Принцип еквівалентності: відмінності між версіями
[неперевірена версія] | [неперевірена версія] |
SieBot (обговорення | внесок) м робот змінив: ru:Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции |
|||
Рядок 6: | Рядок 6: | ||
== Математичне формулювання == |
== Математичне формулювання == |
||
Подивимось, як цей принцип відображається у формулах. Для цього розглянемо ''[[світова лінія|світову лінію]]'' [[матеріальна точка|матеріальної точки]] з [[маса |
Подивимось, як цей принцип відображається у формулах. Для цього розглянемо ''[[світова лінія|світову лінію]]'' [[матеріальна точка|матеріальної точки]] з [[маса|масою]] <math>m</math>. Натуральний параметр цієї лінії позначимо <math>s</math>, він пропорційний власному часу матеріальної точки <math>\tau</math>: |
||
: <math>(1) \qquad s = c \tau</math> |
: <math>(1) \qquad s = c \tau</math> |
||
де <math>c</math> - [[швидкість світла]]. Різниця <math>d s</math> натурального параметра в двох близьких точках чотиривимірного простору-часу називається просторово-часовим інтервалом. Він повязаний з приростами координат наступною формулою: |
де <math>c</math> - [[швидкість світла]]. Різниця <math>d s</math> натурального параметра в двох близьких точках чотиривимірного простору-часу називається просторово-часовим інтервалом. Він повязаний з приростами координат наступною формулою: |
||
Рядок 16: | Рядок 16: | ||
В спеціальній теорії відносності прискорення матеріальної точки було повязане із силою наступною формулою: |
В спеціальній теорії відносності прискорення матеріальної точки було повязане із силою наступною формулою: |
||
: <math>(5) \qquad |
: <math>(5) \qquad m {d^2 x^i \over d \tau^2} = F^i</math> |
||
Оскільки в спеціальній теорії відносності символи Крістофеля дорівнюють нулю, то ми можемо замість другої похідної по часу підставити вектор кривини <math>k^i</math> з відповідним коефіцієнтом, і узагальнити (5) до наступної тензорної формули: |
Оскільки в спеціальній теорії відносності символи Крістофеля дорівнюють нулю, то ми можемо замість другої похідної по часу підставити вектор кривини <math>k^i</math> з відповідним коефіцієнтом, і узагальнити (5) до наступної тензорної формули: |
||
: <math>(6) \qquad |
: <math>(6) \qquad m c^2 \left ( {d^2 x^i \over d s^2} + \Gamma^i_{jk} {d x^j \over d s} {d x^k \over d s} \right ) = F^i</math> |
||
Всі справжні сили, окрім сили тяжіння і сил інерції, (наприклад електромагнітні сили) зібрані в векторі <math>F^i</math>. |
Всі справжні сили, окрім сили тяжіння і сил інерції, (наприклад електромагнітні сили) зібрані в векторі <math>F^i</math>. |
||
''Мимохідь можна побачити такий цікавий геометричний факт: геодезична кривина світової лінії (розмірність обернена до відстані) дорівнює силі, поділеній на енергію спокою:''. |
''Мимохідь можна побачити такий цікавий геометричний факт: геодезична кривина світової лінії (розмірність обернена до відстані) дорівнює силі, поділеній на енергію спокою:''. |
||
: <math>(7) \qquad k^i = {F^i \over |
: <math>(7) \qquad k^i = {F^i \over m c^2}</math> |
||
Сила тяжіння і сили інерції описуються одним доданком в формулі (6), повязаним із символами Крістофеля. Перепишемо (6), перенісши цей доданок в праву частину рівняння, і позначимо цю несправжню силу <math>\tilde F^i</math> (еф з тільдою): |
Сила тяжіння і сили інерції описуються одним доданком в формулі (6), повязаним із символами Крістофеля. Перепишемо (6), перенісши цей доданок в праву частину рівняння, і позначимо цю несправжню силу <math>\tilde F^i</math> (еф з тільдою): |
||
: <math>(8) \qquad |
: <math>(8) \qquad m {d^2 x^i \over d \tau^2} = - m_0 \Gamma^i_{jk} {d x^j \over d \tau} {d x^k \over d \tau} + F^i = \tilde F^i + F^i</math> |
||
Звернемо увагу, що маса <math> |
Звернемо увагу, що маса <math>m</math> в лівій частині формули (6) винесена за дужки, а тому при розритті дужок буде однаковою інерційна маса, яка стоїть множником біля прискорення в даній системі координат: |
||
: <math>(9) \qquad |
: <math>(9) \qquad m {d^2 x^i \over d \tau^2}</math> |
||
і гравітаційна маса, яка стоїть множником в формулі для гравітаційної сили: |
і гравітаційна маса, яка стоїть множником в формулі для гравітаційної сили: |
||
: <math>(10) \qquad \tilde F^i = - |
: <math>(10) \qquad \tilde F^i = - m \Gamma^i_{jk} {d x^j \over d \tau} {d x^k \over d \tau}</math> |
||
Ясно, що відокремити силу тяжіння від сил інерції важко, особливо в нестаціонарному гравітаційному полі. |
Ясно, що відокремити силу тяжіння від сил інерції важко, особливо в нестаціонарному гравітаційному полі. |
Версія за 13:38, 28 травня 2009
Принцип еквівалентності - основне твердження загальної теорії відносності, за яким спостерігач не може жодним чином відрізнити дію гравітаційного поля від сили інерції, що виникає в системі відліку, яка рухається з прискоренням.
Принцип еквівалентності справедливий завдяки рівності гравітаційної та інерційної маси.
Розрізняють слабкий принцип еквівалентності та сильний принцип еквівалентності. Різниця між ними в тому, що слабкий принцип - це локальне твердження, а сильний принцип - це твердження, що стосується будь-якої точки простору часу, тобто будь-якого місця у Всесвіті й будь-якого часу в минулому чи майбутньому.
Математичне формулювання
Подивимось, як цей принцип відображається у формулах. Для цього розглянемо світову лінію матеріальної точки з масою . Натуральний параметр цієї лінії позначимо , він пропорційний власному часу матеріальної точки :
де - швидкість світла. Різниця натурального параметра в двох близьких точках чотиривимірного простору-часу називається просторово-часовим інтервалом. Він повязаний з приростами координат наступною формулою:
Одиничний дотичний вектор до світової лінії є справжнім чотиривектором; він виражається через чотиривектор швидкості :
Геодезична кривина світової лінії також є справжнім чотиривектором, і дорівнює:
В спеціальній теорії відносності прискорення матеріальної точки було повязане із силою наступною формулою:
Оскільки в спеціальній теорії відносності символи Крістофеля дорівнюють нулю, то ми можемо замість другої похідної по часу підставити вектор кривини з відповідним коефіцієнтом, і узагальнити (5) до наступної тензорної формули:
Всі справжні сили, окрім сили тяжіння і сил інерції, (наприклад електромагнітні сили) зібрані в векторі . Мимохідь можна побачити такий цікавий геометричний факт: геодезична кривина світової лінії (розмірність обернена до відстані) дорівнює силі, поділеній на енергію спокою:.
Сила тяжіння і сили інерції описуються одним доданком в формулі (6), повязаним із символами Крістофеля. Перепишемо (6), перенісши цей доданок в праву частину рівняння, і позначимо цю несправжню силу (еф з тільдою):
Звернемо увагу, що маса в лівій частині формули (6) винесена за дужки, а тому при розритті дужок буде однаковою інерційна маса, яка стоїть множником біля прискорення в даній системі координат:
і гравітаційна маса, яка стоїть множником в формулі для гравітаційної сили:
Ясно, що відокремити силу тяжіння від сил інерції важко, особливо в нестаціонарному гравітаційному полі.
Проте ми можемо окремо говорити про сили інерції у випадку плоского простору Мінковського, коли тензор Рімана тотожно дорівнює нулю. Також ми можемо говорити тільки про силу гравітації і відсутність сил інерції, якщо метричний тензор не залежить від часу і на нескінченності переходить в постійний тензор Мінковського:
Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її. |