Тесты релятивистской энергии и импульса - Tests of relativistic energy and momentum

Кинетическая энергия в специальной теории относительности и ньютоновой механике. При приближении к скорости света релятивистская кинетическая энергия возрастает до бесконечности, поэтому ни одно массивное тело не может достичь этой скорости.

Тесты релятивистской энергии и импульса направлены на измерение релятивистские выражения за энергия, импульс, и масса. В соответствии с специальная теория относительности, свойства частицы движется примерно на скорость света значительно отклоняться от прогнозов Ньютоновская механика. Например, скорость света не может быть достигнуто массивный частицы.

Сегодня эти релятивистские выражения для частиц, близких к скорости света, обычно подтверждаются в студент лабораторий и необходимы при разработке и теоретической оценке экспериментов по столкновению в ускорители частиц.^[1][2] Смотрите также Тесты специальной теории относительности для общего обзора.

Обзор

Подобно кинетической энергии, релятивистский импульс увеличивается до бесконечности, когда приближается к скорости света.

В классическая механика, кинетическая энергия и импульс выражаются как

${\displaystyle E_{k}={\tfrac {1}{2}}mv^{2},\quad p=mv.\,}$

С другой стороны, специальная теория относительности предсказывает, что скорость света постоянна во всех инерциальные системы отсчета. Релятивистский соотношение энергия-импульс читает:

${\displaystyle E^{2}-(pc)^{2}=(mc^{2})^{2}\,}$,

из которых отношения для энергии покоя ${\displaystyle E_{0}}$, релятивистская энергия (покой + кинетическая) ${\displaystyle E}$, кинетическая энергия ${\displaystyle E_{k}}$, и импульс ${\displaystyle p}$ из массивный частицы следуют:

${\displaystyle E_{0}=mc^{2},\quad E=\gamma mc^{2},\quad E_{k}=(\gamma -1)mc^{2},\quad p=\gamma mv}$,

куда ${\displaystyle \gamma =1/{\sqrt {1-(v/c)^{2}}}}$. Таким образом, релятивистская энергия и импульс значительно увеличиваются со скоростью, поэтому скорость света не может быть достигнута массивными частицами. В некоторых учебниках по теории относительности так называемый "релятивистская масса " ${\displaystyle M=\gamma m\,}$ также используется. Однако многие авторы считают эту концепцию невыгодной, вместо этого для выражения зависимости скорости в теории относительности следует использовать выражения для релятивистской энергии и импульса, которые обеспечивают те же экспериментальные предсказания.

Ранние эксперименты

Основная статья: Эксперименты Кауфмана – Бухерера – Неймана.

Первые эксперименты, способные обнаружить такие отношения, были проведены Вальтер Кауфманн, Альфред Бухерер и другие между 1901 и 1915. Эти эксперименты были направлены на измерение отклонение из бета-лучи в магнитном поле, чтобы определить отношение массы к заряду электронов. Поскольку известно, что заряд не зависит от скорости, любое изменение должно быть связано с изменениями импульса или массы электрона (ранее известного как поперечный электромагнитная масса ${\displaystyle m_{T}=m\gamma ,}$ эквивалент «релятивистской массы» ${\displaystyle M}$ как указано выше). Поскольку релятивистская масса больше не часто используется в современных учебниках, эти тесты можно описать как измерения релятивистского импульса или энергии, поскольку применимо следующее соотношение:

${\displaystyle {\frac {M}{m}}={\frac {p}{mv}}={\frac {E}{mc^{2}}}=\gamma }$

Электроны, движущиеся между 0,25–0,75c, указали на увеличение импульса в соответствии с релятивистскими предсказаниями и считались четким подтверждением специальной теории относительности. Однако позже было указано, что, хотя эксперименты соответствовали теории относительности, точности не хватало, чтобы исключить конкурирующие модели электрона, такие как модель электрона. Макс Абрахам.^[3][4]

Однако уже в 1915 г. Арнольд Зоммерфельд смог получить Тонкая структура из водородоподобные спектры используя релятивистские выражения для импульса и энергии (в контексте Теория Бора – Зоммерфельда ). Впоследствии Карл Глитчер просто заменил релятивистские выражения на выражения Абрахама, демонстрируя, что теория Абрахама противоречит экспериментальным данным и поэтому опровергается, в то время как теория относительности находится в согласии с данными.^[5]

Прецизионные измерения

Три точки данных Роджерса и другие., что соответствует специальной теории относительности.

В 1940 году Роджерс и другие. провел первый тест на отклонение электронов с достаточной точностью, чтобы однозначно исключить конкурирующие модели. Как и в экспериментах Бухерера-Неймана, измерялась скорость и отношение заряда к массе бета-частиц со скоростями до 0,75c. Тем не менее, они внесли много улучшений, включая использование счетчик Гейгера. Точность эксперимента, подтвердившего относительность, была в пределах 1%.^[6]

Еще более точный тест на отклонение электронов провел Мейер. и другие. (1963). Они протестировали электроны, движущиеся со скоростью от 0,987 до 0,99 с, которые отклонялись в статическом однородном магнитном поле, которое п было измерено статическое цилиндрическое электрическое поле, с помощью которого ${\displaystyle p^{2}/(m\gamma )}$ был измерен. Они подтвердили относительность с верхним пределом отклонений ∼0,00037.^[7]

Также измерения отношения заряда к массе и, следовательно, импульса протоны были проведены. Гроув и Фокс (1953) измерили протоны с энергией 385 МэВ, движущиеся при ∼0,7c. Определение угловых частот и магнитного поля обеспечивало отношение заряда к массе. Это вместе с измерением магнитного центра позволило подтвердить релятивистское выражение для отношения заряда к массе с точностью ∼0,0006.^[8]

Однако Зрелов и другие. (1958) подверг критике скудную информацию, предоставленную Гроувом и Фоксом, подчеркнув сложность таких измерений из-за сложного движения протонов. Поэтому они провели более обширные измерения, в которых использовались протоны с энергией 660 МэВ со средней скоростью 0,8112c. Импульс протона измерялся с помощью Литц-проволока, а скорость определялась оценкой Черенковское излучение. Они подтвердили относительность с верхним пределом отклонений ∼0.0041.^[9]

Эксперимент Бертоцци

Данные Эксперимент Бертоцци показывают близкое согласие со специальной теорией относительности. Кинетическая энергия пяти электронов: 0,5, 1, 1,5, 4,5, 15 МэВ (или 1, 2, 3, 9, 30 м²). Скорость: 0,752, 0,828, 0,922, 0,974, 1,0 дюйма c² (или 0,867, 0,910, 0,960, 0,987, 1 дюйм с).

С 1930-х годов относительность была необходима при построении ускорители частиц, и упомянутые выше прецизионные измерения также ясно подтвердили теорию. Но эти тесты демонстрируют релятивистские выражения косвенным образом, поскольку необходимо учитывать многие другие эффекты, чтобы оценить кривую отклонения, скорость и импульс. Таким образом, эксперимент, специально направленный на демонстрацию релятивистских эффектов самым непосредственным образом, был проведен Уильям Бертоцци (1962, 1964).^[10][11]

Он использовал электрон ускорительный комплекс на Массачусетский технологический институт чтобы инициировать пять прогонов электронов с кинетической энергией электронов от 0,5 до 15 МэВ. Эти электроны были произведены Генератор Ван де Граафа проехали 8,4 м, пока не наткнулись на алюминий диск. Во-первых, время полета электронов было измерено во всех пяти запусках - полученные данные о скорости были в хорошем согласии с релятивистскими ожиданиями. Однако на этом этапе кинетическая энергия лишь косвенно определялась ускоряющими полями. Следовательно, тепло, выделяемое некоторыми электронами, ударяющими по алюминиевому диску, измерялось методом калориметрия чтобы напрямую получить их кинетическую энергию - эти результаты согласуются с ожидаемой энергией с погрешностью 10%.

Студенческие эксперименты

Были проведены различные эксперименты, которые из-за своей простоты до сих пор используются в качестве студент эксперименты. В этих экспериментах масса, скорость, импульс и энергия электронов измерялись разными способами, и все они подтверждали относительность.^[12] Они включают эксперименты с бета-частицами, Комптоновское рассеяние в котором электроны проявляют высокорелятивистские свойства и аннигиляция позитронов.

Бета-частицы Чудо и другие.[12] 2011 Лунд и другие.[13] 2009 Luetzelschwab[14] 2003 Диван и другие.[15] 1982 Геллер и другие.[16] 1972 Паркер[17] 1972 Бартлетт и другие.[18] 1965

Комптоновские электроны отдачи Жоливетт и другие.[19] 1994 Хоффман[20] 1989 Egelstaff и другие.[21] 1981 Хигби[22] 1974

Аннигиляция позитронов Драйзек и другие.[23] 2006

Ускорители элементарных частиц

В современном ускорители частиц при высоких энергиях предсказания специальной теории относительности обычно подтверждаются и необходимы для разработки и теоретической оценки экспериментов со столкновениями, особенно в ультрарелятивистский предел.^[2]Например, замедление времени необходимо принимать во внимание, чтобы понять динамику распада частиц, и теорема о релятивистском сложении скоростей объясняет распределение синхротронное излучение. Что касается релятивистских соотношений энергии-импульса, была проведена серия высокоточных экспериментов по скорости и энергии-импульсу, в которых использованные энергии обязательно были намного выше, чем в экспериментах, упомянутых выше.^[24]

Скорость

Время полета измерения были проведены для измерения разницы в скоростях электронов и света на Национальная ускорительная лаборатория SLAC. Например, Браун и другие. (1973) не обнаружили разницы во времени пролета электронов с энергией 11 ГэВ и видимых свет, устанавливая верхний предел разницы скоростей ${\displaystyle \Delta v/c=(-1.3\pm 2.7)\times 10^{-6}}$.^[25]Еще один эксперимент SLAC, проведенный Гирагосианом и другие. (1974) ускоряли электроны до энергий от 15 до 20,5 ГэВ. Они использовали радиочастотный сепаратор (RFS) для измерения разницы во времени пролета и, следовательно, разницы скоростей между этими электронами и 15 ГэВ. гамма излучение по тропе длиной 1015 м. Они не обнаружили разницы, увеличив верхний предел до ${\displaystyle \Delta v/c=2\times 10^{-7}}$.^[26]

Уже раньше, Альвэгер и другие. (1964) в ЦЕРНе Протонный синхротрон выполнили измерение времени пролета, чтобы проверить ньютоновские соотношения импульса для света, действительные в так называемом теория эмиссии. В этом эксперименте гамма-лучи образовывались при распаде пионов с энергией 6 ГэВ, движущихся на 0,99975c. Если ньютоновский импульс ${\displaystyle p=mv}$ были действительны, эти гамма-лучи должны были распространяться со сверхсветовой скоростью. Однако они не обнаружили разницы и дали верхний предел ${\displaystyle \Delta v/c=10^{-5}}$.^[27]

Энергия и калориметрия

Вторжение частиц в детекторы частиц связано с электрон-позитронная аннигиляция, Комптоновское рассеяние, Черенковское излучение и т.д., так что каскад эффектов приводит к рождению новых частиц (фотонов, электронов, нейтрино, так далее.). Энергия такой ливни частиц соответствует релятивистской кинетической энергии и энергии покоя исходных частиц. Эту энергию можно измерить калориметры электрическим, оптическим, тепловым или акустическим способом.^[28]

Термические измерения для оценки релятивистской кинетической энергии уже были выполнены Бертоцци, как упоминалось выше. Затем последовали дополнительные измерения в SLAC, в которых в 1982 году было измерено тепло, выделяемое электронами с энергией 20 ГэВ. балочный отвал с водяным охлаждением алюминий использовался как калориметр. Результаты соответствовали специальной теории относительности, хотя точность составляла всего 30%.^[29]Однако экспериментаторы ссылались на то, что калориметрические испытания с электронами с энергией 10 ГэВ были выполнены еще в 1969 году. медь использовался в качестве отвала балки, и была достигнута точность 1%.^[30]

В современных калориметрах, называемых электромагнитными или адронный в зависимости от взаимодействия энергия ливней частиц часто измеряется ионизация вызванные ими. Также возбуждения могут возникать в сцинтилляторы (видеть мерцание ), в результате чего свет излучается и затем измеряется сцинтилляционный счетчик. Также измеряется черенковское излучение. Во всех этих методах измеренная энергия пропорциональна начальной энергии частицы.^[28]

Аннигиляция и парное рождение

Релятивистскую энергию и импульс также можно измерить, изучая такие процессы, как уничтожение и парное производство.^[1] Например, энергия покоя электронов и позитроны составляет 0,51 МэВ соответственно. Когда фотон взаимодействует с атомное ядро, электрон-позитронные пары могут быть созданы, если энергия фотона соответствует требуемой пороговая энергия, которая представляет собой суммарную энергию покоя электронов и позитронов 1,02 МэВ. Однако, если энергия фотона еще больше, превышающая энергия преобразуется в кинетическую энергию частиц. Обратный процесс происходит в электрон-позитронная аннигиляция при низких энергиях, в котором создаются фотоны, имеющие ту же энергию, что и электрон-позитронная пара. Это прямые примеры ${\displaystyle E_{0}=mc^{2}}$ (эквивалентность массы и энергии ).

Есть также много примеров преобразования релятивистской кинетической энергии в энергию покоя. В 1974 г. Национальная ускорительная лаборатория SLAC ускоряли электроны и позитроны до релятивистских скоростей, так что их релятивистская энергия ${\displaystyle \gamma mc^{2}}$ (т.е. сумма их энергии покоя и кинетической энергии) значительно увеличивается примерно до 1500 МэВ каждый. Когда эти частицы сталкиваются, другие частицы, такие как J / ψ-мезон энергии покоя около 3000 МэВ.^[31]На заводе использовались гораздо более высокие энергии. Большой электрон-позитронный коллайдер в 1989 году, когда электроны и позитроны были ускорены до 45 ГэВ каждый, чтобы произвести W- и Z-бозоны энергий покоя от 80 до 91 ГэВ. Позже энергии были значительно увеличены до 200 ГэВ для генерации пар W-бозонов.^[32]Такие бозоны также измерялись с помощью протон -антипротон аннигиляция. Суммарная энергия покоя этих частиц составляет примерно 0,938 ГэВ каждая. В Супер протонный синхротрон ускорял эти частицы до релятивистских скоростей и энергий примерно 270 ГэВ каждая, так что центр массы энергия при столкновении достигает 540 ГэВ. Тем самым, кварки и антикварки получил необходимую энергию и импульс, чтобы аннигилировать в W- и Z-бозоны.^[33]

Многие другие эксперименты, связанные с созданием значительного количества различных частиц с релятивистскими скоростями, были (и до сих пор проводятся) в адрон коллайдеры, такие как Теватрон (до 1 ТэВ) Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (до 200 ГэВ), а совсем недавно Большой адронный коллайдер (до 7 ТэВ) в процессе поиска бозон Хиггса.

Рекомендации

1. Эдвин Ф. Тейлор; Джон Арчибальд Уиллер (1992). Физика пространства-времени: введение в специальную теорию относительности. Нью-Йорк: У. Х. Фриман. ISBN  0-7167-2327-1.
2. Плеттнер, Томас; Байер, Роберт Л .; Симанн, Роберт Х. (2005), "Влияние специальной теории относительности Эйнштейна на ускорители частиц", Журнал физики B, 38 (9): S741 – S752, Bibcode:2005JPhB ... 38S.741P, Дои:10.1088/0953-4075/38/9/020
3. Зан, К. Т. и Спес, А. А. (1938), "Критический анализ классических экспериментов по изменению массы электрона", Физический обзор, 53 (7): 511–521, Bibcode:1938ПхРв ... 53..511З, Дои:10.1103 / PhysRev.53.511
4. П. С. Фараго и Л. Яносси (1957), "Обзор экспериментальных доказательств закона изменения массы электрона со скоростью", Il Nuovo Cimento, 5 (6): 379–383, Bibcode:1957NCim .... 5.1411F, Дои:10.1007 / BF02856033, S2CID  121179531
5. Глитчер, Карл (1917). "Spektroskopischer Vergleich zwischen den Theorien des starren und des deformierbaren Elektrons". Annalen der Physik. 357 (6): 608–630. Bibcode:1917АнП ... 357..608Г. Дои:10.1002 / andp.19173570603. HDL:2027 / uc1.b2637473.
6. Роджерс, Маргарита М .; McReynolds, A.W .; Роджерс, Ф. Т. (1940), "Определение масс и скоростей трех бета-частиц радия B: релятивистская масса электрона", Физический обзор, 57 (5): 379–383, Bibcode:1940PhRv ... 57..379R, Дои:10.1103 / PhysRev.57.379, HDL:1911/18426
7. Meyer, V .; Reichart, W .; Стауб, HH (1963). "Experimentelle Untersuchung der Massen-Impulsrelation des Elektrons". Helvetica Physica Acta. 36: 981–992. Дои:10.5169 / пломбы-113412.
8. Grove, D. J .; Фокс, Дж. К. (1953). «э / м для протонов с энергией 385 МэВ (UA7)». Физический обзор. 90 (2): 378. Bibcode:1953ПхРв ... 90..333.. Дои:10.1103 / PhysRev.90.333.
9. Зрелов, В. П .; Тяпкин, А. А .; Фараго, П. С. (1958). «Измерение массы протонов 600 МэВ». Советская физика в ЖЭТФ. 7 (3): 384–387.
10. Бертоцци, Уильям (1964), "Скорость и кинетическая энергия релятивистских электронов", Американский журнал физики, 32 (7): 551–555, Bibcode:1964AmJPh..32..551B, Дои:10.1119/1.1970770
11. Бертоцци, Уильям (1962), Максимальная скорость - исследование с помощью электронов высоких энергий https://www.youtube.com/watch?v=B0BOpiMQXQA
12. Marvel, Роберт Э .; Виноградник, Майкл Ф. (2011). "Эксперимент с релятивистскими электронами для студенческой лаборатории". arXiv:1108.5977 [Physics.ed-ph ].
13. Lund, M .; Uggerhøj, U. I. (2009), «Экспериментальная специальная теория относительности с измерителем и часами», Американский журнал физики, 77 (8): 757–761, Bibcode:2009AmJPh..77..757L, Дои:10.1119/1.3049532
14. Люцельшваб, Джон В. (2003), "Аппарат для измерения релятивистского увеличения массы", Американский журнал физики, 71 (8): 878–884, Bibcode:2003AmJPh..71..878L, Дои:10.1119/1.1561457
15. Диван, Джек Дж .; Доррис, Терри К. (1982), "Измерение релятивистских электронов в студенческой лаборатории", Американский журнал физики, 50 (10): 917–921, Bibcode:1982AmJPh..50..917C, Дои:10.1119/1.12973
16. Геллер, Кеннет Н .; Коллариц, Ричард (1972), "Эксперимент по измерению увеличения массы электрона со скоростью", Американский журнал физики, 40 (8): 1125–1130, Bibcode:1972AmJPh..40.1125G, Дои:10.1119/1.1986771
17. Паркер, Шервуд (1972), "Относительность в студенческой лаборатории - измерение релятивистского увеличения массы", Американский журнал физики, 40 (2): 241–244, Bibcode:1972AmJPh..40..241P, Дои:10.1119/1.1986498
18. Bartlett, A. A .; Коррелл, Малкольм (1965), "Студенческий лабораторный прибор для измерения e / m как функции скорости. I", Американский журнал физики, 33 (4): 327–339, Bibcode:1965AmJPh..33..327B, Дои:10.1119/1.1971493
19. Jolivette, P.L .; Руз, Н. (1994), "Комптоновское рассеяние, масса электрона и теория относительности: лабораторный эксперимент", Американский журнал физики, 62 (3): 266–271, Bibcode:1994AmJPh..62..266J, Дои:10.1119/1.17611
20. Хоффман, Маттиам Дж. Х. (1989), "Эффект Комптона как экспериментальный подход к релятивистской массе", Американский журнал физики, 57 (9): 822–825, Bibcode:1989AmJPh..57..822H, Дои:10.1119/1.15902
21. Egelstaff, P.A .; Jackman, J. A .; Шульц, П. Дж .; Никель, Б.Г .; Маккензи, И. К. (1981), "Эксперименты по специальной теории относительности с использованием комптоновского рассеяния гамма-лучей", Американский журнал физики, 49 (1): 43–47, Bibcode:1981AmJPh..49 ... 43E, Дои:10.1119/1.12659
22. Хигби, Дж. (1974), "Студенческий эксперимент по теории относительности", Американский журнал физики, 42 (8): 642–644, Bibcode:1974AmJPh..42..642H, Дои:10.1119/1.1987800
23. Драйзек, Ежи; Синглтон, Дуглас; Сузуки, Такенори; Ю, Руншенг (2006), "Студенческий эксперимент по проверке релятивистской кинематики с использованием аннигиляции позитронов в полете", Американский журнал физики, 74 (1): 49–53, Bibcode:2006AmJPh..74 ... 49D, Дои:10.1119/1.2142624
24. Чжан, Юань Чжун (1997). Специальная теория относительности и ее экспериментальные основы. World Scientific. ISBN  978-981-02-2749-4.
25. Brown, B.C .; Masek, G.E .; Maung, T .; Миллер, Э. С .; Ruderman, H .; Вернон В. (1973), "Экспериментальное сравнение скоростей электромагнитного излучения в эВ (видимом) и ГэВ", Письма с физическими проверками, 30 (16): 763–766, Bibcode:1973ПхРвЛ..30..763Б, Дои:10.1103 / PhysRevLett.30.763
26. Guiragossián, Z. G. T .; Rothbart, G.B .; Yearian, M. R .; Gearhart, R.A .; Мюррей, Дж. Дж. (1974), "Измерения относительной скорости электронов и гамма-лучей при 15 ГэВ", Письма с физическими проверками, 34 (6): 335–338, Bibcode:1975ПхРвЛ..34..335Г, Дои:10.1103 / PhysRevLett.34.335, OSTI  1443188
27. Alväger, T .; Фарли, Ф. Дж. М .; Kjellman, J .; Валлин, Л. (1964), "Проверка второго постулата специальной теории относительности в области ГэВ", Письма по физике, 12 (3): 260–262, Bibcode:1964ФЛ .... 12..260А, Дои:10.1016/0031-9163(64)91095-9.
28. Fabjan, Christian W .; Джанотти, Фабиола (2003). «Калориметрия для физики элементарных частиц» (PDF). Обзоры современной физики. 75 (4): 1243–1286. Bibcode:2003РвМП ... 75.1243Ф. Дои:10.1103 / RevModPhys.75.1243.
29. Walz, Dieter R .; Нойес, Х. Пьер; Карезани, Рикардо Л. (1984). «Калориметрический тест специальной теории относительности». Физический обзор A. 29 (4): 2110–2113. Bibcode:1984PhRvA..29.2110W. Дои:10.1103 / PhysRevA.29.2110. OSTI  1446354.
30. Fischer, G.E .; Мурата, Ю. (1970). «Система контроля луча для пучков фотонов высокой интенсивности в диапазоне нескольких ГэВ». Ядерные инструменты и методы. 78 (1): 25–39. Bibcode:1970NucIM..78 ... 25F. Дои:10.1016 / 0029-554X (70) 90425-8. OSTI  4752864.
31. Бертон Рихтер (1976). «От пси к очарованию - эксперименты 1975 и 1976 годов». Нобелевская лекция 1976 г.
32. Коллаборации LEP (1992), "Электрослабые параметры Z0-резонанса и стандартная модель", Письма по физике B, 276 (12): 247–253, Bibcode:1992ФЛБ..276..247., Дои:10.1016 / 0370-2693 (92) 90572-Л, HDL:2066/124399
33. Карло Руббиа (1984). «Экспериментальное наблюдение промежуточных векторных бозонов W +, W- и Z0». Нобелевская лекция 1984 г.

внешняя ссылка

• FAQ по физике: Список тестов SR

• Физический портал