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
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 , где w - скорость, а равна площади гиперболического сектора от (1,1) до этих координат. Многие авторы вместо этого ссылаются на гиперболу единиц , 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
- .
Матрица Λ (w) имеет тип с pи q, удовлетворяющим p– q= 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 , где Z - отрицательное значение антидиагональной единичной матрицы
Нетрудно доказать, что
- .
Это устанавливает полезное аддитивное свойство скорости: если A, B и C являются системой отсчета, тогда
, 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
- ,
, поэтому скорость w неявно используется как гиперболический угол в выражениях преобразования Лоренца с использованием γи β. Мы соотносим скорости с формулой сложения скорости
путем распознавания
и поэтому
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
Экспоненциальные и логарифмические отношения
Из приведенных выше выражений имеем
и, следовательно,
или явно
Коэффициент доплеровского сдвига, связанный с быстротой w, равен .
более чем в одном пространственном измерении
Релятивистская скорость связан с быстротой объекта через
где вектор рассматривается как декартовы координаты в трехмерном подпространстве алгебры Ли группы Лоренца, охватываемой генераторами повышения - в полной аналогии с одномерным случаем обсуждался выше - и пространство скоростей представлено открытым шаром с радиусом с . Последнее следует из того, что является предельной скоростью в теории относительности (с единицами измерения, в которых ).
Общая формула композиции скоростей:
где относится к сложению релятивистских скоростей, а - единичный вектор в направлении . Эта операция не коммутативна и не ассоциативна. Скорости с направлениями, наклоненными под углом имеют результирующую норму (обычная евклидова длина), заданная гиперболическим законом косинусов,
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 ,
где используется соглашение физиков для экспоненциального отображения. Это следствие правила коммутации
где - генераторы вращения. Это связано с явлением прецессии Томаса. Для вычисления параметра используется ссылка на статью.
В экспериментальной физике элементарных частиц
Энергия Eи скалярный импульс | p | частицы с ненулевой массой (покоя) mзадаются следующим образом:
С определением w
и, следовательно, с
энергия и скалярный импульс могут быть записаны как:
Итак, скорость может быть вычислена на основе измеренных энергии и импульса с помощью
Однако Физики-экспериментаторы частиц часто используют модифицированное определение скорости относительно оси пучка
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
См. Также
Примечания
Примечания и ссылки
- Варичак V (1910), (1912), (1924) См. Владимир Варичак # Publications
- Whittaker, ET (1910). «История теорий эфира и электричества »: 441. Для цитирования журнала требуется
| journal =
() - Робб, Альфред ( 1911). Оптическая геометрия движения, новый взгляд на теорию относительности. Cambridge: Heffner Sons.
- Borel E (1913) La théorie de la relativité et la cinématique, Comptes Rendus Acad Sci Paris 156215-218; 157703-705
- Зильберштейн, Людвик (1914). Теория относительности. Лондон: Macmillan Co.
- Владимир Карапетов (1936) «Ограниченная теория относительности в терминах гиперболических функций скорости», American Mathematical Monthly 43:70.
- Фрэнк Морли (1936) «Когда и где», The Criterion, под редакцией Автор Т.С. Элиот, 15: 200-2009.
- Вольфганг Риндлер (2001) Относительность: специальная, общая и космологическая, стр. 53, Oxford University Press.
- Shaw, Рональд (1982) Линейная алгебра и представления групп, т. 1, стр. 229, Academic Press ISBN 0-12-639201-3.
- Уолтер, С. Котт (1999). «Неевклидов стиль теории относительности Минковского» (PDF). В J. Gray (ed.). Символическая Вселенная: геометрия и физика. Издательство Оксфордского университета. стр. 91–127. (см. стр. 17 электронной ссылки)
- Rhodes, J. A.; Семон, М. Д. (2004). «Релятивистское пространство скоростей, вигнеровское вращение и прецессия Томаса». Am. J. Phys. 72 : 93–90. arXiv : gr-qc / 0501070. Bibcode : 2004AmJPh..72..943R. doi : 10.1119 / 1.1652040. CS1 maint: ref = harv (link )
- Jackson, JD (1999) [1962]. »Глава 11 ". Классическая электродинамика (3-е изд.). John Wiley Sons. ISBN 0-471-30932-X. CS1 maint: ref = harv (ссылка )