ct\\x\end{pmatrix}}=\mathbf {\Lambda } (w){\begin{pmatrix}ct\\x\end{pmatrix}}}.

Матрица Λ (w) имеет тип (pqqp) {\ displaystyle {\ begin {pmatrix} p q \\ q p \ end {pmatrix}}}{\ begin {pmatrix} p q \\ q p \ end {pmatrix}} с pи q, удовлетворяющим pq= 1, так что (p, q) лежит на гиперболе единицы. Такие матрицы образуют неопределенную ортогональную группу O (1,1) с одномерной алгеброй Ли, натянутой на антидиагональную единичную матрицу, показывая, что скорость является координатой на этой алгебре Ли. Это действие может быть изображено на диаграмме пространства-времени. В матричной экспоненциальной записи Λ (w) может быть выражено как Λ (w) = e Z w {\ displaystyle \ mathbf {\ Lambda} (w) = e ^ {\ mathbf {Z} w}}{\ displaystyle \ mathbf {\ Lambda} (w) = e ^ {\ mathbf {Z} w}} , где Z - отрицательное значение антидиагональной единичной матрицы

Z = (0 - 1 - 1 0). {\ displaystyle \ mathbf {Z} = {\ begin {pmatrix} 0 -1 \\ - 1 0 \ end {pmatrix}}.}{\ displaystyle \ mathbf {Z} = {\ begin {pmatrix} 0 -1 \\ - 1 0 \ end {pmatrix }}.}

Нетрудно доказать, что

Λ (w 1 + w 2) Знак равно Λ (вес 1) Λ (вес 2) {\ Displaystyle \ mathbf {\ Lambda} (w_ {1} + w_ {2}) = \ mathbf {\ Lambda} (w_ {1}) \ mathbf {\ Lambda } (w_ {2})}{\ displaystyle \ mathbf {\ Lambda} (w_ {1} + w_ {2}) = \ mathbf {\ Lambda} (w_ {1}) \ mathbf {\ Lambda} (w_ {2})} .

Это устанавливает полезное аддитивное свойство скорости: если A, B и C являются системой отсчета, тогда

w AC = w AB + w BC { \ displaystyle w _ {\ text {AC}} = w _ {\ text {AB}} + w _ {\ text {BC}}}{\ displaystyle w _ {\ text {AC}} = w_ {\ текст {AB}} + ш _ {\ текст {BC}}}

, где w PQ обозначает скорость системы отсчета Q относительно системы отсчета P. Простота этой формулы контрастирует со сложностью соответствующей формулы сложения скорости.

. Как видно из приведенного выше преобразования Лоренца, фактор Лоренца определяет с cosh w

γ = 1 1 - v 2 / c 2 ≡ cosh ⁡ w {\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}} }} \ Equiv \ cosh w}{\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}}}} \ Equiv \ cosh w} ,

, поэтому скорость w неявно используется как гиперболический угол в выражениях преобразования Лоренца с использованием γи β. Мы соотносим скорости с формулой сложения скорости

u = (u 1 + u 2) / (1 + u 1 u 2 / c 2) {\ displaystyle u = (u_ {1} + u_ {2 }) / (1 + u_ {1} u_ {2} / c ^ {2})}u = (u_ {1} + u_ {2}) / (1 + u_ {1 } u_ {2} / c ^ {2})

путем распознавания

β i = uic = tanh ⁡ wi {\ displaystyle \ beta _ {i} = {\ гидроразрыв {u_ {i}} {c}} = \ tanh {w_ {i}}}{\ displaystyle \ beta _ {i} = {\ frac {u_ {i}} {c}} = \ tanh {w_ {i}}}

и поэтому

tanh ⁡ w = tanh ⁡ w 1 + tanh ⁡ w 2 1 + tanh ⁡ w 1 tanh ⁡ вес 2 знак равно tanh ⁡ (w 1 + w 2) {\ displaystyle {\ begin {выровнено} \ tanh w = {\ frac {\ tanh w_ {1} + \ tanh w_ {2}} {1+ \ tanh w_ { 1} \ tanh w_ {2}}} \\ = \ tanh (w_ {1} + w_ {2}) \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ tanh w = {\ frac {\ tanh w_ {1} + \ tanh w_ {2}} {1+ \ tanh w_ {1} \ tanh w_ {2}}} \\ = \ tanh (w_ {1} + w_ {2}) \ end {align}}}

Правильное ускорение (ускорение, "ощущаемое" ускоряемый объект) - это скорость изменения скорости по отношению к собственному времени (времени, измеренному самим объектом, претерпевающим ускорение). Следовательно, скорость объекта в данном кадре можно рассматривать просто как скорость этого объекта, которая была бы рассчитана нерелятивистски с помощью инерциальной системы наведения на борту самого объекта, если бы он ускорялся из состояния покоя в этом кадре до заданной скорости..

Произведение β и γ встречается часто, и это из приведенных выше аргументов

β γ = sinh ⁡ w. {\ displaystyle \ beta \ gamma = \ sinh w \,.}{\ displaystyle \ beta \ gamma = \ sinh w \,.}

Экспоненциальные и логарифмические отношения

Из приведенных выше выражений имеем

ew = γ (1 + β) = γ (1 + vc) = 1 + vc 1 - vc, {\ displaystyle e ^ {w} = \ gamma (1+ \ beta) = \ gamma \ left (1 + {\ frac {v} {c}} \ right) = { \ sqrt {\ frac {1 + {\ tfrac {v} {c}}} {1 - {\ tfrac {v} {c}}}}},}{\ displaystyle e ^ {w} = \ gamma (1+ \ beta) = \ gamma \ left (1 + {\ frac {v} {c}} \ right) = {\ sqrt {\ frac {1 + {\ tfrac {v} {c}}} {1 - {\ tfrac {v} {c}}}}},}

и, следовательно,

e - w = γ (1 - β) = γ (1 - vc) = 1 - vc 1 + vc. {\ displaystyle e ^ {- w} = \ gamma (1- \ beta) = \ gamma \ left (1 - {\ frac {v} {c}} \ right) = {\ sqrt {\ frac {1- { \ tfrac {v} {c}}} {1 + {\ tfrac {v} {c}}}}}.}{\ displaystyle e ^ {- w} = \ gamma (1- \ ставка а) = \ gamma \ left (1 - {\ frac {v} {c}} \ right) = {\ sqrt {\ frac {1 - {\ tfrac {v} {c}}} {1 + {\ tfrac {v} {c}}}}}.}

или явно

w = ln ⁡ [γ (1 + β)] = - ln ⁡ [γ (1 - β)]. {\ displaystyle w = \ ln \ left [\ gamma (1+ \ beta) \ right] = - \ ln \ left [\ gamma (1- \ beta) \ right] \,.}{\ displaystyle w = \ ln \ left [\ gamma (1+ \ beta) \ справа] = - \ пер \ влево [\ гамма (1- \ бета) \ справа] \,.}

Коэффициент доплеровского сдвига, связанный с быстротой w, равен k = ew {\ displaystyle k = e ^ {w}}{\ displaystyle k = e ^ {w}} .

более чем в одном пространственном измерении

Релятивистская скорость β {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ beta}}}{\ boldsymbol {\ beta}} связан с быстротой w {\ displaystyle \ mathbf {w}}\ mathbf {w} объекта через

так что (3, 1) ⊃ span {K 1, K 2, K 3} ≈ R 3 ∋ w = β ^ tanh - 1 ⁡ β, β ∈ B 3, {\ displaystyle {\ mathfrak {so}} (3, 1) \ supset \ mathrm {span} \ {K_ {1}, K_ {2}, K_ {3} \} \ приблизительно \ mathbb {R} ^ {3} \ ni \ mathbf {w} = {\ boldsymbol { \ hat {\ beta}}} \ tanh ^ {- 1} \ beta, \ quad {\ boldsymbol {\ beta}} \ in \ mathbb {B} ^ {3},}{\ displaystyle {\ mathfrak {so}} (3,1) \ supset \ mathrm {span} \ {K_ {1}, K_ {2}, K_ {3 } \} \ приблизительно \ mathbb {R} ^ {3} \ ni \ mathbf {w} = {\ boldsymbol {\ hat {\ beta}}} \ tanh ^ {- 1} \ beta, \ quad {\ boldsymbol { \ beta}} \ in \ mathbb {B} ^ {3},}

где вектор w {\ displaystyle \ mathbf {w}}{\ displaystyle \ mathbf {w}} рассматривается как декартовы координаты в трехмерном подпространстве алгебры Ли o (3, 1) ≈ так (3, 1) {\ displaystyle {\ mathfrak {o}} (3,1) \ приблизительно {\ mathfrak {so}} (3,1)}{\ displaystyle {\ mathfrak {o}} (3, 1) \ приблизительно {\ mathfrak {so}} (3,1)} группы Лоренца, охватываемой генераторами повышения K 1, K 2, K 3 {\ displaystyle K_ {1}, K_ {2}, K_ {3 }}{\ displaystyle K_ {1}, K_ {2}, K_ {3}} - в полной аналогии с одномерным случаем o (1, 1) {\ displaystyle {\ mathfrak {o}} (1,1)}{\ displaystyle {\ mathfrak {o}} (1,1)} обсуждался выше - и пространство скоростей представлено открытым шаром B 3 {\ displaystyle \ mathbb {B} ^ {3}}{\ displaystyle \ mathbb {B} ^ {3}} с радиусом 1 {\ displaystyle 1}1 с | β | < 1 {\displaystyle |\beta |<1}{\ displaystyle | \ beta | <1} . Последнее следует из того, что c {\ displaystyle c}c является предельной скоростью в теории относительности (с единицами измерения, в которых c = 1 {\ displaystyle c = 1}c = 1 ).

Общая формула композиции скоростей:

w = β ^ tanh - 1 ⁡ β, β = β 1 ⊕ β 2, {\ displaystyle \ mathbf {w} = {\ boldsymbol {\ hat {\ beta}}} \ tanh ^ {- 1} \ beta, \ quad {\ boldsymbol {\ beta}} = {\ boldsymbol {\ beta}} _ {1} \ oplus {\ boldsymbol {\ beta}} _ {2},}{\ displaystyle \ mathbf {w} = { \ boldsymbol {\ hat {\ beta}}} \ tanh ^ {- 1} \ beta, \ quad {\ boldsymbol {\ beta}} = {\ boldsymbol {\ beta}} _ {1} \ oplus {\ boldsymbol { \ beta}} _ {2},}

где β 1 ⊕ β 2 {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ beta}} _ {1} \ oplus {\ boldsymbol {\ beta}} _ {2}}{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ beta}} _ {1} \ oplus {\ boldsymbol {\ beta}} _ {2}} относится к сложению релятивистских скоростей, а β ^ {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ hat {\ beta}}}}{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ hat {\ beta}}} } - единичный вектор в направлении β {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ beta}}}{\ boldsymbol {\ beta}} . Эта операция не коммутативна и не ассоциативна. Скорости w 1, w 2 {\ displaystyle \ mathbf {w} _ {1}, \ mathbf {w} _ {2}}{\ displaystyle \ mathbf {w} _ {1}, \ mathbf {w} _ {2}} с направлениями, наклоненными под углом θ {\ displaystyle \ theta}\ theta имеют результирующую норму w ≡ | w | {\ displaystyle w \ Equiv | \ mathbf {w} |}{\ displaystyle w \ Equiv | \ mathbf {w} |} (обычная евклидова длина), заданная гиперболическим законом косинусов,

cosh ⁡ w = cosh ⁡ w 1 cosh ⁡ w 2 + sh ⁡ w 1 sh ⁡ w 2 cos ⁡ θ. {\ displaystyle \ cosh w = \ cosh w_ {1} \ cosh w_ {2} + \ sinh w_ {1} \ sinh w_ {2} \ cos \ theta.}{\ displaystyle \ cosh w = \ cosh w_ {1} \ cosh w_ {2 } + \ sinh w_ {1} \ sinh w_ {2} \ cos \ theta.}

Геометрия в пространстве быстроты унаследована от гиперболическая геометрия в пространстве скоростей через указанную карту. Эта геометрия, в свою очередь, может быть выведена из закона сложения релятивистских скоростей. Таким образом, скорость в двух измерениях может быть удобно визуализирована с помощью диска Пуанкаре. Геодезические соответствуют установившимся ускорениям. Пространство быстроты в трех измерениях может быть таким же образом помещено в изометрию с моделью гиперболоида (изометрично 3-мерному диску Пуанкаре (или шару)). Это подробно описано в геометрии пространства Минковского.

Сложение двух скоростей приводит не только к новой скорости; Результирующее полное преобразование представляет собой композицию преобразования, соответствующего скорости, указанной выше, и вращения, параметризованного вектором θ {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ theta}}}{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ theta}}} ,

Λ = e - i θ ⋅ J е - iw ⋅ K, {\ displaystyle \ Lambda = e ^ {- i {\ boldsymbol {\ theta}} \ cdot \ mathbf {J}} e ^ {- i \ mathbf {w} \ cdot \ mathbf {K} },}{\ displaystyle \ Lambda = e ^ {- i {\ boldsymbol {\ theta}} \ cdot \ mathbf {J}} e ^ {- i \ mathbf {w} \ cdot \ mathbf {K}},}

где используется соглашение физиков для экспоненциального отображения. Это следствие правила коммутации

[K i, K j] = - i ϵ ijk J k, {\ displaystyle [K_ {i}, K_ {j}] = - i \ epsilon _ {ijk} J_ {k},}{\ displaystyle [K_ {i}, K_ {j}] = - i \ epsilon _ {ijk} J_ {k},}

где J k, k = 1, 2, 3, {\ displaystyle J_ {k}, k = 1,2,3,}{\ displaystyle J_ {k}, k = 1,2,3,} - генераторы вращения. Это связано с явлением прецессии Томаса. Для вычисления параметра θ {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ theta}}}{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ theta}}} используется ссылка на статью.

В экспериментальной физике элементарных частиц

Энергия Eи скалярный импульс | p | частицы с ненулевой массой (покоя) mзадаются следующим образом:

E = γ m c 2 {\ displaystyle E = \ gamma mc ^ {2}}E = \ gamma mc ^ {2}
| p | = γ m v. {\ displaystyle | \ mathbf {p} | = \ gamma mv.}{\ displaystyle | \ mathbf {p} | = \ gamma mv.}

С определением w

w = artanh ⁡ vc, {\ displaystyle w = \ operatorname {artanh} {\ frac {v} {c }},}{\ displaystyle w = \ operatorname { artanh} {\ frac {v} {c}},}

и, следовательно, с

cosh ⁡ w = cosh ⁡ (artanh ⁡ vc) = 1 1 - v 2 c 2 = γ {\ displaystyle \ cosh w = \ cosh \ left (\ operatorname {artanh } {\ frac {v} {c}} \ right) = {\ frac {1} {\ sqrt {1 - {\ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}} = \ гамма}{\ displaystyle \ cosh w = \ cosh \ left (\ operatorname {artanh} {\ frac {v} {c}} \ right) = {\ frac {1} {\ sqrt {1 - {\ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}} = \ gamma}
зп ⁡ вес = зп ⁡ (артан ⁡ vc) = vc 1 - v 2 c 2 = β γ, {\ displaystyle \ sinh w = \ sinh \ left (\ operatorname {artanh} {\ frac {v } {c}} \ right) = {\ frac {\ frac {v} {c}} {\ sqrt {1 - {\ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}} = \ beta \ gamma,}{\ displaystyle \ sinh w = \ sinh \ left (\ имя оператора {artanh} {\ frac {v} {c}} \ right) = {\ frac {\ frac {v} {c}} {\ sqrt {1 - {\ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}} = \ бета \ гамма,}

энергия и скалярный импульс могут быть записаны как:

E = mc 2 cosh ⁡ w {\ displaystyle E = mc ^ {2} \ cosh w}{\ displaystyle E = mc ^ {2} \ cosh w}
| p | = m c sh w. {\ displaystyle | \ mathbf {p} | = mc \, \ sinh w.}{\ displaystyle | \ mathbf {p} | = mc \, \ sinh w.}

Итак, скорость может быть вычислена на основе измеренных энергии и импульса с помощью

w = artanh ⁡ | p | с E = 1 2 ln ⁡ E + | p | c E - | p | c = ln ⁡ E + | p | с м с 2. {\ displaystyle w = \ operatorname {artanh} {\ frac {| \ mathbf {p} | c} {E}} = {\ frac {1} {2}} \ ln {\ frac {E + | \ mathbf {p } | c} {E- | \ mathbf {p} | c}} = \ ln {\ frac {E + | \ mathbf {p} | c} {mc ^ {2}}} ~.}{\ displaystyle w = \ operatorname {artanh} {\ frac {| \ mathbf {p} | c} {E}} = {\ frac {1} {2}} \ ln {\ frac { E + | \ mathbf {p} | c} {E- | \ mathbf {p} | c}} = \ ln {\ frac {E + | \ mathbf {p} | c} {mc ^ {2}}} ~. }

Однако Физики-экспериментаторы частиц часто используют модифицированное определение скорости относительно оси пучка

y = 1 2 ln ⁡ E + pzc E - pzc, {\ displaystyle y = {\ frac {1} {2}} \ ln {\ frac {E + p_ {z} c} {E-p_ {z} c}},}{\ displaystyle y = {\ frac {1} {2}} \ ln {\ frac {E + p_ {z} c} {E-p_ {z} c}},}

где pz- составляющая количества движения вдоль оси балки. Это скорость ускорения вдоль оси луча, которая переводит наблюдателя из лабораторного кадра в кадр, в котором частица движется только перпендикулярно лучу. С этим связана концепция псевдобыстротности..

Скорость относительно оси луча также может быть выражена как

y = ln ⁡ E + p z c m 2 c 4 + p T 2 c 2. {\ displaystyle y = \ ln {\ frac {E + p_ {z} c} {\ sqrt {m ^ {2} c ^ {4} + p_ {T} ^ {2} c ^ {2}}}} ~.}{\ displaystyle y = \ ln {\ frac {E + p_ {z} c} {\ sqrt {m ^ {2} c ^ {4} + p_ {T} ^ {2} c ^ {2}}}} ~.}
См. Также
Примечания
Примечания и ссылки
Последняя правка сделана 2021-06-03 08:33:30
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте