Лоренцево сокращение

Лоренцево сокращение, Фицджеральдово сокращение, также называемое релятивистским сокращение длины движущегося тела или масштаба — предсказываемый релятивистской кинематикой эффект, заключающийся в том, что с точки зрения наблюдателя движущиеся относительно него предметы имеют меньшую длину (линейные размеры в направлении движения), чем их собственная длина. Множитель, выражающий кажущееся сжатие размеров, тем сильнее отличается от 1, чем больше скорость движения предмета.

Эффект значим, только если скорость предмета по отношению к наблюдателю сравнима со скоростью света.

Строгое определение

Пусть стержень покоится в инерциальной системе отсчёта K и расстояние между концами стержня, измеренное в К («собственная» длина стержня), равно l. Пусть далее стержень движется вдоль своей длины со скоростью v относительно некой другой (инерциальной) системы отсчёта K'. В таком случае расстояние l' между концами стержня, измеренное в системе отсчета K', составит

<math> l' = \sqrt{1 - (v/c)^2}\ l</math> , где c — скорость света.

При этом, расстояния поперёк движения одинаковы в обеих системах отсчета K и K'.

Величина γ, обратная множителю с корнем, называется также Лоренц-фактором. С её использованием эффект можно сформулировать и так: время пролёта стержня мимо фиксированной точки системы отсчёта K' составит

<math> T' = \frac {1}{\gamma} \frac l v</math> .

Вывод

Преобразования Лоренца

Сокращение длины может быть выведено из преобразований Лоренца несколькими способами:

<math>\begin{align}

x' & =\gamma\left(x-vt\right),\\ t' & =\gamma\left(t-vx/c^{2}\right). \end{align}</math>

Через известную длину движущегося объекта

Путь в инерциальной системе отсчета S, <math>x_{1}</math> и <math>x_{2}</math> обозначают концы движущегося объекта. Тогда его длина <math>L</math> определяется через одновременное положение концов <math>t_{1}=t_{2}</math>. Собственную длину объекта в S' можно рассчитать через преобразования Лоренца. Преобразование временных координат из S в S' приводит к различающемуся времени. Но это не проблема, так как объект покоится в S' и не имеет значения, в какой момент времени произведены измерения. Поэтому достаточно сделать преобразования пространственных координат, что дает:

<math>x'_{1}=\gamma\left(x_{1}-vt_{1}\right), x'_{2}=\gamma\left(x_{2}-vt_{2}\right).</math>

По скольку <math>t_{1}=t_{2}</math>, и положив <math>L=x_{2}-x_{1}</math> и <math>L_{0}^{'}=x_{2}^{'}-x_{1}^{'}</math>, собственная длина в S' получается

<math>L_{0}^{'}=L\cdot\gamma. \qquad \qquad \text{(1)},</math>

В соответствии с этим измеренная длина в S полчается уменьшенной

<math>L=L_{0}^{'}/\gamma. \qquad \qquad \text{(2)}</math>

В соответствии и принципом относительности, объекты, покоящиеся в S, будут так же уменьшены в S'. Поменяв симметрично не штрихованные и штрихованные обозначения:

<math>L_{0}=L'\cdot\gamma. \qquad \qquad \text{(3)}</math>

Тогда уменьшенная длина, измеряемая в S' :

<math>L'=L_{0}/\gamma.\qquad \qquad \text{(4)}</math>

Через известную собственную длину

Если объект покоится в S и известна его собственная длина, то одновременность измерений концов объекта в S' необходимо рассчитать, потому что объект постоянно меняет свою позицию. В таком случае необходимо преобразовать и пространственные и временные координаты:

<math>\begin{align}

x_{1}^{'} & =\gamma\left(x_{1}-vt_{1}\right), & & & x_{2}^{'} & =\gamma\left(x_{2}-vt_{2}\right)\\ t_{1}^{'} & =\gamma\left(t_{1}-vx_{1}/c^{2}\right), & & & t_{2}^{'} & =\gamma\left(t_{2}-vx_{2}/c^{2}\right). \end{align}</math>

Так как <math>t_{1}=t_{2}</math> и <math>L_{0}=x_{2}-x_{1}</math> получаемые результаты не одновременны:

<math>\begin{align}

\Delta x' & =\gamma L_{0}\\ \Delta t' & =\gamma vL_{0}/c^{2} \end{align}</math>

Для получения одновременных положений концов, необходимо вычесть из <math>\Delta x'</math> расстояние, пройденное вторым концом со скоростью <math>v</math> в течение времени <math>\Delta t'</math> :

<math>\begin{align}

L' & =\Delta x'-v\Delta t'\\

& =\gamma L_{0}-\gamma v^{2}L_{0}/c^{2}\\
& =L_{0}/\gamma

\end{align}</math>

Таким образом движущаяся длина в S' уменьшилась. Точно так же можно рассчитать симметричный результат для объекта, покоящегося в S':

<math>L=L^{'}_{0}/\gamma</math>.

Объяснение

Сокращение длин возникает из-за свойств псевдоевклидовой геометрии пространства Минковского, аналогичных удлинению сечения, например, цилиндра, когда оно проводится не строго поперёк оси, а косо. Говоря иначе, «один и тот же момент времени» с точки зрения системы отсчёта, где стержень движется, не будет являться одним и тем же моментом с точки зрения системы отсчёта, связанной со стержнем. То есть процедура измерения расстояния в одной системе отсчёта с точки зрения любой другой системы отсчёта является не процедурой измерения чистого расстояния, когда положения, например, концов стержня засекаются в один и тот же момент времени, а смесью измерения пространственного расстояния и промежутка времени, которые вместе составляют инвариантный, то есть не зависящий от системы отсчёта, пространственно-временной интервал.

См. также: преобразования Лоренца

Толкование

«Они [промежутки времени и отрезки длины] относительны примерно в том же смысле, в каком относительными (зависящими от расположения наблюдателей) являются суждения наблюдателей об угловом расстоянии, под которыми они видят одну и ту же пару предметов». При толковании лоренцевых сокращений этот пример из Физической энциклопедии может быть дополнен относительностью длины трека нестабильной частицы от её рождения до распада. В ИСО, сопутствующей частице, она покоится, а среда движется с релятивистской скоростью и её длина вдоль пути частицы претерпевает лоренцево сокращение, поэтому за время, соответствующее жизненному циклу покоящейся частицы, она пролетает в неподвижной для исследователей физической лаборатории расстояние, значительно превышающее номинальное. Линейные размеры детектора элементарных частиц в лабораторной системе отсчёта при этом остаются неизменными (однако уменьшаются в системе отсчёта, связанной с частицей).

Значение для физики

Лоренцево сокращение лежит в основе таких эффектов как парадокс Эренфеста и парадокс Белла, показывающих непригодность понятий классической механики к СТО. Они показывают невозможность, соответственно, раскрутить и придать ускорение гипотетическому «абсолютно твёрдому телу».

Литература

• Физическая энциклопедия, т.2 — М.:Большая Российская Энциклопедия стр.608-609.

См. также

• Форма релятивистских объектов
• Прецессия Томаса
• Релятивистское замедление времени
• Парадокс шеста и сарая

Отрывок, характеризующий Лоренцево сокращение

Голоса ее, m lle Bourienne и Кати, которая о чем то засмеялась, сливались в веселое лепетанье, похожее на пение птиц.
– Non, laissez moi, [Нет, оставьте меня,] – сказала княжна.
И голос ее звучал такой серьезностью и страданием, что лепетанье птиц тотчас же замолкло. Они посмотрели на большие, прекрасные глаза, полные слез и мысли, ясно и умоляюще смотревшие на них, и поняли, что настаивать бесполезно и даже жестоко.
– Au moins changez de coiffure, – сказала маленькая княгиня. – Je vous disais, – с упреком сказала она, обращаясь к m lle Bourienne, – Marieie a une de ces figures, auxquelles ce genre de coiffure ne va pas du tout. Mais du tout, du tout. Changez de grace. [По крайней мере, перемените прическу. У Мари одно из тех лиц, которым этот род прически совсем нейдет. Перемените, пожалуйста.]
– Laissez moi, laissez moi, tout ca m'est parfaitement egal, [Оставьте меня, мне всё равно,] – отвечал голос, едва удерживающий слезы.
M lle Bourienne и маленькая княгиня должны были признаться самим себе, что княжна. Марья в этом виде была очень дурна, хуже, чем всегда; но было уже поздно. Она смотрела на них с тем выражением, которое они знали, выражением мысли и грусти. Выражение это не внушало им страха к княжне Марье. (Этого чувства она никому не внушала.) Но они знали, что когда на ее лице появлялось это выражение, она была молчалива и непоколебима в своих решениях.
– Vous changerez, n'est ce pas? [Вы перемените, не правда ли?] – сказала Лиза, и когда княжна Марья ничего не ответила, Лиза вышла из комнаты.
Княжна Марья осталась одна. Она не исполнила желания Лизы и не только не переменила прически, но и не взглянула на себя в зеркало. Она, бессильно опустив глаза и руки, молча сидела и думала. Ей представлялся муж, мужчина, сильное, преобладающее и непонятно привлекательное существо, переносящее ее вдруг в свой, совершенно другой, счастливый мир. Ребенок свой, такой, какого она видела вчера у дочери кормилицы, – представлялся ей у своей собственной груди. Муж стоит и нежно смотрит на нее и ребенка. «Но нет, это невозможно: я слишком дурна», думала она.
– Пожалуйте к чаю. Князь сейчас выйдут, – сказал из за двери голос горничной.
Она очнулась и ужаснулась тому, о чем она думала. И прежде чем итти вниз, она встала, вошла в образную и, устремив на освещенный лампадой черный лик большого образа Спасителя, простояла перед ним с сложенными несколько минут руками. В душе княжны Марьи было мучительное сомненье. Возможна ли для нее радость любви, земной любви к мужчине? В помышлениях о браке княжне Марье мечталось и семейное счастие, и дети, но главною, сильнейшею и затаенною ее мечтою была любовь земная. Чувство было тем сильнее, чем более она старалась скрывать его от других и даже от самой себя. Боже мой, – говорила она, – как мне подавить в сердце своем эти мысли дьявола? Как мне отказаться так, навсегда от злых помыслов, чтобы спокойно исполнять Твою волю? И едва она сделала этот вопрос, как Бог уже отвечал ей в ее собственном сердце: «Не желай ничего для себя; не ищи, не волнуйся, не завидуй. Будущее людей и твоя судьба должна быть неизвестна тебе; но живи так, чтобы быть готовой ко всему. Если Богу угодно будет испытать тебя в обязанностях брака, будь готова исполнить Его волю». С этой успокоительной мыслью (но всё таки с надеждой на исполнение своей запрещенной, земной мечты) княжна Марья, вздохнув, перекрестилась и сошла вниз, не думая ни о своем платье, ни о прическе, ни о том, как она войдет и что скажет. Что могло всё это значить в сравнении с предопределением Бога, без воли Которого не падет ни один волос с головы человеческой.


Когда княжна Марья взошла в комнату, князь Василий с сыном уже были в гостиной, разговаривая с маленькой княгиней и m lle Bourienne. Когда она вошла своей тяжелой походкой, ступая на пятки, мужчины и m lle Bourienne приподнялись, и маленькая княгиня, указывая на нее мужчинам, сказала: Voila Marie! [Вот Мари!] Княжна Марья видела всех и подробно видела. Она видела лицо князя Василья, на мгновенье серьезно остановившееся при виде княжны и тотчас же улыбнувшееся, и лицо маленькой княгини, читавшей с любопытством на лицах гостей впечатление, которое произведет на них Marie. Она видела и m lle Bourienne с ее лентой и красивым лицом и оживленным, как никогда, взглядом, устремленным на него; но она не могла видеть его, она видела только что то большое, яркое и прекрасное, подвинувшееся к ней, когда она вошла в комнату. Сначала к ней подошел князь Василий, и она поцеловала плешивую голову, наклонившуюся над ее рукою, и отвечала на его слова, что она, напротив, очень хорошо помнит его. Потом к ней подошел Анатоль. Она всё еще не видала его. Она только почувствовала нежную руку, твердо взявшую ее, и чуть дотронулась до белого лба, над которым были припомажены прекрасные русые волосы. Когда она взглянула на него, красота его поразила ее. Анатопь, заложив большой палец правой руки за застегнутую пуговицу мундира, с выгнутой вперед грудью, а назад – спиною, покачивая одной отставленной ногой и слегка склонив голову, молча, весело глядел на княжну, видимо совершенно о ней не думая. Анатоль был не находчив, не быстр и не красноречив в разговорах, но у него зато была драгоценная для света способность спокойствия и ничем не изменяемая уверенность. Замолчи при первом знакомстве несамоуверенный человек и выкажи сознание неприличности этого молчания и желание найти что нибудь, и будет нехорошо; но Анатоль молчал, покачивал ногой, весело наблюдая прическу княжны. Видно было, что он так спокойно мог молчать очень долго. «Ежели кому неловко это молчание, так разговаривайте, а мне не хочется», как будто говорил его вид. Кроме того в обращении с женщинами у Анатоля была та манера, которая более всего внушает в женщинах любопытство, страх и даже любовь, – манера презрительного сознания своего превосходства. Как будто он говорил им своим видом: «Знаю вас, знаю, да что с вами возиться? А уж вы бы рады!» Может быть, что он этого не думал, встречаясь с женщинами (и даже вероятно, что нет, потому что он вообще мало думал), но такой у него был вид и такая манера. Княжна почувствовала это и, как будто желая ему показать, что она и не смеет думать об том, чтобы занять его, обратилась к старому князю. Разговор шел общий и оживленный, благодаря голоску и губке с усиками, поднимавшейся над белыми зубами маленькой княгини. Она встретила князя Василья с тем приемом шуточки, который часто употребляется болтливо веселыми людьми и который состоит в том, что между человеком, с которым так обращаются, и собой предполагают какие то давно установившиеся шуточки и веселые, отчасти не всем известные, забавные воспоминания, тогда как никаких таких воспоминаний нет, как их и не было между маленькой княгиней и князем Васильем. Князь Василий охотно поддался этому тону; маленькая княгиня вовлекла в это воспоминание никогда не бывших смешных происшествий и Анатоля, которого она почти не знала. M lle Bourienne тоже разделяла эти общие воспоминания, и даже княжна Марья с удовольствием почувствовала и себя втянутою в это веселое воспоминание.