상대론적 방정식 목록
List of relativistic equations다음은 특수 상대성 이론에서 자주 발생하는 방정식의 목록입니다.
특수상대성이론의 공식
특수 상대성 방정식을 도출하려면 다음 두 가지 가정으로 시작해야 합니다.
- 물리 법칙은 관성 프레임 사이의 변환에서 불변합니다.즉, 물리 법칙은 프레임 '정지'에서 테스트하든 프레임이 '정지' 프레임에 대해 일정한 속도로 이동하든 동일합니다.
- 완벽한 고전적 진공상태에서의 빛의 속도( 0 {는 관성 프레임의 모든 관측자에 의해 동일한 것으로 측정되며, 게다가 유한하지만 0이 아니다.이 속도는 우주에서 로컬 정보 전송 속도를 위한 최고의 역할을 합니다.
이 맥락에서 "빛의 속도"는 고전적인 진공상태에서처럼 국소적으로 정보 전달이나 일반(부정적 질량 이외) 물질의 이동의 속도 우위성을 말한다.따라서 보다 정확한 설명은 빛의 속도 그 자체보다는 0을 참조합니다.그러나 빛 및 기타 질량 없는 입자는 이론적으로 진공 조건 하에서 c 으로 이동하며, 실험 결과 이 개념은 상당히 높은 정밀도로 구현되지 않았습니다.빛 자체가 c 으로 이동하는지 여부에 관계없이 0({은 그러한 우월적 역할을 하며, 이것이 상대성 이론에서 중요한 가정입니다.
이 두 가지 가설로부터, 모든 특수 상대성 이론이 뒤따른다.
다음 두 관성 프레임 간의 상대 속도 v는 데카르트 좌표계의 x방향으로 완전히 제한된다.
운동학
로렌츠 변환
특수 상대성 이론에서는 다음과 같은 표기가 매우 자주 사용됩니다.
서 c\ \ 및 v는 두 관성 프레임 사이의 상대 속도이다.
정지된 두 프레임의 경우 θ = 1이며 두 관성 프레임 사이의 상대 속도에 따라 증가한다.상대속도가 빛의 속도에 가까워지면 θ → θ가 된다.
- 시간 연장(동일한 관성 프레임의 동일한 위치 x에서 다른 시간 t와 t')
시간 연장의 도출 위의 전제를 적용하여 차량이 지나갈 때 지상에 서 있는 사람에 대해 속도 v로 이동하는 차량 내부(보통 열차로 예시)를 고려합니다.그 안에서, 천장의 거울까지 빛이 위쪽으로 비쳐지고, 거기서 빛이 다시 아래로 반사된다.미러의 높이가 h이고 빛의 속도가 c인 경우 조명이 상승했다가 하강하는 데 걸리는 시간은 다음과 같습니다.
그러나 지상의 관측자에게는 상황이 크게 다르다.열차는 지상의 관찰자에 의해 움직이기 때문에, 빛은 위아래로 일직선으로 움직이는 것이 아니라 대각선으로 움직이는 것처럼 보인다.이를 시각화하려면 한 지점에서 빛을 방출한 다음 차량 상단에 있는 거울에 빛이 닿을 때까지 차량을 움직인 다음 광선이 차량 바닥으로 돌아올 때까지 열차를 더 움직이도록 합니다.이 광선은 열차와 함께 대각선 위쪽으로 이동한 후 대각선 아래로 이동한 것으로 보입니다.이 경로는 높이가 변의 한 쪽이고 경로의 두 직선 부분이 각각 가설인 두 개의 오른쪽 삼각형을 형성하는 데 도움이 됩니다.
{ t를 얻기 위해 재배치 중:
c의 계수를 뺀 다음 t에 연결하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.
시간 연장에 대한 공식은 다음과 같습니다.
이 예에서는 차량의 프레임에서 측정된 시간 t를 적정 시간이라고 합니다.차량에서 빛이 방출되는 이벤트와 차량에서 빛이 수신되는 이벤트와 같은 두 이벤트 사이의 적절한 시간은 이벤트가 동일한 위치에서 발생하는 프레임에서 두 이벤트 사이의 시간입니다.따라서 위에서 빛의 방출과 수신은 모두 차량 프레임에서 이루어졌고, 차량 프레임에 있는 관찰자가 적절한 시간을 측정할 수 있게 되었습니다.
- 길이 수축(같은 관성 프레임에서 같은 순간 t에 다른 위치 x와 x')
길이 수축의 도출 지상에 대해 속도 v로 움직이는 긴 열차와 기둥 옆에 서 있는 열차의 관찰자 한 명과 지상의 관찰자 한 명을 생각해 보십시오.열차의 관찰자는 열차의 앞부분이 기둥을 통과하는 것을 보고, 얼마 후 열차의 끝부분이 같은 기둥을 통과하는 것을 봅니다.그리고 나서 그는 다음과 같이 열차의 길이를 계산합니다.
그러나 지상의 관측자는 같은 측정을 통해 다른 결론을 도출한다.이 관찰자는 포스트를 통과하는 열차의 앞부분과 포스트를 통과하는 열차의 뒷부분 사이에 시간 t가 경과했음을 발견합니다.두 사건, 즉 열차의 각 종점이 포스트에 의해 통과하는 것이 지상 관측자의 프레임에서 동일한 장소에서 발생했기 때문에, 이 관측자가 측정한 시간은 적절한 시간입니다.그래서:
이것은 길이 축소의 공식입니다.시간 연장에 적절한 시간이 존재하기 때문에 길이 수축에 적절한 길이(이 경우 ℓ)가 존재합니다.오브젝트의 적절한 길이는 오브젝트가 정지해 있는 프레임 내의 오브젝트의 길이입니다.또한, 이 수축은 물체와 관찰자 사이의 상대 속도에 평행한 물체의 치수에만 영향을 미친다.따라서 운동 방향에 수직인 길이는 길이 수축의 영향을 받지 않습니다.
시간확장 및 길이수축을 이용한 로렌츠 변환의 도출 이제 길이 수축 결과를 갈릴레오 변환(즉, x = θ)으로 대입하면 다음과 같이 됩니다.
즉, 다음과 같습니다.
프라이밍된 프레임에서 프라이밍되지 않은 프레임으로 이동합니다.
프라이밍된 프레임에서 프라이밍되지 않은 프레임으로 이동하는 것은 첫 번째 방정식의 v를 음으로 만든 다음 프라이밍되지 않은 변수와 프라이밍되지 않은 변수를 교환함으로써 이루어졌으며, 그 반대도 마찬가지입니다.또한 길이 수축은 물체의 수직 치수에 영향을 주지 않기 때문에 다음 사항은 갈릴레오 변환과 동일하게 유지됩니다.
마지막으로 t와 t의 변환 방법을 결정하려면 x↔x의 변환을 역변환으로 바꿉니다.
:의 값을 꽂습니다.
마지막으로 µv로 나누면 다음과 같습니다.
또는 보다 일반적으로:
또한 v 기호를 변경하고 프라이밍되지 않은 변수를 프라이밍된 변수와 교환하여 그 반대의 값을 얻을 수 있습니다.이러한 변환은 모두 로렌츠 변환입니다.
속도 가산 유도 로렌츠 변환은 미분에도 적용되므로 다음과 같습니다.
속도가 dx/dt이므로
현재 대체:
는 속도 덧셈을 제공합니다(실제 아래는 뺄셈입니다. 덧셈은 Vy, Vz 및 V의x 부호를 반대로 돌리기만 합니다).
또한 위와 같이 프레임 변화에 수직인 방향의 속도도 영향을 받는다.이는 dt/dt' 변환에 캡슐화된 시간 연장에 의한 것입니다.V'y 및 V'z 방정식은 둘 다 적절한 공간 미분(예: dy' 또는 dz')을 시간 미분으로 나누어 도출했습니다.
메트릭과 4벡터
다음 예에서 볼드 산세리프는 4-벡터에 사용되며, 일반 볼드 로만은 3-벡터에 사용됩니다.
여기서(\는 메트릭 텐서로 알려져 있습니다.특수 상대성 이론에서 메트릭 텐서는 민코프스키 메트릭이다.
위의 경우 ds는2 시공간 간격이라고 불립니다.이 내부 생성물은 로렌츠 변환 하에서 불변합니다. 즉,
메트릭 기호와 ct, cdt, cdt' 및 cdt'의 시간 기반 용어의 배치는 작성자의 선택에 따라 달라집니다.예를 들어, 대부분의 경우 시간 기반 항이 4 벡터에 먼저 배치되고 공간 항이 그 뒤를 따릅니다.또, θ를 -θ로 치환하는 경우도 있어, 공간항은 점곱이나 시공간 간격에 음의 기여가 되는 한편, 시간항은 양의 기여가 된다.이러한 차이는 수행된 계산 전반에 걸쳐 표준 선택을 완전히 따르는 한 어떤 조합에서도 사용할 수 있다.
로렌츠 변환
위의 좌표 변환을 행렬로 표현할 수 있습니다.간단하게 하기 위해서는 t, t, dt, dt'를 ct, ct', cdt, cdt'로 치환하는 것이 좋습니다.그래서:
매트릭스 형식:
위의 변환 방정식의 벡터는 4 벡터로 알려져 있으며, 이 경우 특히 위치 4 벡터가 됩니다.일반적으로 특수 상대성 이론에서 4 벡터는 다음과 같이 하나의 기준 프레임에서 다른 프레임으로 변환할 수 있습니다.
에서는 style \ \ \ bold \ { a 와 style \ display \ \ mathsf { 가 4 벡터와 변환된 4 벡터가 되고 λ 는 변환 매트릭스이며, λ는 4 벡터가 모두 원하는 변환 매트릭스입니다. }{ symbol { {a은 위치, 속도 또는 운동량을 나타내는 4개의 벡터가 될 수 있으며, 동일한 2개의 프레임 간에 변환하는 경우에도 동일한 δ를 사용할 수 있습니다.가장 일반적인 로렌츠 변환에는 승압과 회전이 포함됩니다. 구성 요소는 복잡하고 변환에는 스피너가 필요합니다.
4중간격 및 프레임 정합성이 뛰어난 결과
물리적 양의 불변성과 통합은 모두 4 [1]벡터에서 발생한다.4 벡터의 내적 자체는 스칼라(내적 정의상)와 같으며, 4 벡터는 물리량이기 때문에 그 크기는 물리량에 대응한다.
특성/효과 | 3소켓 | 4소켓 | 불변 결과 |
---|---|---|---|
시공간 이벤트 | 3-위치: r = (x1, x2, x3)
| 4 위치: X = (ct, x1, x2, x3) |
|
운동량-에너지 불변성 |
3-소수: p = (p1, p2, p3) | 4-픽셀: P = (E/c, p1, p2, p3)
|
그 결과 다음과 같습니다. E = 총 에너지 |
속도 | 3단계: u = (u12, u3, u)
| 4 소켓:U = (U0, U1, U2, U3)
| |
액셀러레이션 | 3-연산: a = (a1, a2, a3)
| 4-연계:A = (A0, A1, A2, A3)
| |
힘. | 3포스: f = (f1, f2, f3)
| 4포스:F = (F0, F1, F2, F3)
|
도플러 시프트
일반 도플러 이동:
이미터와 관찰자가 서로를 향해(또는 직접) 이동하는 도플러 이동:
이미터와 관찰자를 연결하는 라인에 수직 방향으로 이동하는 도플러 이동:
상대론적 도플러 이동 유도 물체가 광선 또는 방사선을 방출하는 경우, 그 광선 또는 방사선의 주파수, 파장 및 에너지는 이미터에 대해 정지해 있는 관측자와는 다르게 보입니다.관찰자가 이미터를 기준으로 x축을 따라 움직이고 있다고 가정하면 에너지를 포함한 4모멘텀의 표준 로렌츠 변환은 다음과 같습니다.
자, 만약
여기서 θ는 와 p 사이의 각도x(\이며, 운동량과 에너지와의 주파수 관계에 대한 공식을 꽂습니다.
이것은 상대론적 도플러 이동의 공식으로, 이미터와 관찰자 사이의 속도 차이가 x축에 있지 않습니다.이 방정식에는 두 가지 특별한 경우가 있습니다.첫 번째는 이미터와 관찰자 사이의 속도가 x축을 따르는 경우입니다.이 경우 θ = 0, cos θ = 1로 다음과 같은 값을 얻을 수 있습니다.
이것은 이미터와 관찰자 사이의 속도가 x축을 따르는 경우의 도플러 시프트 방정식입니다.두 번째 특수한 경우는 상대 속도가 x축에 수직인 경우로, 따라서 θ = θ/2, cos θ = 0으로 다음과 같은 조건을 만족합니다.
주파수가 시간의 역수이기 때문에, 이것은 실제로 시간 확장과 완전히 유사합니다.따라서 방사체와 관측자가 서로 연결되는 선에 수직으로 움직이는 것은 완전히 시간 연장의 영향 때문입니다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ 역학과 상대성, J.R. Forshaw, A.G. Smith, Manchester Physical Series, John Wiley & Sons, 2009, ISBN978-0-470-01460-8
원천
- 물리학 백과사전 (제2판), R.G. Lerner, G.L. Trigg, VHC출판사, 1991년, (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1, (VHC Inc.) 0-89573-752-3.
- 다이내믹스와 상대성, J.R. Forshaw, A.G. Smith, Wiley, 2009, ISBN 978-0-470-01460-8
- 상대성 분석, D.McMahon, McGraw Hill(미국), 2006, ISBN 0-07-1455-0
- 캠브리지 물리 공식 핸드북, G. Woan, 캠브리지 대학 출판부, 2010, ISBN 978-0-521-57507-2.
- 기계개론, D.Kleppner, R.J. Kolenkow, Cambridge University Press, 2010, ISBN 978-0-521-19821-9