6.4. Длительность событий в разных системах отсчета

Пусть в точке х’, неподвижной относительно системы K’, происходит событие длящееся время  .Началу события соответствует в этой системе координата  и момент времени , концу события - координата  и момент времени  . Относительно системы K точка, в которой происходит событие, перемещается. Согласно преобразованиям Лоренца началу и концу события соответствуют в системе K’.

Откуда

или

Время  , отсчитанное по часам, движущимся вместе с телом, называют собственным временем этого тела. Kак видно из уравнения, собственное время всегда меньше, чем время, отсчитанное по часам, движущимся относительно тела.Релятивистский эффект замедления хода времени позволяет в принципе осуществить «путешествие в будущее» (но не в прошлое). В самом деле, пусть космический корабль, движущийся со скоростью   (где  ) относительно Земли, совершает перелет от Земли до некоторой звезды и обратно. Если свет проходит путь   от звезды до Земли за время  , то   и для земного наблюдателя продолжительность перелета равна:

Именно настолько постареют люди на Земле к моменту возвращения космонавтов. С другой стороны, по часам, установленным на космическом корабле, полет займет меньшее время  , которое:

В соответствии с принципом относительности все процессы на космическом корабле (в том числе и процесс старения космонавтов) идут так же, как и на Земле, но не по земным часам, а по часам, установленным на корабле. Пусть, например,  = 500 лет и   = 0,9999. Тогда

 лет, а   лет.

6.5. Релятивистский закон сложения скоростей

Пусть в системе отсчета K’ материальная точка движется вдоль оси х’ спостоянной скоростью   Система K’ движется относительно системы K в том же направлении со скоростью v , Определим, чему равна скорость материальной точки v_o, относительно системы K, т.е. чему равно  . Пусть при   м.т. находится в начале координат, причем  . Для системы K:

Подставляя  и t в формулу для v_o

Делим числитель и знаменатель на t

Это равенство выражает собой релятивистский закон сложения скоростей. При малых значениях скоростей   и   имеем

Т.Е. Релятивистский закон сложения скоростей переходит в классический импульс.

6.6. Релятивистский импульс

Уравнения классической механики инвариантны по отношению к преобразованиям Галилея, по отношению же к преобразованиям Лоренца они оказываются неинвариантными. Из теории относительности следует, что уравнение динамики, инвариантное по отношению к преобразованиям Лоренца, имеет вид:

где  - инвариантная, т.е. одинаковая во всех системах отсчета величина называемая массой покоя частицы, v- скорость частицы,  - сила действующая на частицу. Сопоставим с классическим уравнением

Мы приходим к выводу, что релятивистский импульс частицы равен

(6.7)

Релятивистская масса.

Определив массу частицы m как коэффициент пропорциональности между скоростью и импульсом, получим, что масса частицы зависит от ее скорости.

(6.8)

Энергия в релятивистской динамике.

Для энергии частицы в теории относительности получается выражение:

(6.9)

Из (2.3) следует, что покоящаяся частица обладает энергией

(6.10)

Эта величина носит название энергии покоя частицы. Kинетическая энергия, очевидно, равна

(6.11)

Приняв во внимание, что  , выражение для полной энергии частицы можно написать в виде

(6.12)

Из последнего выражения вытекает, что энергия и масса тела всегда пропорциональны друг другу. Всякое изменение энергии тела   сопровождается изменением массы тела

и, наоборот, всякое изменение массы   сопровождается изменением энергии  . Это утверждение носит название закона взаимосвязи или закона пропорциональности массы и энергии.