Фейнмановские лекции по физике. 2. Пространство. Время. Движение

Фейнман Ричард Филлипс

У этой стрелки временная компонента дает энергию, а пространственные — тривектор импульса; сама стрелка «реальнее», чем один только импульс или одна лишь энергия: ведь и импульс, и энергия зависят от нашей точки зрения.

§ 5. Алгебра четырехвекторов

Четырехвекторы обозначаются иначе, чем тривекторы. На­пример, тривектор импульса обозначают р. Если хотят дать более детальную запись, то говорят о трех компонентах р_{х,pу, рz; можно писать и короче рi, оговаривая, что iпринимает три значения х, у и z. Для четырехвекторов мы будем при­менять похожее обозначение: будем писать рm , а m.}

пусть заменяет собой четыре направления t, x, у, z.

Конечно, можно пользоваться любыми обозначениями. Не улыбайтесь, что мы так много говорим об обозначениях; учи­тесь изобретать их: в них вся сила. Ведь и сама математика в значительной степени состоит в изобретении лучших обозна­чений. Идея четырехвектора — это тоже усовершенствование обозначений с таким расчетом, чтобы преобразования было легче запомнить.

Итак, А_m — это общий четырехвектор, р_m — четырехимпульс, p_t — энергия, р_х— импульс в направлении х, р_y— в направ­лении у, p_z— в направлении z. Складывая четырехвекторы, складывают их соответствующие компоненты.

Если четырехвекторы связаны каким-то уравнением, то это значит, что уравнение выполняется для любой компоненты. Например, если закон сохранения тривектора импульса со­блюдается в столкновении частиц, т. е. сумма импульсов множе­ства взаимодействующих или сталкивающихся частиц по­стоянна, то это означает, что сумма всех компонент импульсов постоянна и в направлении х, и в направлении у, и в направ­лении 2. Сам по себе такой закон в теории относительности невозможен: он неполон; это все равно, что говорить только о двух компонентах тривектора. Неполон он потому, что при повороте осей разные компоненты смешиваются, значит, в закон сохранения должны войти все три компоненты. Таким образом, в теории относительности нужно дополнить закон сохранения импульса, включив в него сохранение временной компоненты. Абсолютно необходимо, чтобы сохранение первых трех компонент сопровождалось сохранением четвертой, иначе не получится релятивистской инвариантности. Четвертое урав­нение — это как раз сохранение энергии; оно должно сопровож­дать сохранение импульса для того, чтобы четырехвекторные соотношения в геометрии пространства-времени были спра­ведливы. Итак, закон сохранения энергии и импульса в че­тырехмерном обозначении таков:

или в чуть измененных обозначениях:

где i=l, 2, ... относится к сталкивающимся частицам, j=1, 2,... — к частицам, возникающим при столкновении, а m=x, у, z или t. Вы спросите: «А что по осям координат?» Это неважно. Закон верен для любых компонент, при любых осях.

В векторном анализе нам встретилось одно понятие — ска­лярное произведение двух векторов. Что соответствует ему в пространстве-времени? При обычных вращениях неизменной остается величина x²+y²+z². В четырехмерном мире таким свойством при преобразованиях обладает величина t²– х²– у²– z² [уравнение (17.3)]. Как можно это записать? Можно было бы, например, пользоваться значком наподобие

, но обычно пишут

Штрих при S напоминает, что первый, «временной» член по­ложителен, а остальные три отрицательны. Эта величина одна и та же в любой системе координат, и можно назвать ее квадратом длины четырехвектора. Чему равен, например, квадрат длины четырехвектора импульса отдельной частицы?

Ответ: р²_t– р²_x– Р²_у– p²_z, или, иначе, Е²– р², потому что p_tэто и есть Е. Чему равно Е²– р²? Должно по условию получиться что-то, что одинаково в любой системе координат, в частности и в системе координат, которая движется вместе с частицей, так что частица в этой системе покоится. Но если частица неподвижна, значит, у нее нет импульса. Значит, у нее остается только энергия, совпадающая в этом случае с ее массой. Итак, Е²– р²=m²₀, т. е. квадрат длины четырехвектора импульса равен m²₀.

Пользуясь выражением для квадрата вектора, легко изоб­рести скалярное произведение двух четырехвекторов: если один из них а_m , а другой b_m, то скалярное произведение опре­деляется так:

Это выражение не меняется при преобразовании системы коор­динат.

Следует еще упомянуть о частицах с нулевой массой покоя, например о фотоне — частице света. Фотон похож на частицу тем, что он переносит энергию и импульс. Энергия фотона равна произведению некоторой постоянной (постоянная Планка) на частоту света: E,=hv. Такой фотон несет с собой и импульс, который (как у всякой частицы) равен постоянной h, деленной на длину волны света: p=h/l. Но у фотона связь между ча­стотой и длиной волны вполне определенна: v—c/l. (Количество волн, проходящих за 1 сек, помноженное на их длину, даст расстояние, проходимое светом в 1 сек, т. е. с.) Мы сходу получаем, что энергия фотона равна его импульсу, умноженному на с, и, далее, полагая с = 1, что энергия равна импульсу. Но это и значит, что масса покоя равна нулю. Давайте вдумаемся в это любопытное обстоятельство. Если фотон — частица с нулевой массой покоя, то что с ним бывает, когда он останав­ливается? Но он никогда не останавливается! Он всегда движется со скоростью с. Обычная формула для энергии — это m₀/Ц(1-v²). Можно ли утверждать, что при m₀=0 и v=1 энергия фотона равна нулю? Нет, нельзя; на самом деле фотон может обладать (и обладает) энергией, хоть и не имеет массы покоя, за счет того, что всегда движется со скоростью света!

Мы знаем также, что импульс любой частицы равен про­изведению полной энергии на скорость: p=vE при с=1, или, в обычных единицах, p=vE/c². Для любой частицы, движущейся со скоростью света, р=Е, если с=1. Формулы для энергии фотона в движущейся системе даются по-прежнему уравнением (17.12), но вместо импульса туда нужно подставить энергию, умноженную на с (на 1). Изменение энергии при преобразо­вании означает изменение частоты света. Это явление назы­вается эффектом Допплера; формулу для него легко получить из уравнения (17.12), положив Е=р и E=hv.

Как сказал Минковский: «Пространство само по себе и время само по себе погрузятся в реку забвенья, а останется жить лишь своеобразный их союз».

Глава 18

ДВУМЕРНЫЕ ВРАЩЕНИЯ

§ 1. Центр масс

§ 2. Вращение твердого тела

§ 3. Момент количества движения

§ 4. Закон сохранения момента количества движения

§ 1. Центр масс

В предыдущих главах мы изучали механику точек, или маленьких частиц, внутренняя структура которых нас совершенно не инте­ресовала. В последующих нескольких главах мы изучим применение законов Ньютона к более сложным вещам. Но ведь чем сложнее объект, тем он интереснее, и вы сами увидите, что явления, связанные с такими более сложны­ми объектами, поистине поразительны. Разу­меется все эти явления не содержат ничего большего, чем комбинации законов Ньютона, однако временами просто трудно поверить, что все это произошло из F=ma!

Что это за более сложные объекты, с кото­рыми мы будем иметь дело в дальнейшем? Это может быть течение воды, вращение галактик и т. д. Но сначала давайте разберемся с наи­более простым из сложных объектов—твердым телом. Этим термином мы будем называть мо­нолитный объект, который одновременно с из­менением положения может еще и вращаться как целое. Впрочем, даже такой простой объ­ект может двигаться достаточно сложно, поэто­му давайте сначала рассмотрим наиболее прос­той случай движения, когда тело крутится во­круг неподвижной оси, причем каждая точка этого тела движется в плоскости, перпендику­лярной к этой оси. Такое вращение тела во­круг неподвижной оси называется плоским, или двумерным. Позднее, когда мы обобщим наш результат на случай трех измерений, вы увидите, что вращение гораздо более хитрая штука, чем механика частицы, и без доста­точного опыта в двух измерениях понять трех­мерные вращения очень трудно.