Большая Советская Энциклопедия (ОТ)

Большая Советская Энциклопедия

 (5)

В частности, продольный диаметр сферы, движущейся со скоростью u относительно L’ , будет при измерении в L c в

 раз короче, чем поперечный. (Заметим, что это сокращение не обнаружилось бы на мгновенной фотографии сферы: из-за различного запаздывания световых сигналов, приходящих от разных точек сферы, её видимая форма остаётся прежней.)

Для и. с. о. пространственно-временные эффекты, определяемые преобразованиями Лоренца, относительны: с точки зрения наблюдателя в L замедляются все процессы и сокращаются все продольные масштабы в L’ .

Однако это утверждение несправедливо, если хотя бы одна из систем отсчёта неинерциальна. Если, например, часы 1 перемещаются относительно L из А в В со скоростью u , а потом из В в А со скоростью — u , то они отстанут по сравнению с покоящимися A часами 2 в

 раз; это можно обнаружить прямым сравнением, так что эффект абсолютен. Он должен иметь место для любого процесса; например, близнец, совершивший путешествие со скоростью u , вернётся в

 раз более молодым, чем его брат, остававшийся неподвижным в и. с. о. Это явление, получившее название «парадокса близнецов», в действительности не содержит парадокса: система отсчёта, связанная с часами 1, не является инерциальной, т.к. эти часы при повороте в В испытывают ускорение по отношению к инерциальной системе; поэтому часы 1 и 2 неравноправны.

При малых скоростях u преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея x’ = x – ut , y ’ = y , z’ ’ = z , t ’ = t , которые описывают связь между картинами различных наблюдателей, известную из повседневного опыта: размеры предметов и длительность процессов одинаковы для всех наблюдателей.

Преобразования Пуанкаре оставляют инвариантной величину, называемую интервалом s_AB между событиями А , В , которая определяется соотношением:

s²_AB = c² (t_A – t_B )² – (x_A – x_B )² – (y_A – y_B )² – (z_A – z_B )² . (6)

Математически инвариантность s аналогична инвариантности расстояния при преобразованиях движения в евклидовой геометрии. Величины ct , х , у , z можно рассматривать как четыре координаты события в четырёхмерном пространстве Минковского: х = ct , х ¹ = х , x ² = у , x ³ = z , которые являются компонентами четырёхмерного вектора.

Если вместо x ввести мнимую координату x ⁴ = ix = ict , то произвольное преобразование Пуанкаре можно записать в виде, полностью аналогичном формуле, описывающей вращения и сдвиги в трёхмерном пространстве.

Вследствие того, что квадраты разностей временны'х и пространственных координат входят в (6) с разными знаками, знак s ² может быть различным; геометрия такого пространства отличается от евклидовой и называется псевдоевклидовой. В такой геометрии интервалы разделяются

на три типа: s ² < 0, s ² > О и s ² = 0. Интервалы первого и второго типа называются соответственно времениподобными и пространственноподобными. Если s ² &sup3; 0, знак t_A – t_B не зависит от системы отсчёта. Это тесно связано с принципом причинности. Действительно, если s ² &sup3; 0 и (для определённости) t_A < t_B , то события А и В могут быть связаны сигналом, распространяющимся со скоростью u lb с , т.е. А может быть причиной В . Обычные представления о причинности требуют тогда, чтобы в любой системе отсчёта событие В следовало за событием А . Инвариантность условия s ² = 0 непосредственно выражает инвариантность скорости света. Если s ² < 0, то знак t_A – t_B может быть различным в разных и. с. о. Однако это не противоречит причинности, т.к. такие события не могут быть связаны никаким взаимодействием.

Если s ² < 0, то существует такая система отсчёта, в которой события А и В одновременны; в этой системе s ² = –l ² , где l — обычное расстояние. При s ² > 0 существует система отсчёта, в которой события А и В происходят в одной точке.

В классической физике требование инвариантности законов физики относительно преобразований Лоренца означает, что любые физические величины должны преобразовываться как скаляры , векторы или тензоры в пространстве Минковского. Правила вычислений с такими величинами даются тензорным исчислением. Использование тензорного исчисления позволяет записывать законы физики в таком виде, что их лоренц-инвариантность становится непосредственно очевидной.

Законы сохранения в теории относительности и релятивистская механика

В О. т., так же как в классической механике, для замкнутой физической системы сохраняется импульс р и энергия Е . Трёхмерный вектор импульса вместе с энергией образует четырёхмерный вектор импульса-энергии с компонентами Е /с , р , обозначаемый как (Е /с , р ). При преобразованиях Лоренца остаётся инвариантной величина

E ² – (cp) ² = m ²c ⁴ , (7)

где m – масса покоя частицы. Из требований лоренц-инвариантности следует, что зависимость энергии и импульса от скорости имеет вид

,

. (8)

Энергия и импульс частицы связаны соотношением р = Eu /c² . Это соотношение справедливо также для частицы с нулевой массой покоя; тогда u = с и р = Е/с. Такими частицами, по-видимому, являются фотоны (g) и электронные и мюонные нейтрино. Из (8) видно, что импульс и энергия частицы с m &sup1; 0 стремятся к бесконечности при u ® с .