Релятивистская масса. Инвариантная масса. Принцип относительности в релятивистской механике
Об упомянутом «эффекте» слышал, пожалуй, каждый, кто закончил среднюю общеобразовательную школу. В любом учебнике физики за 11 класс мы найдём изложение основ релятивистской механики и некоторых следствий из них, в числе которых обязательно присутствуют три: сокращение длины, замедление времени и злополучное увеличение массы. Обычный школьник, конечно, не заметит подвоха: для него вся эта чепуха одинаково непривычна и далека от жизни, тем более что доказательства этих следствий в школьных учебниках, как правило, не приводятся. В лучшем случае он примет всё на веру: мол, если учёные так говорят, значит, так и есть, им виднее. В худшем -- решит, что физики дураки и/или шарлатаны и займёт место в легионе фриков под знамёнами к.т.н.-ов-антиСТОшников.
В действительности же настоящие учёные, по крайней мере не выжившие из ума, ничего о росте массы релятивистских тел не говорят. Попытаемся разобраться.
Специальная теория относительности, как известно, базируется на двух принципах: принципе относительности (гласящем, что все физические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта) и утверждении о постоянстве скорости света (которое следует из опытов Майкельсона, Майкельсона - Морли и десятков других, не известных широкой общественности). Из этих двух аксиом с фатальной неизбежностью вытекают формулы замены координат при переходе от одной системы отсчёта к другой, движущейся относительно первой с постоянной скоростью, - так называемые преобразования Лоренца . Из последних же, в свою очередь, легко получаются известные формулы, связывающие расстояния и промежутки времени в этих двух системах:
содержащими всё тот же характерный квадратный корень. Понять смысл возникшего в последних формулах параметра легко даже не глядя на их вывод. Достаточно заметить, что при малых скоростях (), с которыми мы только и имеем дело в повседневной жизни, корни в знаменателях почти не отличаются от единицы, и если пренебречь этим отличием, выражение для импульса приобретёт хорошо известный каждому уважающему себя и окружающих гражданину вид , откуда ясно, что представляет собой не что иное как обычную массу тела.
Из этого места и растут ноги у спекуляций, связанных с массой. Казалось бы, естественно просто констатировать, что законы динамики на самом деле имеют несколько более сложный вид, чем мы привыкли думать, а ньютоновским выражениям предоставить почётное место важного частного случая. Но нашлись оригиналы, которые вместо этого предложили: а давайте будем считать, что импульс и в общем случае выражается той же простой формулой из ньютоновской механики. Для этого достаточно всего лишь называть массой не привычное всем число , а выражение . А для числа придумаем новое прикольное название: масса покоя . Это типа то, что остаётся от новой, переменной массы при нулевой скорости. Такое переопределение оказалось возможным благодаря тому, что масса, несмотря на своё фундаментальное значение в физике, не может быть измерена непосредственно. Взвешивая тело на весах, мы в действительности определяем его вес , то есть силу, с которой оно давит на чашу весов под действием земной гравитации, и только зная, что вес пропорционален массе, можем вычислить последнюю (за нас это обычно делают производители весов, градуируя шкалу в килограммах или фунтах). Аналогично массу элементарной частицы можно определить только по её импульсу, измеряя изменение скоростей при её столкновении с частицей известной массы. Невозможно поэтому исходя из экспериментальных данных однозначно сказать, чем обусловлен релятивистский сверхприрост импульса: "деформацией" его зависимости от скорости или увеличением массы, и вопрос переходит таким образом в чисто терминологическую плоскость.
Первопроходцы теории относительности воспользовались указанным произволом в пользу сохранения ньютоновской формулы. Было ли это сделано в попытках унификации обозначений или с целью эпатировать публику ("Смотрите, в СТО даже масса меняется! видите, какая физика крутая и интересная штука!"), мне неизвестно, равно как и имя законодателя этой моды. Однако идея эта оказалась настолько неудачной, что все порядочные физики, не сговариваясь, очень быстро от неё отказались, и вот почему.
Во-первых, переопределением массы удалось сохранить внешне совпадающий с классическим вид только одной-единственной формулы, выражающей импульс. Даже пресловутое выражение для энергии (которое в действительности имеет нетривиальный смысл именно когда под подразумевается масса покоя) хоть внешне и простое, но на классическое уже не похоже совсем. Если же мы попытаемся спасти, например, второй закон Ньютона, то и вовсе придём к необходимости ввести две релятивистские массы: продольную и поперечную. Впрочем, необузданная фантазия авторов некоторых учебников покоряет и эту высоту.
Во-вторых, при таком подходе фактически исчезает различие между существенно разными величинами -- массой и энергией, т. к. они теперь отличаются всего лишь незначимым постоянным множителем .
В-третьих, возникает нетихая терминологическая путаница с двумя видами масс, так что временами даже честным людям волей-неволей приходится оговаривать, какая из них имеется в виду.
В-четвёртых, в физике вполне естественно наибольшее значение имеют инвариантные величины, то есть такие, которые не зависят от выбора системы координат. От массы, меняющейся при переходе в другую систему отсчёта, не больше проку, чем от линейки, которая меняет масштаб при перемещении в пространстве.
Наконец, в квантовой теории поля масса (точнее, её квадрат) наряду со спином определяет вид преобразования волновой функции элементарной частицы под действием группы Пуанкаре , то есть в некотором смысле устанавливает связь между динамикой частиц и геометрическими свойствами пространства-времени. Выражением этого факта является известное соотношение
которое можно рассматривать как современное определение массы. Разумеется, это касается инвариантной массы.
Итак, физики недолго думая отправили концепцию переменной массы на свалку и продолжили заниматься своими делами. Но, к сожалению, этого не заметили те, кто уже без оглядки нёс учение Эйнштейна в народ -- журналисты, популяризаторы науки и, что самое прискорбное, авторы школьных и вузовских учебников. Эти последние приносят наибольший вред, создавая комки каши в головах образованных слоёв населения, вследствие чего даже от выпускников физфаков можно услышать, что масса равна энергии, а температура -- это мера нагретости тела. Например, особенно преуспевший на ниве педагогического вредительства Д. В. Сивухин, несмотря на гаргантюанский размах -- одной только классической механике в его курсе посвящён такой объём, что первым томом можно подпирать покосившийся сарай, -- оперируя понятием релятивистской массы, ни полсловом не упоминает даже о самой возможности альтернативной трактовки. Этот же подход повсеместно используется педагогами в технических вузах. Конечно, сам по себе этот факт не может привести к ошибкам в расчётах и падению "Протонов", но точно не способствует последовательному усвоению физики студентами и является одним из симптомов низкого общего уровня её преподавания. Неудивительно поэтому, что политехи являются главными питомниками физических фриков.
В заключение сто́ит упомянуть ещё об одном широко растиражированном усилиями журналистов заблуждении -- будто бы масса всех элементарных частиц каким-то образом порождается бозонами Хиггса. Это тоже полная ерунда, правда, объяснить на популярном уровне, как всё обстоит на самом деле -- задача из бронхов, которая ещё ждёт своего Перельмана. А в двух словах об этом можно почитать на Элементах и в блоге Игоря Иванова .
P. S.: Когда статья была уже почти готова, выяснилось, что не меня одного достал коллективный Сивухин. Так, небезызвестный академик Л. Б. Окунь ещё с 80-х годов борется с реликтами идеи переменной массы и посвятил этой теме ряд статей , , , к которым я и отсылаю любопытных и скептически настроенных читателей за авторитетным мнением подробностями.
Теория относительности требует пересмотра и уточнения законов механики. Как мы видели, уравнения классической динамики (второй закон Ньютона) удовлетворяют принципу относительности в отношении преобразований Галилея. Но ведь преобразования Галилея должны быть заменены преобразованиями Лоренца! Поэтому уравнения динамики следует изменить так, чтобы они оставались неизменными при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой согласно преобразованиям Лоренца. При малых скоростях уравнения релятивистской динамики должны переходить в классические, ибо в этой области их справедливость подтверждается на опыте.
Импульс и энергия. В теории относительности, как и в классической механике, для замкнутой физической системы сохраняются импульс и энергия Е, однако релятивистские выражения для них отличаются от соответствующих классических:
здесь - масса частицы. Это масса в той системе отсчета, где частица покоится. Часто ее называют массой покоя частицы. Она совпадает с массой частицы в нерелятивистской механике.
Можно показать, что выражаемая формулами (1) зависимость импульса и энергии частицы от ее скорости в теории относительности с неизбежностью следует из релятивистского эффекта замедления времени в движущейся системе отсчета. Это будет сделано ниже.
Релятивистские энергия и импульс (1) удовлетворяют уравнениям, аналогичным соответствующим уравнениям классической механики:
Релятивистская масса. Иногда коэффициент пропорциональности в (1) между скоростью частицы и ее импульсом
называют релятивистской массой частицы. С ее помощью выражения (1) для импульса и энергии частицы можно записать в компактном виде
Если релятивистской частице, т. е. частице, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, сообщить дополнительную энергию, чтобы увеличить ее импульс, то скорость ее при этом увеличится очень незначительно. Можно сказать, что энергия частицы и ее импульс увеличиваются теперь за счет роста ее релятивистской массы. Этот эффект наблюдается в работе ускорителей заряженных частиц высоких энергий и служит наиболее убедительным экспериментальным подтверждением теории относительности.
Энергия покоя. Самое замечательное в формуле заключается в том, что покоящееся тело обладает энергией: полагая в получаем
Энергию называют энергией покоя.
Кинетическая энергия. Кинетическая энергия частицы в некоторой системе отсчета определяется как разность между ее полной энергией и энергией покоя С помощью (1) имеем
Если скорость частицы мала по сравнению со скоростью света, формула (6) переходит в обычное выражение для кинетической энергии частицы в нерелятивистской физике.
Различие между классическим и релятивистским выражениями для кинетической энергии становится особенно существенным, когда скорость частицы приближается к скорости света. При релятивистская кинетическая энергия (6) неограниченно возрастает: частица, обладающая отличной от нуля массой покоя и
Рис. 10. Зависимость кинетической энергии тела от скорости
движущаяся со скоростью света, должна была бы иметь бесконечную кинетическую энергию. Зависимость кинетической энергии от скорости частицы показана на рис. 10.
Пропорциональность массы и энергии. Из формулы (6) следует, что при разгоне тела приращение кинетической энергии сопровождается пропорциональным приращением его релятивистской массы. Вспомним, что важнейшим свойством энергии является ее способность превращаться из одной формы в другую в эквивалентных количествах при различных физических процессах - именно в этом заключается содержание закона сохранения энергии. Поэтому естественно ожидать, что возрастание релятивистской массы тела будет происходить не только при сообщении ему кинетической энергии, но и при любом другом увеличении энергии тела независимо от конкретного вида энергии. Отсюда можно сделать фундаментальное заключение о том, что полная энергия тела пропорциональна его релятивистской массе независимо от того, из каких конкретных видов энергии она состоит.
Поясним сказанное на следующем простом примере. Рассмотрим неупругое столкновение двух одинаковых тел, движущихся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями, так что в результате столкновения образуется одно тело, которое покоится (рис. 11а).
Рис. 11. Неупругое столкновение, наблюдаемое в разных системах отсчета
Пусть скорость каждого из тел до столкновения равна а масса покоя Массу покоя образовавшегося тела обозначим через Теперь рассмотрим это же столкновение с точки зрения наблюдателя в другой системе отсчета К, движущейся относительно исходной системы К влево (рис. 11б) с малой (нерелятивистской) скоростью -и.
Так как то для преобразования скорости при переходе от К к К можно использовать классический закон сложения скоростей. Закон сохранения импульса требует, чтобы полный импульс тел до столкновения был равен импульсу образовавшегося тела. До столкновения полный импульс системы равен где релятивистская масса сталкивающихся тел; после столкновения он равен ибо вследствие массу образовавшегося тела и в К можно считать равной массе покоя. Таким образом, из закона сохранения импульса следует, что масса покоя образовавшегося в результате неупругого соударения тела равна сумме релятивистских масс сталкивающихся частиц, т. е. она больше, чем сумма масс покоя исходных частиц:
Рассмотренный пример неупругого соударения двух тел, при котором происходит превращение кинетической энергии во внутреннюю энергию, показывает, что увеличение внутренней энергии тела также сопровождается пропорциональным увеличением массы. Этот вывод должен быть распространен на все виды энергии: нагретое тело имеет большую массу, чем холодное, сжатая пружина имеет большую массу, чем несжатая, и т. п.
Эквивалентность энергии и массы. Закон пропорциональности массы и энергии является одним из самых замечательных выводов теории относительности. Взаимосвязь массы и энергии заслуживает подробного обсуждения.
В классической механике масса тела есть физическая величина, являющаяся количественной характеристикой его инертных свойств, т. е. мера инертности. Это инертная масса. С другой стороны, масса характеризует способность тела создавать поле тяготения и испытывать силу в поле тяготения. Это тяготеющая, или гравитационная, масса. Инертность и способность к гравитационным взаимодействиям представляют собой совершенно различные проявления свойств материи. Однако то, что меры этих различных проявлений обозначаются одним и тем же словом, не случайно, а обусловлено тем, что оба свойства всегда существуют совместно и всегда друг другу пропорциональны, так что меры этих свойств можно выражать одним и тем же числом при надлежащем выборе единиц измерения.
Равенство инертной и гравитационной масс есть экспериментальный факт, подтвержденный с огромной степенью точности в опытах Этвеша, Дикке и др. Как же следует отвечать на вопрос: есть ли масса инертная и масса гравитационная одно и то же или нет? По своим проявлениям они различны, но их числовые характеристики пропорциональны друг другу. Такое положение вещей характеризуют словом «эквивалентность».
Аналогичный вопрос возникает в связи с понятиями массы покоя и энергии покоя в теории относительности. Проявления свойств материи, соответствующих массе и энергии, бесспорно различны. Но теория относительности утверждает, что эти свойства неразрывно связаны, пропорциональны друг другу. Поэтому в этом смысле можно говорить об эквивалентности массы покоя и энергии покоя. Выражающее эту эквивалентность соотношение (5) называется формулой Эйнштейна. Она означает, что всякое изменение энергии системы сопровождается эквивалентным изменением ее массы. Это относится к изменениям различных видов внутренней энергии, при которых масса покоя меняется.
О законе сохранения массы. Опыт показывает нам, что в громадном большинстве физических процессов, в которых изменяется внутренняя энергия, масса покоя остается неизменной. Как это согласовать с законом пропорциональности массы и энергии? Дело в том, что обычно подавляющая часть внутренней энергии (и соответствующей ей массы покоя) в превращениях не участвует и в результате оказывается, что определяемая из взвешивания масса практически сохраняется, несмотря на то, что тело выделяет или поглощает энергию. Это объясняется просто недостаточной точностью взвешивания. Для иллюстрации рассмотрим несколько численных примеров.
1. Энергия, высвобождающаяся при сгорании нефти, при взрыве динамита и при других химических превращениях, представляется нам в масштабах повседневного опыта громадной. Однако если перевести ее величину на язык эквивалентной массы, то окажется, что эта масса не составляет и полной величины массы покоя. Например, при соединении водорода с кислорода выделяется около энергии. Масса покоя образовавшейся воды на меньше массы исходных веществ. Такое изменение массы слишком мало для того, чтобы его можно было обнаружить с помощью современных приборов.
2. При неупругом столкновении двух частиц по разогнанных навстречу друг другу до скорости добавочная масса покоя слипшейся пары составляет
(При такой скорости можно пользоваться нерелятивистским выражением для кинетической энергии.) Эта величина намного меньше погрешности, с которой может быть измерена масса
Масса покоя и квантовые закономерности. Естественно задать вопрос: почему при обычных условиях подавляющая часть энергии находится в совершенно пассивном состоянии и в превращениях не участвует? На этот вопрос теория относительности не может дать ответа. Ответ следует искать в области квантовых закономерностей,
одной из характерных особенностей которых является существование устойчивых состояний с дискретными уровнями энергии.
Для элементарных частиц энергия, соответствующая массе покоя, либо превращается в активную форму (излучение) целиком, либо вовсе не превращается. Примером может служить превращение пары электрон-позитрон в гамма-излучение.
У атомов подавляющая часть массы находится в форме массы покоя элементарных частиц, которая в химических реакциях не изменяется. Даже в ядерных реакциях энергия, соответствующая массе покоя тяжелых частиц (нуклонов), входящих в состав ядер, остается пассивной. Но здесь активная часть энергии, т. е. энергия взаимодействия нуклонов, составляет уже заметную долю энергии покоя.
Таким образом, экспериментальное подтверждение релятивистского закона пропорциональности энергии покоя и массы покоя следует искать в мире физики элементарных частиц и ядерной физики. Например, в ядерных реакциях, идущих с выделением энергии, масса покоя конечных продуктов меньше массы покоя ядер, вступающих в реакцию. Соответствующая этому изменению массы энергия с хорошей точностью совпадает с измеренной на опыте кинетической энергией образующихся частиц.
Как импульс и энергия частицы зависят от ее скорости в релятивистской механике?
Какая физическая величина называется массой частицы? Что такое масса покоя? Что такое релятивистская масса?
Покажите, что релятивистское выражение (6) для кинетической энергии переходит в обычное классическое при .
Что такое энергия покоя? В чем заключается принципиальное отличие релятивистского выражения для энергии тела от соответствующего классического?
В каких физических явлениях обнаруживает себя энергия покоя?
Как понимать утверждение об эквивалентности массы и энергии? Приведите примеры проявления этой эквивалентности.
Сохраняется ли масса вещества при химических превращениях?
Вывод выражения для импульса. Дадим обоснование формул (1), приведенных выше без доказательства, анализируя простой мысленный опыт. Для выяснения зависимости импульса частицы от скорости рассмотрим картину абсолютно упругого «скользящего» столкновения двух одинаковых частиц. В системе центра масс это столкновение имеет вид, показанный на рис. 12а: до столкновения частицы У и 2 движутся навстречу друг другу с одинаковыми по модулю скоростями, после столкновения частицы разлетаются в противоположные стороны с такими же по модулю скоростями, как и до столкновения. Другими словами,
при столкновении происходит только поворот векторов скоростей каждой из частиц на один и тот же небольшой угол
Как будет выглядеть это же столкновение в других системах отсчета? Направим ось х вдоль биссектрисы угла и введем систему отсчета К, движущуюся вдоль оси х относительно системы центра масс со скоростью, равной х-составляющей скорости частицы 1. В этой системе отсчета картина столкновения выгладит так, как показано на рис. 12б: частица 1 движется параллельно оси у, изменив при столкновении направление скорости и импульса на противоположное.
Сохранение х-составляющей полного импульса системы частиц при столкновении выражается соотношением
где - импульсы частиц после столкновения. Так как (рис. 126), требование сохранения импульса означает равенство х-составляющих импульса частиц 1 и 2 в системе отсчета К:
Теперь, наряду с К, введем в рассмотрение систему отсчета К, которая движется относительно системы центра масс со скоростью, равной х-составляющей скорости частицы 2.
Рис. 12. К выводу зависимости массы тела от скорости
В этой системе частица 2 до и после столкновения движется параллельно оси у (рис. 12в). Применяя закон сохранения импульса, убеждаемся, что в этой системе отсчета, как и в системе К, имеет место равенство -составляющих импульса частиц
Но из симметрии картин столкновения на рис. 12б,в легко сделать вывод о том, что модуль импульса частицы 1 в системе К равен модулю импульса частицы 2 в системе отсчета поэтому
Сопоставляя два последних равенства, находим т. е. у-составляющая импульса частицы 1 одинакова в системах отсчета К и К. Точно так же находим Другими словами, у-составляющая импульса любой частицы, перпендикулярная направлению относительной скорости систем отсчета, одинакова в этих системах. В этом и заключается главный вывод из рассмотренного мысленного эксперимента.
Но у-составляющая скорости частицы имеет различное значение в системах отсчета К и К. Согласно формулам преобразования скорости
где есть скорость системы К относительно К. Таким образом, в К у-составляющая скорости частицы 1 меньше, чем в К.
Это уменьшение у-составляющей скорости частицы 1 при переходе от К к К непосредственно связано с релятивистским преобразованием времени: одинаковое в К и К расстояние между штриховыми линиями А и В (рис. 12б, в) частица 1 в системе К проходит за большее время, чем в К. Если в К это время равно (собственное время, так как оба события - пересечение штрихов А и В - происходят в К при одном и том же значении координаты то в системе К это время больше и равно
Вспоминая теперь, что у-составляющая импульса частицы 1 одинакова в системах К и К, мы видим, что в системе К, где у-составляющая скорости частицы меньше, этой частице нужно приписать как бы ббльшую массу, если под массой понимать, как и в нерелятивистской физике, коэффициент пропорциональности между скоростью и импульсом. Как уже отмечалось, этот коэффициент называют иногда релятивистской массой. Релятивистская масса частицы зависит от системы отсчета, т. е. является величиной относительной. В той системе отсчета, где скорость частицы много меньше скорости света, для связи между скоростью и импульсом частицы справедливо обычное классическое выражение где есть масса частицы в том смысле, как она понимается в нерелятивистской физике (масса покоя). между скоростью и импульсом. Из приведенного вывода ясно, что это возрастание релятивистской массы, вызванное движением системы отсчета, действительно связано с релятивистским кинематическим эффектом замедления времени.
Возвращаясь к рис. 12, вспомним, что был рассмотрен случай скользящего столкновения, когда составляющая скорости частицы вдоль оси у была много меньше составляющей ее скорости вдоль оси х. В этом предельном случае входящая в полученную формулу относительная скорость систем К и к практически совпадает со скоростью частицы 1 в системе К. Поэтому найденное значение коэффициента пропорциональности между у-составляющими векторов скорости и импульса справедливо и для самих векторов. Таким образом, соотношение (3) доказано.
Вывод выражения для энергии. Выясним теперь, к каким изменениям в выражении для энергии частицы приводит формула для релятивистского импульса.
В релятивистской механике сила вводится таким образом, чтобы соотношение между приращением импульса частицы Др и импульсом силы было таким же, как и в классической физике:
Ее скорость и импульс меняются. Для нахождения приращения левой части (8)
Как с помощью мысленного эксперимента можно показать, что составляющая импульса частицы, перпендикулярная направлению относительной скорости двух систем отсчета, одинакова в обеих этих системах? Какую роль при этом играют соображения симметрии?
Поясните связь зависимости релятивистской массы частицы от ее скорости с релятивистским кинематическим эффектом замедления времени.
Каким образом можно прийти к релятивистской формуле для кинетической энергии, основываясь на пропорциональности между приращениями кинетической энергии и релятивистской массы?
После того, как Эйнштейн предложил принцип эквивалентности массы и энергии, стало очевидно, что понятие массы может использоваться двояко. С одной стороны, это та масса, которая фигурирует в классической физике, с другой - можно ввести так называемую релятивистскую массу как меру полной (включая кинетическую) энергии тела . Эти две массы связаны между собой соотношением:
где m rel - релятивистская масса, m - «классическая» масса (равная массе покоящегося тела), v - скорость тела. Введённая таким образом релятивистская масса является коэффициентом пропорциональности между импульсом и скоростью тела :
Аналогичное соотношение выполняется для классических импульса и массы, что также приводится как аргумент в пользу введения понятия релятивистской массы. Введённая таким образом релятивистская масса в дальнейшем привела к тезису, что масса тела зависит от скорости его движения .
В процессе создания теории относительности обсуждались понятия продольной и поперечной массы частицы. Пусть сила, действующая на частицу, равна скорости изменения релятивистского импульса. Тогда связь силы и ускорения существенно изменяется по сравнению с классической механикой:
Если скорость перпендикулярна силе, то , а если параллельна, то , где 
- релятивистский фактор. Поэтому m
γ = m
rel называют продольной массой, а m
γ 3 - поперечной.
Утверждение о том, что масса зависит от скорости, вошло во многие учебные курсы и в силу своей парадоксальности приобрело широкую известность среди неспециалистов. Однако в современной физике избегают использовать термин «релятивистская масса», используя вместо него понятие энергии, а под термином «масса» понимая массу покоя. В частности, выделяются следующие недостатки введения термина «релятивистская масса» :
§ неинвариантность релятивистской массы относительно преобразований Лоренца;
§ синонимичность понятий энергия и релятивистская масса, и, как следствие, избыточность введения нового термина;
§ наличие различных по величине продольной и поперечной релятивистских масс и невозможность единообразной записи аналогавторого закона Ньютона в виде
§ методологические сложности преподавания специальной теории относительности, наличие специальных правил, когда и как следует пользоваться понятием «релятивистская масса» во избежание ошибок;
§ путаница в терминах «масса», «масса покоя» и «релятивистская масса»: часть источников просто массой называют одно, часть - другое.
Несмотря на указанные недостатки, понятие релятивистской массы используется и в учебной , и в научной литературе. Следует, правда, отметить, что в научных статьях понятие релятивистской массы используется по большей части только при качественных рассуждениях как синоним увеличения инертности частицы, движущейся с околосветовой скоростью.
58. Строение атома. Опыты Резерфорда.
1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.
3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (нуклонов). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.
4. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.
Ядро - это центральная позитивно заряженная часть атома, в которой сосредоточена его масса.
Электрон - частица с негативным зарядом, который условно принят за -1.
Нейтрон - нейтральная частица, не имеющая электрического заряда. Масса нейтрона равна 1 а. е. м.
Протон - положительно заряженная частица, с такой же массой, как и нейтрон. Заряд протона равен заряду электрона и противоположен по знаку.
Число протонов в ядре атома равно числу электронов. Это число определяет заряд ядра атома элемента и его порядковый номер элемента в таблице Менделеева.
При известных условиях нейтрон может превращаться в протон и наоборот.
Атомные массы элементов в периодической таблице являются средним значением из массовых чисел природных смесей из изотопов. Поэтому они не могут, как считал Менделеев, служить главной характеристикой атома и элемента. Такой характеристикой является заряд ядра атома. Он определяет число электронов в нейтральном атоме, которые распределяются вокруг ядра по определенным орбитам и определяют химические свойства атомов. В результате этого было дано новое определение химического элемента и уточнена формулировка периодического закона:
Химический элемент - это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Свойства элементов, а также свойства и формы их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома элемента.
От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.
Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находилbcm в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n 2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром . Так возникла ядерная модель атома. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10 –14 –10 –15 м. Это ядро занимает только 10 –12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10 15 г/см 3 . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.
Квантовые числа электронов
Состояние каждого электрона в атоме обычно описывают с помощью четырех квантовых чисел: главного (n), орбитального (l), магнитного (m) и спинового (s). Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое - вокруг собственной оси.
Главное квантовое число (n). Определяет энергетический уровень электрона, удаленность уровня от ядра, размер электронного облака. Принимает целые значения (n = 1, 2, 3 ...) и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома и какой энергетический уровень является внешним.
Пример.
Элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n = 5. В его атоме электроны раcпределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).
Орбитальное квантовое число
(l)
характеризует геометрическую форму орбитали. Принимает значение целых чисел от 0 до (n - 1). Независимо от номера энергетического уровня, каждому значению орбитального квантового числа соответствует орбиталь особой формы. Набор орбиталей с одинаковыми значениями n называется энергетическим уровнем, c одинаковыми n и l - под Магнитное квантовое число
(m)
характеризует положение электронной орбитали в пространстве и принимает целочисленные значения от -I до +I, включая 0. Это означает, что для каждой формы орбитали существует (2l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве.
Для s- орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует m = 0. Сфера не может иметь разные ориентации в пространстве.
Для p- орбитали (l = 1) - три равноценные ориентации в пространстве (2l + 1 = 3): m = -1, 0, +1.
Для d- орбитали (l = 2) - пять равноценных ориентаций в пространстве (2l + 1 = 5): m = -2, -1, 0, +1, +2.
Таким образом, на s- подуровне - одна, на p- подуровне - три, на d- подуровне - пять, на f- подуровне - 7 орбиталей.
Спиновое квантовое число (s ) характеризует магнитный момент, возникающий при вращении электрона вокруг своей оси. Принимает только два значения +1/2 и –1/2 соответствующие противоположным направлениям вращения.
Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него. Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро - Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны - планеты).
Рассеивание альфа частиц в веществе.
Альфа-частицы испускались источником, помещенным внутри свинцовой полости. Все альфа-частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок альфа-частиц попадал на фольгу из золота перпендикулярно к ее поверхности; альфа-частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею, вызывали вспышки (сцинтилляции)
на экране, покрытым веществом, способным светиться при попадании частиц. В пространстве между фольгой и экраном обеспечивается достаточный вакуум, чтобы не происходило рассеяние альфа-частиц в воздухе. Конструкция прибора позволила наблюдать альфа-частицы, рассеянные под углом до 150 градусов.
59. Вероятностное описание – принципиальная особенность микромира.
60. Корпускулярно-волновой дуализм.
Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм - принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепцияквантованных полей в квантовой теории поля.
Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла .
Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году . Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).
В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.
Для фотона никакого гравитационного отклонения траектории не происходит . Фотон движется прямолинейно и равномерно по своей мировой линии в 4-х мерном пространстве-времени. Для нас же, наблюдателей движения фотона (света) в 3-х мерном пространстве в заданном времени, траектория фотона выглядит искривленной, из-за кривизны пространства вблизи массивных обьектов.
Такого понятия как "релятивистская масса" не существует в природе . Это впервые заметил (1989 г) Академик Лев Борисович Окунь. Он ввёл даже специальный термин - "педагогический вирус", кочующий из одного учебника в другой. Одну из последних публикаций по этому вопросу можете прочитать . Крутым парням рекомендую ознакомиться по этому поводу с научной статьей в .
Л. Окунь указывает, что из формулы Эйнштейна для энергии покоя, Е₀ = mc², и формулы полной энергии Е = γmc², не следует определение релятивистской массы (m′=γm), а следует лишь формула роста полной энергии со скоростью по релятивистскому закону Е = γЕ₀. Математически, определение "релятивистской массы" безупречно. Но масса не может зависеть от скорости. Только представьте себе - 3 компоненты массы?! Нонсенс.
И фотон и мы живем в одном и том же 4-х мерном пространстве-времени. Но измерять, видеть, чувствовать, наблюдать мы мощем только в 3-х мерном пространстве для каждого заданного момента времени в направлении в будущее. 4-х мерное пространство-время нам не доступно физически никак. Пути туда нет. О его существовании мы догадываемся из наблюдаемых релятивистских и гравитационных эффектов. Можно так же задать вопрос: "А почему это так?" или "Так ли это на самом деле?". Точного ответа на них нет и по-видимому не предвидется.
Ответить
Что фотоны как то поглощаются черными дырами вроде установлено.Но они безмассовые и гравитационного взаимодействия вроде не должно быть.Мне пока не "доходит".Ньютон сказап:нет вверх-вниз,а есть гравитация.Эйнштейн сказал:нет гравитации,а есть искривление пространства-времени.Как Ньютон додумался -вроде "врубиться "можно. Какие мозги надо,чтобы "постичь" Эйнштейна-не "врублюсь".Один из "упоров"-4 мерное пространство.Многомерные пространства в математике не диковинка (многомерные пространства и линейная алгебра во многих хороших учебниках).Но и там "заковыки":Римановы пространства,Гильбертовы,есть еще Банаховы и др.,которые к тому же могут быть сопряженными и еще самосопряженными.И сверху инструмент к ним в виде тензорного исчисления.Полный "абажур".Но охоту отбивать вовсе не намерен.Попробую некоторый луч света ввести в темное царство.Ведь на самом деле мы и 3-х мерное пространство не воспринимаем (воспринимаем его двумерную проекцию).Действительно.Кто может воспринять даже простой 3-х мерный куб сразу со всех сторон?Проще: если грани покрашены в разные цвета,то вы никак не скажете,какого цвета задняя или нижняя грани пока не повернете куб.А мы пытаемся"постичь" 4-х мерный куб сразу со всех сторон?!По крайней мере надо самому быть 4-х мерным или даже 5-ти мерным.Остается постигать абстрактными методами по крайней мере математикой.Не сильно обрадовал,но хоть возможно убедил,что биться лбом о 4-х мерную стенку не стоит.Все равно лоб не 4-х мерный,а всего лишь 3-х мерный.
Видимо, интернет-баталии насчет того, растет ли масса тела со скоростью или нет, будут вестись вечно. Уж не раз объясняли подробно, как, во-первых, этот вопрос правильно формулируется, а во-вторых, как на него ответить. Лев Борисович Окунь потратил немало усилий, чтобы максимально доступным языком объяснить всем сомневающимся, что современная физика использует только одно, релятивистски-инвариантное понятие массы и что понятие растущей со скоростью «релятивистской массы» — это педагогический вирус. Он даже опубликовал на этот счет отдельную книжку . Но только всё равно приходят новые люди и всё начинается сначала.
Однако в этот раз, в комментариях к одной новости на Элементах, этот разговор принял уже несколько иной оборот. Теперь высказывается мнение, что, мол, это Окунь «постановил», что масса от скорости не зависит, в то время как великие физики прошлого (перечисляются Борн, Паули, Фейнман) прямо писали, что масса со скоростью растет. Типа, это что же, Окунь единолично изменил базовое понятие физики?!
По этому поводу чувствую, что нужно высказаться еще раз, — и, надеюсь, в последний раз, — по поводу «релятивистской массы».
Во-первых, эти баталии касаются не физического явления или свойства, а термина. Они не несут никаких последствий для самой физики, они имеют лишь педагогическую ценность. И Паули, и Фейнман, и Окунь, и все остальные физики, которые занимаются физикой элементарных частиц или другими релятивистскими разделами физики, — все они полностью сходятся друг с другом в формулах, выражающих физические законы. Поэтому не надо приписывать Окуню мнимых «революций» в релятивистской механике.
Во-вторых, все физики, работа которых опирается на релятивистскую механику, в частности, физика частиц, гравитация, атомная физика и т.п., уже много десятилетий оперируют только понятием массы как лоренц-инвариантной величины. Масса — это присущая телу характеристика, не зависящая от системы отсчета и эквивалентная энергии покоя (дальнейшие подробности — на страничке про инвариантную массу). Энергия — со скоростью растет, энергия покоя и масса — нет.
Несмотря на то, что формально можно использовать величину «релятивистская масса» (т.е. просто энергия, деленная на c 2), она не несет никакой полезной нагрузки, а только плодит ненужные сущности и затрудняет словесное описание формул. Так было принято задолго до Окуня и давным-давно стало стандартом в физике. В этом смысле, все учебники, которые повторяют слова про массу, растущую со скоростью, отстали от современной терминологии более чем на полвека.
На всякий случай, чтоб не думали, что Окунь тут идет против остальных, вот от Мэтта Стрэсслера, видного физика и автора одного из самых известных блогов по физике частиц.
В-третьих, понятие релятивистской массы не только пустое в научном смысле, но и вредное — в педагогическом. Масса, растущая со скоростью, формирует у человека яркое, интуитивно привлекательное, но неправильное понимание явлений, развивает неправильную физическую интуицию. Если человек собирается заниматься физикой всерьез, то ему всё равно придется переучиться. Но даже если не собирается, эта интуиция будет постоянно ему подсовывать неверное толкование некоторых физических ситуаций. Вот несколько примеров, когда интуиция, основанная на релятивистской массе, приводит к неправильному предсказанию или к несостыковке с другими физическими утверждениями.
- Если тело движется со скоростью, очень близкой к скорости света, и его масса растет (а продольный размер сокращается), то значит, рано или поздно радиус Шварцшильда превысит размер тела и оно схлопнется в черную дыру. Разумеется, ничего подобного не происходит.
- Физики говорят, что хиггсовское поле отвечает за массу частиц (заметьте, без каких-либо эпитетов насчет массы). Получается, что чем быстрее частица движется, тем сильнее на нее действует хиггсовское поле. Это тоже неверно.
- В согласии с концепцией релятивистской массы, все фотоны тоже обладают какой-то массой. Получается, хиггсовское поле действует и на фотон? Нет конечно, фотон остается безмассовым — это важнейшее следствие хиггсовского механизма Стандартной модели.
- Физики говорят, что все электроны идентичны, и поэтому, в частности, работает принцип запрета Паули. Но как же они могут быть идентичны, если у них разные массы?
- Электрон в неподвижном атоме, в целом, неподвижен, т.е. в целом он никуда не летит. Но в согласии с квантовой механикой, он там как-то движется, причем у него там нет какой-то определенной скорости. Так какую массу мы ему будем приписывать?
