В физике соотношение энергии-импульса или релятивистское дисперсионное соотношение — это релятивистское уравнение, связывающее полную энергию (которую также называют релятивистской энергией ) с инвариантной массой (которую также называют массой покоя) и импульсом . Это расширение эквивалентности массы-энергии для тел или систем с ненулевым импульсом.
Его можно сформулировать так:
Это уравнение справедливо для тела или системы , например, одной или нескольких частиц , с полной энергией E , инвариантной массой m 0 и импульсом величины p ; постоянная c — скорость света . Оно предполагает случай специальной теории относительности плоского пространства-времени [1] [2] [3] и то, что частицы свободны. Полная энергия — это сумма энергии покоя и релятивистской кинетической энергии : Инвариантная масса — это масса, измеренная в системе отсчета центра импульса . Для тел или систем с нулевым импульсом оно упрощается до уравнения масса–энергия , где полная энергия в этом случае равна энергии покоя.
Модель моря Дирака , которая использовалась для предсказания существования антиматерии , тесно связана с соотношением энергии и импульса.
Соотношение энергии и импульса согласуется с известным соотношением массы и энергии в обеих его интерпретациях: E = mc 2 связывает полную энергию E с (полной) релятивистской массой m (альтернативно обозначаемой m rel или m tot ), тогда как E 0 = m 0 c 2 связывает энергию покоя E 0 с (инвариантной) массой покоя m 0 .
В отличие от любого из этих уравнений, уравнение энергии-импульса ( 1 ) связывает полную энергию с массой покоя m 0. Все три уравнения справедливы одновременно.
Более общая форма соотношения ( 1 ) справедлива для общей теории относительности .
Инвариантная масса (или масса покоя) является инвариантом для всех систем отсчета (отсюда и название), не только в инерциальных системах в плоском пространстве-времени, но и в ускоренных системах, движущихся через искривленное пространство-время (см. ниже). Однако полная энергия частицы E и ее релятивистский импульс p зависят от системы; относительное движение между двумя системами заставляет наблюдателей в этих системах измерять разные значения энергии и импульса частицы; одна система измеряет E и p , в то время как другая система измеряет E ′ и p ′ , где E ′ ≠ E и p ′ ≠ p , если только нет относительного движения между наблюдателями, в этом случае каждый наблюдатель измеряет одну и ту же энергию и импульс. Хотя в плоском пространстве-времени у нас все еще есть:
Величины E , p , E ′ , p ′ связаны преобразованием Лоренца . Это соотношение позволяет обойти преобразования Лоренца при определении только величин энергии и импульсов, приравнивая соотношения в разных системах отсчета. Опять же, в плоском пространстве-времени это переводится как;
Поскольку m 0 не меняется от системы к системе, соотношение энергии и импульса используется в релятивистской механике и расчетах физики элементарных частиц , поскольку энергия и импульс заданы в системе покоя частицы (то есть E ′ и p ′, как это мог бы сделать наблюдатель, движущийся вместе с частицей) и измерены в лабораторной системе (то есть E и p, как это определяют физики, изучающие элементарные частицы, в лаборатории, а не как они движутся вместе с частицами).
В релятивистской квантовой механике это основа построения релятивистских волновых уравнений , поскольку если релятивистское волновое уравнение, описывающее частицу, согласуется с этим уравнением – оно согласуется с релятивистской механикой, и является лоренц-инвариантным . В релятивистской квантовой теории поля это применимо ко всем частицам и полям. [4]
Соотношение энергии и импульса восходит к статье Макса Планка [5], опубликованной в 1906 году. Оно было использовано Уолтером Гордоном в 1926 году, а затем Полем Дираком в 1928 году в форме , где V — количество потенциальной энергии. [6] [7]
Уравнение можно вывести несколькими способами, два самых простых из которых включают в себя:
Для массивного объекта, движущегося с трехскоростью u = ( ux , u y , uz ) с величиной | u | = u в лабораторной системе отсчета : [1]
— полная энергия движущегося объекта в лабораторной системе отсчета,
— трехмерный релятивистский импульс объекта в лабораторной системе отсчета с величиной | p | = p . Релятивистская энергия E и импульс p включают фактор Лоренца, определяемый как:
Некоторые авторы используют релятивистскую массу, определяемую следующим образом:
хотя масса покоя m 0 имеет более фундаментальное значение и будет использоваться в этой статье в первую очередь вместо релятивистской массы m .
Возведение в квадрат 3-импульса дает:
затем , решая относительно u2 и подставляя в фактор Лоренца, получаем его альтернативную форму в терминах 3-импульса и массы, а не 3-скорости:
Подставляя эту форму фактора Лоренца в уравнение энергии, получаем:
с последующей перестановкой это дает ( 1 ). Устранение фактора Лоренца также устраняет неявную зависимость скорости частицы в ( 1 ), а также любые выводы о «релятивистской массе» массивной частицы. Этот подход не является общим, поскольку безмассовые частицы не рассматриваются. Наивная установка m 0 = 0 будет означать, что E = 0 и p = 0 , и никакое соотношение энергии-импульса не может быть выведено, что неверно.
В пространстве Минковского энергия (деленная на c ) и импульс являются двумя компонентами четырехвектора Минковского , а именно четырехимпульса ; [8]
(это контравариантные компоненты).
Внутреннее произведение Минковского ⟨ , ⟩ этого вектора на самого себя дает квадрат нормы этого вектора, он пропорционален квадрату массы покоя m тела:
Лоренц - инвариантная величина, и, следовательно, независимая от системы отсчета . Используя метрику Минковского η с метрической сигнатурой (− + + +) , скалярное произведение равно
и
так
или, в натуральных единицах, где c = 1,
В общей теории относительности 4-импульс представляет собой 4-вектор, определенный в локальной системе координат, хотя по определению скалярное произведение аналогично определению в специальной теории относительности,
в котором метрика Минковского η заменяется метрическим тензорным полем g :
решено из уравнений поля Эйнштейна . Тогда: [9]
Выполнение суммирования по индексам с последующим сбором «времениподобных», «пространственно-времениподобных» и «пространственно-подобных» членов дает:
где множитель 2 возникает, поскольку метрика является симметричным тензором , и используется соглашение о латинских индексах i , j, принимающих пространственно-подобные значения 1, 2, 3. Поскольку каждый компонент метрики в целом имеет пространственную и временную зависимость, это значительно сложнее формулы, приведенной в начале, для получения дополнительной информации см. метрический тензор (общая теория относительности) .
В натуральных единицах , где c = 1 , уравнение энергии-импульса сводится к
В физике элементарных частиц энергия обычно задаётся в единицах электрон-вольт (эВ), импульс в единицах эВ· с −1 , а масса в единицах эВ· с −2 . В электромагнетизме , и из-за релятивистской инвариантности, полезно иметь электрическое поле E и магнитное поле B в одной и той же единице ( Гаусс ), используя систему единиц СГС (Гаусса) , где энергия задаётся в единицах эрг , масса в граммах (г), а импульс в г·см·с −1 .
Энергия также может быть теоретически выражена в единицах граммов, хотя на практике требуется большое количество энергии, чтобы быть эквивалентной массе в этом диапазоне. Например, первая атомная бомба выделила около 1 грамма тепла , а самые большие термоядерные бомбы вырабатывали килограмм или более тепла. Энергии термоядерных бомб обычно указываются в десятках килотонн и мегатонн, ссылаясь на энергию, высвобождаемую при взрыве такого количества тринитротолуола (ТНТ).
Для тела в системе покоя импульс равен нулю, поэтому уравнение упрощается до
где m 0 — масса покоя тела.
Если объект не имеет массы, как в случае фотона , то уравнение сводится к
Это полезное упрощение. Его можно переписать другими способами, используя соотношения де Бройля :
если даны длина волны λ или волновое число k .
Переписываем соотношение для массивных частиц как:
и разложение в степенной ряд по биномиальной теореме (или ряд Тейлора ):
в пределе, когда u ≪ c , мы имеем γ ( u ) ≈ 1 , поэтому импульс имеет классическую форму p ≈ m 0 u , тогда в первом порядке по ( п/м 0 с )2
(т.е. сохранить термин ( п/м 0 с )2 н
для n = 1 и пренебрегаем всеми членами для n ≥ 2 ) имеем
или
где второй член — классическая кинетическая энергия , а первый — энергия покоя частицы. Это приближение недействительно для безмассовых частиц, поскольку расширение требовало деления импульса на массу. Кстати, в классической механике нет безмассовых частиц.
В случае многих частиц с релятивистскими импульсами p n и энергией E n , где n = 1, 2, ... (вплоть до общего числа частиц) просто маркирует частицы, измеренные в конкретной системе отсчета, причем четыре импульса в этой системе отсчета могут быть сложены;
и затем взять норму; чтобы получить соотношение для многочастичной системы:
где M 0 — инвариантная масса всей системы, и она не равна сумме масс покоя частиц, если только все частицы не находятся в состоянии покоя (см. массу в специальной теории относительности для более подробной информации). Подстановка и перестановка дает обобщение ( 1 );
Энергии и импульсы в уравнении зависят от системы отсчета, тогда как M 0 не зависит от системы отсчета.
В системе центра импульса (системе отсчета центра импульса) по определению имеем:
с выводом из ( 2 ), что инвариантная масса также является массой-энергией центра импульса (ЦИМ), за исключением фактора c2 :
и это справедливо для всех систем, поскольку M 0 не зависит от системы отсчета. Энергии E COM n находятся в системе отсчета COM, а не в лабораторной системе отсчета. Однако многие знакомые связанные системы имеют лабораторную систему отсчета в качестве системы отсчета COM, поскольку сама система не находится в движении, и поэтому все импульсы сокращаются до нуля. Примером может служить простой объект (где колебательные импульсы атомов сокращаются) или контейнер с газом, когда контейнер находится в состоянии покоя. В таких системах все энергии системы измеряются как масса. Например, тепло в объекте на весах или сумма кинетических энергий в контейнере с газом на весах — все это измеряется весами как масса системы.
Либо энергии, либо импульсы частиц, измеренные в некоторой системе отсчета, можно исключить, используя соотношение энергии и импульса для каждой частицы:
позволяя M 0 быть выраженным через энергии и массы покоя, или импульсы и массы покоя. В конкретной системе отсчета квадраты сумм могут быть переписаны как суммы квадратов (и произведений):
поэтому, подставляя суммы, мы можем ввести их массы покоя m n в ( 2 ):
Энергии можно устранить следующим образом:
Аналогично импульсы можно исключить:
где θ nk — угол между векторами импульса p n и p k .
Перестановка:
Поскольку инвариантная масса системы и массы покоя каждой частицы не зависят от системы отсчета, правая часть также является инвариантом (даже если все энергии и импульсы измеряются в определенной системе отсчета).
Используя соотношения де Бройля для энергии и импульса волн материи ,
где ω — угловая частота , а k — волновой вектор с величиной | k | = k , равной волновому числу , соотношение энергии и импульса можно выразить через волновые величины:
и убираем все путем деления на ( ħc ) 2 :
Это также можно вывести из величины четырехволнового вектора
аналогично четырехимпульсу, описанному выше.
Поскольку приведенная постоянная Планка ħ и скорость света c появляются и загромождают это уравнение, именно здесь естественные единицы особенно полезны. Нормируя их так, чтобы ħ = c = 1 , мы имеем:
Скорость брадиона с релятивистским соотношением энергии и импульса
никогда не может превышать c . Напротив, оно всегда больше c для тахиона, уравнение энергии-импульса которого [10]
Напротив, гипотетическая экзотическая материя имеет отрицательную массу [11] , а уравнение энергии-импульса имеет вид