Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Специальная теория относительности являет собой один из важнейших разделов физики, ставшим особенно актуальным в наше время, когда научно-технический прогресс достиг таких вершин, при которых стало необходимо учитывать релятивистские эффекты не только в фундаментальных исследованиях но и в прикладных и инженерных науках. Так, американская система GPS, в первоначальных расчетах которой не были учтены релятивистские поправки, давала на практике огромные погрешности позиционирования, которые не позволяли использовать ее по прямому назначению. Только после корректировки расчетов, которая учитывала релятивистские и гравитационные эффекты система позиционирования заработала с нужной точностью. Учет подобных эффектов необходим и в системах наведения современного оружия.
Однако парадоксальным феноменом состояния современных программ и методик изучения теории относительности в высших технических учебных заведениях и во многих изданиях технической литературы является ошибочное представление существования различных масс одного и того же тела — массы покоя и релятивистской массы и представления об увеличении массы с ростом скорости тела.
Сам А. Эйнштейн как автор специальной теории относительности был противником введения понятия релятивистской массы и рассматривал массу как инвариантную величину [1–4]. Подобное рассмотрение применяется и в теоретической физике. Однако в учебной литературе и научно-популярных изданиях практически повсеместно используется понятие массы покоя и массы релятивистской.
(1)
где — масса покоя.
Такое представление вредно для понимания сути дисциплины, поскольку вносит путаницу в сознание студента. В теоретической физике, ядерной физике, астрофизике понятия релятивистской массы нет. Масса введена как величина инвариантная при переходе из одной системы координат в другую. Основные уравнения СТО гласят:
(2)
(3)
При смене системы отсчета изменятся энергия и импульс тела а масса останется неизменной:
(4)
Но между уравнением (2) и уравнением (4) стоит знак равенства, поскольку все физические законы не должны зависеть от выбора системы координат. Отсюда можно сделать вывод о инвариантности массы.
При и уравнение (2) примет вид где — энергия покоя.
Классическая механика интерпретирует массу как меру инертности тела. Теория относительности связывает энергию тела и его массу. Мерой инертности в СТО становится уже не масса а энергия тела. Эксперименты на ускорителях полностью подтверждают правоту теории относительности.
С точки зрения математического аппарата понятие релятивистской массы дает правильные расчеты нужных величин, но с точи зрения физического смысла приводит к абсурду.
Приведем некоторые примеры учебников и учебных пособий, оперирующих понятиями релятивистской массы и массы покоя:
1. Санкт-Петербургский государственный университет. Е.И. Бутиков. Релятивистские представления в курсе обшей физики.
Глава 2. Релятивистская динамика
2.1. Импульс частицы в релятивистской механике
«…В классической физике масса m частицы – постоянная величина, не зависящая от состояния ее движения. Импульс определяется, как произведение массы частицы на ее скорость P = mv…»
2.1.1. Принцип соответствия и релятивистский импульс «…В релятивистской механике импульс частицы также определяется ее скоростью… Релятивистское выражение для импульса должно иметь вид P = mvv, где величина mv может зависеть только от абсолютной величины скорости частицы…»
2.2. Релятивистская энергия
2.2.2. Масса покоя и энергия покоя «…Отсюда можно сделать фундаментальное заключение о том, что полная энергия тела пропорциональна его массе независимо от того из каких видов она состоит…»
2.2.3. Пропорциональность массы и энергии «…Поэтому можно говорить об эквивалентности массы и энергии. Всякое изменение энергии системы сопровождается эквивалентным изменением ее массы… Экспериментальное подтверждение релятивистского закона пропорциональности энергии и массы следует искать в ядерной физике и физике элементарных частиц…» [5].
2. Казанский (Приволжский) федеральный университет. Основная литература, учебное пособие. С.И. Кузнецов, Г.Н. Дудкин, В.Н. Забаев Ускорители заряженных частиц.
«…Циклотрон-циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц. Циклотрон позволяет ускорять протоны до энергии примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к увеличению периода обращения (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается…»
«…Синхрофазотрон. Это наиболее современный циклический ускоритель протонов, позволяющий получить энергии в несколько ГэВ. В фазотронах, микротронах, синхротронах и синхрофазотронах частицы ускоряются до релятивистских скоростей. Масса частицы зависит от скорости».
«…Большой адронный коллайдер. Протонный синхротрон-протоны разгоняются до 99,6 % скорости света. В результате такого воздействия увеличивается масса протонов, если говорить кратко, то протоны не могут ускоряться, а становятся тяжелее. На этой стадии энергия каждой частицы равняется 25 млрд. электронвольт, при этом протоны становятся в 25 раз тяжелее, чем в состоянии покоя. …Затем пучки протонов перемещаются в большой адронный коллайдер… масса протона становится в 7000 раз больше нормальной…» [6].
В вышеперечисленных примерах процесс ускорения частиц объясняется с использованием понятия массы покоя и релятивистской массы. Однако на самом деле увеличивается не масса а энергия частиц, изменяется импульс, как величина зависящая от энергии. Поэтому изменяется и период обращения частиц, что в свою очередь ведет к необходимости корректировки синхронизации ускоряющего поля.
Термин «релятивистская масса», являющийся по сути некой абстракцией, введенной для облегчения понимания сути СТО чисто в педагогических целях, на самом деле наносит непоправимый вред истинному пониманию предмета. Да, гораздо проще ввести ничем не обоснованное, однако более удобоваримое в умах студентов утверждение об увеличении массы с ростом скорости и на этом построить дальнейшие объяснения теории относительности, чем проводить математические выкладки, требующие отказаться от попыток созерцательного представления сути явления и так часто использующихся в классической физике, где наглядное представление играет огромную роль в понимании процесса.
В теоретической физике есть понятие эффективной массы, которая являет собой нечто похожее на релятивистскую массу, но понятие это чисто математическое, вводится для удобства, и в самом названии термин «эффективная» отражает ее «виртуальность», аналогично термину «приведенная масса», используемого в механике. В обоих этих случаях у учащихся нет сомнений, что реальных тел с такими массами не существует. Эти массы ничто иное как некая математическая модель, которая облегчает понимание и сокращает записи. И вполне можно обойтись и без них, используя в расчетах реальные массы тел. И в отношении данных понятий у студента формируется правильное их понимание. Понятие же релятивистской массы по своей сути провозглашает ее как совершенно реальную массу тела, существующую в данный момент в природе, а не как «виртуальную», введенную для сокращения записей и облегчения понимания. При этом релятивистская масса представляется как лоренц-вектор, а не как лоренц-скаляр. И в этом кроется искажение ее сущности. Но согласно формуле (4) масса представляет собой лоренц-скаляр. Тут-то и получается физическое противоречие.
Таким образом при изучении СТО складывается парадоксальная ситуация. С одной стороны налицо искажение сути понятия массы, а с другой стороны полученные уравнения позволяют делать верные математические расчеты при решении релятивистских задач. Изучение и анализ изложенных проблем и оценок позволит избежать очередного провала качества высшего образования в стране. [7]. Все это ведет к необходимости в XXI веке, веке научных достижений и высоких технологий, начинать правильно освещать этот раздел фундаментальных знаний.
