Обиди за релативистичката енергија и импулс

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај
Кинетичката енергија во специјалната релативност и Њутновата механика. Релативистичката кинетичка енергија се зголемува до бесконечност кога се доближува до брзината на светлината, па така ниедно масивно тело не може да ја достигне оваа брзина.

Обиди за релативистичката енергија и импулс — обиди чија цел е мерење на релативистичките изрази за енергијата, импулсот, и масата. Според специјалната релативност, својствата на честичките кои се движат со брзина приближна на брзината на светлината што значително отстапува од предвидувањата на Њутновата механика. На пример, брзината на светлината не можат да ја постигнат масивни честички.

Денес, овие релативистички изрази за честичките кои се со брзини блиски до брзината на светлината, постојано се потврдуваат во лабораториите на универзитетите, и се потребни во осмислувачкото и теоретизирачкото оценување на обидите на судири во забрзувачите на честичките.[1][2] Поврзано: обиди за специјалната релативност.

Преглед[уреди | уреди извор]

Слично како и кинетичката енергија, релативистичкиот импулс се зголемува до бесконечност кога се приближува до брзината на светлината.

Во класичната механика, кинетичката енергија и импулсот се изразени со равенството:

Од друга страна, специјалната релативност предвидува дека брзината на светлината е константа во сите инерцијални појдовни системи. Релативистичкиот запис за енергијата и импулсот е:

,

од каде записите за енергијата во мирување , релативистичката енергија (мирување + кинетичка) , кинетичката енергија , и импулсот на масивните честички може да се запише како:

, каде .

Па така релативистичката енергија и импулс значително се зголемуваат со брзината, што значи дека не можат да ја постигнат брзината на светлината. Во некои учебници за релативноста, т.н. „релативистичка маса се користи и понатаму. Сепак, оваа замисла се смета за негативна за многу автори, велејќи дека треба да се користат изразите за релативистичката енергија и импулс за да се изрази зависноста на брзината од релативноста, со што се обезбедуваат истите експериментални предвидувања.

Првични експерименти[уреди | уреди извор]

Првите експерименти наменети за забележување на овие врски биле направени од Валтер Кауфман, Алфред Бухерер и други помеѓу 1901 и 1915 година. Овие експерименти имале за цел да ги измерат прекршувањата на бета-зраците во внатрешноста на магнетното поле за да се определи односот маса-полнеж. Бидејќи било познато дека полнежот е независен од брзината, било каква промена би требало да биде поврзана со зголемувањето во електронското забрзување или маса (формално познато како трансферзална електромагнетна маса . Која е еднаква на релативистичката маса како што е споменато погоре). Па бидејќи поимот релативистичка маса повеќе не е во употреба во современите учебници, овие опити можат да се опишат преку релативистичкиот импулс или енергијата, па оттука важи следното равенство:

Електроните се движат со брзина меѓу 0,25-0,75c со што се забележува зголемување на импулсот, што пак е во согласност со релативистичките предвидувања, и истите се сметаат за доказ на специјалната релативност. Меѓутоа, подоцна било укажано дека, иако обидите се складни со релативноста, истите не биле доволно прецизни за да се отфрлат другите модели за електронот, како оној на Макс Абрахам.[3][4]

Веќе во 1915 година, Арнолд Зомерфелд бил во можност да извади Fine structure of hydrogen-like spectra by using the relativistic expressions for momentum and energy (in the context of the Bohr–Sommerfeld theory). Subsequently, Karl Glitscher simply replaced the relativistic expression's by Abraham's, demonstrating that Abraham's theory is in conflict with experimental data and is therefore refuted, while relativity is in agreement with the data.[5]


Прецизни мерења[уреди | уреди извор]

Во 1940 година, Роџерс го направил првиот доволно прецизен тест за дефлексија на електронот за да ги надмине сите останати модели во конкуренција. Како во експериментите на Bucherer-Neumann, брзината и односот на полнежот и масата на бета честички била мерена со брзина до 0.75с. Но, биле направени многу подобрувања, вклучувајќи и имплементирање на Geiger counter. Точноста на експериментот со кој релативноста била потврдена била до 1%.[6]

Дури попрецизен тест за дефлексија на електронот бил изведен од Meyer (1963). Биле тестирани електрони кои се движеле со брзини од 0.987с до 0.99с, кои биле дефлектирани во статично магнетно поле со кое p било мерено, и статично цилиндрично електрично поле со кое p^2/my било мерено. Со ова ја потврдиле релативноста со горна гранична девијација од приближно 0.00037.[7]


Исто така и мерења на односот меѓу полнежот и масата, а следствено и на импулсот на протоните, биле изведувани. Grove и Fox (1953) мереле протони од 385-МеV движејќи се со 0.7с. Одредување на аголната фреквенција и на магнетното поле го давале односот меѓу полнежот и масата. Ова, заедно со мерењето на магнетниот центар, овозможило да се потврди релативистичкиот израз за односот на полнежот и масата со прецизност со приближно 0.0006.[8]

Како и да е, Зрелов (1958) ги критикувал информациите дадени од Grove и Fox, нагласувајќи ја тешкотијата и комплицираноста на таквите мерења поради комплицираното движење на протоните. Така, тие извеле поопширно мерење, во кое биле вклучени протони од 660 MeV со брзина 0.8112c. Импулсот на протоните бил мерен користејќи Litz wire, а брзината била одредена со одредување на Черенковата радијација. Тие ја потврдиле релативноста со горна гранична девијација со приближно 0.0041.[9]

Бертозиев експеримент[уреди | уреди извор]

Почнувајќи од 1930-тите, релативноста била потребна при конструкцијата на на акцелератори на честички и мерењата за прецизност спомнати погоре исто така ја потврдиле теоријата. Но, тие тестови го демонстрираат релативистичкиот израз на индиректен начин, бидејќи многу други ефекти мора да се земат во обзир со цел да ја одредат кривата на дефлексијата, брзината и импулсот. Па така, експеримент со посебна цел да ги покаже релативистичките ефекти на многу директен начин бил изведен од Вилијам Бертози (1962, 1964).

Тој го искористил електронскиот акцелератор во МИТ со цел да започне пет electron runs, со електрони со кинетичка енергија меѓу 0.5 и 15 MeV. Овие електрони биле продуцирани од Вен де Граф генератор и патувале растојание од 8.4 метри, дур не удриле алуминиумски диск. Прво, времето на летање на електроните било мерено во сите пет случаја, датата за брзините добиени била во тесно согласување со релативистичките очекувања. Но, во оваа фаза кинетичката енергија била само индиректно одредена со забрзувачките полиња. Според ова, топлината произведена од некои електрони кои го удирале алуминумскиот диск била мерена со помош на калориметрија со цел да се добие нивната кинетичка енергија директно – овие резултати се усогласувале со очекуваната енергија до границата од 10% грешка. [10] [11]

Додипломски експерименти[уреди | уреди извор]

Различни експерименти биле правени, кои, поради нивната едноставност, сеуште се користат како undergraduate experiments. Масата, брзината, моментумот и енергијата на електроните биле мерени на различни начини во тие експерименти, сите од нив потврдувајќи ја релативноста. Вклучуваат екперименти кои содржат бета честички, комптоново scattering во кое електроните покажуваат високо релативистички карактеристики и позитронска анихилација. [12]

Бета честички
Марвел и др.[13] 2011
Лунд и др.[14] 2009
Луцелшваб[15] 2003
Куч и др.[16] 1982
Гелер и др.[17] 1972
Паркер [18] 1972
Барлет и др.[19] 1965
Одбиени комптонови електрони
Jolivette и др.[20] 1994
Хофман[21] 1989
Eгелстаф и др.[22] 1981
Хигби[23] 1974
Електронско понуштување
Дризек et al.[24] 2006

Забрзувачи на честички[уреди | уреди извор]

Во модерните акцелератори за честички со високи енергии, предвидувањата на специјалната релативност се рутински потврдувани и се потребни за дизајнот и теоретската евалуација на судирачките експерименти, посебно во ултрарелативистичкиот лимит. На пример, времето на дилација на движечките честички е потребно да се сфати динамиката на распаѓањето на честичката, а додатната релативистичка теорема ја објаснува дистрибуцијата на синхротроното зрачење. Во поглед на релативистичките релации меѓу моментумот и енергијата, серии од високо прецизни експерименти за брзината и за енергијата и моментумот биле спроведувани, во кои енергиите искористени биле многу повисоки од оние во експериментите спомнати погоре. [25]

Брзина[уреди | уреди извор]

Мерења на времето на летот биле спроведувани да се измерат разликите во брзината на електронот и на светлината во SLAC National Accelerator Laboratory. На пример, Браун (1973) не пронашол разлика во времето на лет на електрони од 11-GeV и видливата светлина, поставувајќи горна граница на разликите во брзината од (-1.3+/-2.7)*10^-6. Друг експеримент спроведен од Guiragossian (1974) во SLAC забрзувал електрони до енерги од 15 до 20.5 GeV. Користеле радио фреквентен сепаратор да ги измерат разликите во времето на лет и со тоа разликите во брзините меѓу тие електрони и 15 GeV гама зраци на растојание од 1015 метри. Не пронашле разлика, подигајќи ја горната граница до 2*10^-7. [26]


Веќе претходно, Alvager (1964) во CERN Proton Synchrotron направил мерки на времето на лет да ги тестира њутновите релации за моментумот на светлината, кои биле валидни во така наречената теорија на емисија. Во овој експеримент, гама зраци биле произведувани при распаѓањето на пиони од 6 GeV движејќи се со брзина од 0.99975с. Ако њутновиот моментум p=mv бил валиден, гама зраците требало да патуваат со брзина поголема од брзината на светлината. Но, не биле пронајдени разлики и дале горна граница од 10^-5. [27]

Енергија и калориметрија[уреди | уреди извор]

Внесувањето на честичките во детекторите за честички е поврзано со анихилација меѓу електрон и позитрон, комптонов ефект/расејување, черенкова радијација итн, на тој начин да каскадата од ефекти доведе до продукција на нови честички (фотони, електрони, неутрина итн). Енергијата на ваквите честички одговара на релативистичката кинетичка енергија и енергијата на мирување на почетните честички. Оваа енергија може да се измери со калориметри на електричен, оптички, топлински или акустичен начин.

Топлински мерења со цел да се процени релативистичката кинетичка енергија биле веќе направени од Бертози, како што е спомнато погоре. Дополнителни мерења во SLAC следеле, во кои топлината произведена од електрони со 20 GeV била мерена, во 1982 година. Уред за апсорбирање на енергијата од фотони или други честички од енергетски зрак, направен од алуминиум (изладен со вода) бил вграден како калориметар. Резултатите биле во согласност со специјалната релативност иако биле со само 30% точност. .[28] Како и да е, изведувачите на експериментот спомнале дека калориметрички тест со електрони од 10 GeV биле веќе изведени во 1969 година. Тогаш, уредот бил направен од бакар и точност од 1% била постигната. [29]

Во модерните калориметри именувани како електромагнетски или хадронски, зависејќи од интеракцијата, енергијата на честичките е често мерена преку јонизацијата предизвиката од нив. Исто така, возбудувања можат да настанат во сцинтилатори, каде светлина е емитувана и потоа мерена од страна на детектор (scintillator counter). И черенкова радијација се мери исто така. Во сите тие методи, измерената енергија е пропорционална на почетната енергија на честичките.

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Edwin F. Taylor, John Archibald Wheeler (1992). Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity. New York: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-2327-1. 
  2. Plettner, Tomas; Byer, Robert L.; Siemann, Robert H. (2005), "The impact of Einstein's theory of special relativity on particle accelerators", Journal of Physics B 38 (9): S741–S752, Bibcode:2005JPhB...38S.741P, doi:10.1088/0953-4075/38/9/020 
  3. Zahn, C. T. and Spees, A. A. (1938), "A Critical Analysis of the Classical Experiments on the Variation of Electron Mass", Physical Review 53: 511–521, Bibcode:1938PhRv...53..511Z, doi:10.1103/PhysRev.53.511 
  4. P. S. Faragó and L. Jánossy (1957), "Review of the experimental evidence for the law of variation of the electron mass with velocity", Il Nuovo Cimento 5 (6): 379–383, doi:10.1007/BF02856033 
  5. Glitscher, Karl. Spektroskopischer Vergleich zwischen den Theorien des starren und des deformierbaren Elektrons. „Annalen der Physik“ том  357 (6): 608–630. doi:10.1002/andp.19173570603. Bibcode1917AnP...357..608G. 
  6. Rogers, Marguerite M.; McReynolds, A. W.; Rogers, F. T. (1940), "A Determination of the Masses and Velocities of Three Radium B Beta-Particles: The Relativistic Mass of the Electron", Physical Review 57 (5): 379–383, Bibcode:1940PhRv...57..379R, doi:10.1103/PhysRev.57.379 
  7. Meyer, V. ; Reichart, W. ; Staub, H.H.. Experimentelle Untersuchung der Massen-Impulsrelation des Elektrons. „Helvetica Physica Acta“ том  36: 981–992. doi:10.5169/seals-113412. 
  8. Grove, D. J.; Fox, J. C.. e/m for 385-MeV protons (UA7). „Physical Review“ том  90: 378. doi:10.1103/PhysRev.90.333. Bibcode1953PhRv...90..333.. 
  9. Zrelov, V. P. ; Tiapkin, A. A. ; Farago, P. S.. Measurement of the mass of 600 MeV protons. „Soviet Physics JETP“ том  7 (3): 384–387. 
  10. Bertozzi, William (1964), "Speed and Kinetic Energy of Relativistic Electrons", American Journal of Physics 32 (7): 551–555, Bibcode:1964AmJPh..32..551B, doi:10.1119/1.1970770 
  11. Bertozzi, William (1962), The Ultimate Speed - An Exploration with High Energy Electrons  http://www.youtube.com/watch?v=B0BOpiMQXQA
  12. Dryzek, Jerzy; Singleton, Douglas; Suzuki, Takenori; Yu, Runsheng (2006), "An undergraduate experiment to test relativistic kinematics using in flight positron annihilation", American Journal of Physics 74 (1): 49–53, Bibcode:2006AmJPh..74...49D, doi:10.1119/1.2142624 
  13. Marvel, Robert E.; Vineyard, Michael F. (2011). Relativistic Electron Experiment for the Undergraduate Laboratory. „arXiv:1108.5977“. 
  14. Lund, M.; Uggerhøj, U. I. (2009), "Experimental special relativity with a meter stick and a clock", American Journal of Physics 77 (8): 757–761, Bibcode:2009AmJPh..77..757L, doi:10.1119/1.3049532 
  15. Luetzelschwab, John W. (2003), "Apparatus to measure relativistic mass increase", American Journal of Physics 71 (8): 878–884, Bibcode:2003AmJPh..71..878L, doi:10.1119/1.1561457 
  16. Couch, Jack G.; Dorries, Terry K. (1982), "Measuring relativistic electrons in the undergraduate laboratory", American Journal of Physics 50 (10): 917–921, Bibcode:1982AmJPh..50..917C, doi:10.1119/1.12973 
  17. Geller, Kenneth N.; Kollarits, Richard (1972), "Experiment to Measure the Increase in Electron Mass with Velocity", American Journal of Physics 40 (8): 1125–1130, Bibcode:1972AmJPh..40.1125G, doi:10.1119/1.1986771 
  18. Parker, Sherwood (1972), "Relativity in an Undergraduate Laboratory-Measuring the Relativistic Mass Increase", American Journal of Physics 40 (2): 241–244, Bibcode:1972AmJPh..40..241P, doi:10.1119/1.1986498 
  19. Bartlett, A. A.; Correll, Malcolm (1965), "An Undergraduate Laboratory Apparatus for Measuring e/m as a Function of Velocity. I", American Journal of Physics 33 (4): 327–339, Bibcode:1965AmJPh..33..327B, doi:10.1119/1.1971493 
  20. Jolivette, P. L.; Rouze, N. (1994), "Compton scattering, the electron mass, and relativity: A laboratory experiment", American Journal of Physics 62 (3): 266–271, Bibcode:1994AmJPh..62..266J, doi:10.1119/1.17611 
  21. Hoffman, Matthiam J. H. (1989), "The Compton effect as an experimental approach toward relativistic mass", American Journal of Physics 57 (9): 822–825, Bibcode:1989AmJPh..57..822H, doi:10.1119/1.15902 
  22. Egelstaff, P. A.; Jackman, J. A.; Schultz, P. J.; Nickel, B. G.; MacKenzie, I. K. (1981), "Experiments in special relativity using Compton scattering of gamma rays", American Journal of Physics 49 (1): 43–47, Bibcode:1981AmJPh..49...43E, doi:10.1119/1.12659 
  23. Higbie, J. (1974), "Undergraduate Relativity Experiment", American Journal of Physics 42 (8): 642–644, Bibcode:1974AmJPh..42..642H, doi:10.1119/1.1987800 
  24. Dryzek, Jerzy; Singleton, Douglas; Suzuki, Takenori; Yu, Runsheng (2006), "An undergraduate experiment to test relativistic kinematics using in flight positron annihilation", American Journal of Physics 74 (1): 49–53, Bibcode:2006AmJPh..74...49D, doi:10.1119/1.2142624 
  25. Zhang, Yuan Zhong (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations. World Scientific. ISBN 978-981-02-2749-4. 
  26. Brown, B. C.; Masek, G. E.; Maung, T.; Miller, E. S.; Ruderman, H.; Vernon, W. (1973), "Experimental Comparison of the Velocities of eV (Visible) and GeV Electromagnetic Radiation", Physical Review Letters 30 (16): 763–766, Bibcode:1973PhRvL..30..763B, doi:10.1103/PhysRevLett.30.763 
  27. Guiragossián, Z. G. T.; Rothbart, G. B.; Yearian, M. R.; Gearhart, R. A.; Murray, J. J. (1974), "Relative Velocity Measurements of Electrons and Gamma Rays at 15 GeV", Physical Review Letters 34 (6): 335–338, Bibcode:1975PhRvL..34..335G, doi:10.1103/PhysRevLett.34.335 
  28. Walz, Dieter R.; Noyes, H. Pierre; Carezani, Ricardo L.. Calorimetric test of special relativity. „Physical Review A“ том  29 (4): 2110–2113. doi:10.1103/PhysRevA.29.2110. Bibcode1984PhRvA..29.2110W. 
  29. Fischer, G. E.; Murata, Y.. A beam monitor system for high-intensity photon beams in the multi-GeV range. „Nuclear Instruments and Methods“ том  78: 25. doi:10.1016/0029-554X(70)90425-8. Bibcode1970NucIM..78...25F. 

Надворешни врски[уреди | уреди извор]