Relativistická hmotnost

Jedním z důsledků speciální teorie relativity je fakt, že hmotnost tělesa není neměnný parametr, ale musí se měnit v závislosti na pohybu vůči pozorovateli. Čím rychleji se těleso vůči pozorovateli pohybuje, tím větší má z pohledu pozorovatele hmotnost.

Relativistickou hmotnost lze spočítat podle vzorce

:m = m_0 \cdot \gamma,

kde m je hmotnost změřená pozorovatelem, m_0 je klidová hmotnost pohybujícího se tělesa (nebo také invariantní či vlastní hmotnost) a \gamma je Lorentzův faktor.

Použití Lorentzova faktoru zobecňuje Newtonovskou mechaniku - při běžných rychlostech se jeho hodnota limitně blíží jedné (a je tedy možné jej zanedbat), začne projevovat až u rychlostí, které se řádově blíží rychlosti světla ve vakuu (a kde je proto fyzikální popis Newtonovské mechaniky nedostatečný).

Odvození

Uvažujme nepružnou srážku dvou těles popsanou ve dvou vztažných soustavách popsaných kartézskými souřadnicemi, přičemž boost, jehož rychlost je \omega, probíhá podél osy x. Rozepíšeme zákon zachování energie a zákon zachování hybnosti v nečárkované a čárkované soustavě jako :m_1+m_2 = M,\,

:v_1 m_1+v_2m_2=V M,\,

:m'_1+m'_2 = M',\,

:v'_1 m'_1+v'_2m'_2=V' M'.\, A doplníme relativistické vztahy pro skládání rychlostí :v'_1=\frac{v_1-\omega}{1-\frac{v_1\omega}{c^2}},

:v'_2=\frac{v_2-\omega}{1-\frac{v_2\omega}{c^2}},

:V'=\frac{V-\omega}{1-\frac{V\omega}{c^2}}. Pro jednoduchost popišme srážku ze dvou vztažných soustav, ve kterých je vždy jedno těleso v klidu. +more V první vztažné soustavě S volíme v_1=0 (první těleso je v klidu a druhé přilétá rychlostí v_2 zleva). Ve druhé vztažné soustavě S' má být druhé těleso v klidu, a proto musí platit, že.

v_2=\omega

Při této transformaci v soustavě S' pozorujeme, že druhé těleso je v klidu a první letí rychlostí \omega vlevo.

v_1'=-\omega

v_2'=0

Nyní dosadíme zákon zachování hmotnosti do zákonu zachování hybnosti v obou soustavách a získáme

v_1 m_1+v_2m_2=V (m_1+m_2),\,

v'_1 m'_1+v'_2m'_2=V' (m_1'+m_2').\,

Po dosazení rychlostí se rovnice zjednoduší na tvar

\omega m_2=V (m_1+m_2),\,

-\omega m'_1=V' (m_1'+m_2').\,

Z první rovnice vyjádříme V a do druhé dosadíme transformační vztah pro V'

V = \frac{\omega m_2} {m_1+m_2},\,

-\omega m'_1=\frac{V-\omega}{1-\frac{V\omega}{c^2}} (m_1'+m_2').\,

Nyní dosadíme první rovnici do druhé a získáme

-\omega m'_1=\frac{\frac{\omega m_2} {m_1+m_2}-\omega}{1-\frac{m_2} {m_1+m_2} \frac{\omega^2}{c^2} } (m_1'+m_2').\,

Tato rovnice říká, jak souvisí hmotnost těles v různých soustavách s vzájemnou rychlostí těchto soustav \omega, a proto následující úpravy budou mířit na separaci hmotností a rychlostí.

-\omega m'_1=\frac{\frac{-\omega m_1} {m_1+m_2}}{\frac{m_1+m_2-m_2\frac{\omega^2}{c^2}} {m_1+m_2} } (m_1'+m_2')

-\omega m'_1= \frac{-\omega m_1}{m_1+m_2-m_2\frac{\omega^2}{c^2}} (m_1'+m_2')

m'_1= \frac{m_1}{m_1+m_2\left(1-\frac{\omega^2}{c^2}\right)} (m_1'+m_2')

m_1+m_2\left(1-\frac{\omega^2}{c^2}\right) = \frac{m_1}{m_1'} (m_1'+m_2')

m_2\left(1-\frac{\omega^2}{c^2}\right) = \frac{m_1}{m_1'}m_2'

1-\frac{\omega^2}{c^2} = \frac{m_1 m_2'}{m_1' m_2}

Nyní zaveďme m_{01} klidovou hmotnost prvního tělesa a m_{02} klidovou hmotnost druhého tělesa. (Klidovou hmotnost tělesa pozoruje pozorovatel, který je vůči tělesu v klidu. +more) V našem případě tedy můžeme psát, že.

m_1 = m_{01}

m_2' = m_{02}

Nyní předpokládejme, že se hmotnost mění jen v závislosti na velikosti rychlosti daného objektu vůči pozorovateli. To je dobře odůvodněný předpoklad, protože kvůli homogenitě prostoru nemůže hmotnost záviset na poloze a kvůli rotační symetrii ani na směru rychlosti. +more Zkusme modifikovat hmotnost násobením neznámou funkcí f(v) závisející na velikosti rychlosti tělesa vůči pozorovateli v. V našem případě proto můžeme psát.

m_2 = m_{02} f(\omega),m_1' = m_{01} f(\omega).Protože v soustavě S se pohybuje druhé těleso rychlostí o velikosti \omega a v soustavě S' se pohybuje první těleso rychlostí o velikosti \omega.

Dosazením vztahů pro hmotnosti do původní rovnice získáme

1-\frac{\omega^2}{c^2} = \frac{m_{01} m_{02}}{m_{01} m_{02} f(\omega)^2}

f(\omega)=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{\omega^2}{c^2}}}

Těleso, které se pohybuje vůči pozorovateli rychlostí v má proto z pohledu pozorovatele hmotnost o velikosti

m=m_0 f(v) = \frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} = m_0 \gamma

kde jsme v původně neznámé funkci škálující hmotnost tělesa rozpoznali Lorentzův faktor.

Reference

Kategorie:Speciální teorie relativity