Przeskocz do treści

Delta mi!

Efekty relatywistyczne w zasięgu ręki?

Piotr Zalewski

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: sierpień 2012
  • Publikacja elektroniczna: 31-07-2012

Prędkość math nazywana prędkością światła, jest równa math m/s. Dokładnie, bo metr jest zdefiniowany za jej pomocą i z wykorzystaniem wzorca sekundy. To, w porównaniu z prędkościami, których doświadczamy, bardzo, bardzo dużo. Na przykład samolot myśliwski o długości 10 metrów, lecący z prędkością math km/s, skróci się lorentzowsko przez czynnik math czyli o pięć angstremów, a więc długość odpowiadającą pojedynczej cząsteczce paliwa lotniczego.

Jak widać, mierzalne efekty relatywistyczne wydają się dla zwykłego śmiertelnika nieobserwowalne.

A jednak, podobnie jak monsieur Jourdain nie zdawał sobie sprawy, że mówi prozą, tak my możemy nie wiedzieć, że efekty relatywistyczne własnoręcznie wielokrotnie badaliśmy.

Zacznijmy od eksperymentu myślowego. Wyobraźmy sobie dwa bardzo długie, położone bardzo blisko siebie i bardzo wąskie taśmociągi, poruszające się przeciwbieżnie z prędkościami math i  math Na taśmociągach umocowane są, w jednakowych odstępach math ładunki math na tym poruszającym się w prawo oraz math na tym poruszającym się w lewo. Liniowa gęstość ładunku taśmociągów wynosi więc math oraz math Z odpowiednio dużej odległości math taśmociągi są równoważne prądowi o sumarycznej gęstości liniowej

display-math

Następnie umieśćmy, w odległości math od tak skonstruowanego „przewodnika” z prądem, spoczywający math ładunek próbny math Na ładunek ten nie będzie działać żadna siła ze strony „przewodnika”, bo sumaryczna liniowa gęstość ładunku jest, z konstrukcji, zerowa.

A teraz spójrzmy na tę sytuację z układu, który porusza się w prawo z prędkością math W układzie tym dodatnio naładowany taśmociąg spoczywa. Ponieważ prędkości taśmociągów są niewielkie, to spróbujmy opisać tę sytuację za pomocą transformacji Galileusza. Zgodnie z nią prędkości po prostu się dodają. Wtedy ujemnie naładowany taśmociąg porusza się z prędkością math a więc sumaryczna gęstość prądu wynosi tyle samo co poprzednio (natężenie prądu nienaładowanego przewodnika jest niezmiennikiem transformacji Galileusza):

display-math

Gęstość ładunku również nie ulega zmianie, bo transformacja Galileusza na nią nie wpływa.

Ponieważ jednak ładunek próbny porusza się obecnie z prędkością math więc okazuje się, że działa na niego siła (odpychająca, tak jak między przewodnikami o przeciwnych kierunkach prądu):

display-math

Nie jest dobrze. Rozpatrywane układy są inercjalne. Jeśli w jednym nie działa siła, to (w zgodzie z doświadczeniem) w drugim także działać nie może.

Spróbujmy temu zaradzić za pomocą transformacji Lorentza. Zgodnie z nią prędkości dodają się trochę inaczej. Jeżeli układ primowany porusza się względem nieprimowanego z prędkością math to (równoległa do math i skierowana w tę samą stronę) prędkość math  w układzie nieprimowanym przejdzie na

display-math

Oprócz tego poruszające się (względem jakiegoś układu inercjalnego) z prędkością math  ciała ulegają skróceniu (w tym układzie) o czynnik

display-math

wzdłuż kierunku ruchu, co w naszym przypadku powoduje wzrost gęstości liniowej ładunku o czynnik math  (bo skracający się odstęp math  jest w mianowniku).

Teraz należy uważać (ale tylko przez chwilę). Jeżeli popatrzymy na taśmociąg z układu, w którym taśmociąg spoczywa, to zmierzymy gęstość ładunku math która z gęstością ładunku math  w układzie początkowym (tym opisanym na początku) jest związana warunkiem math natomiast gęstość prądu warunkiem math Oczywiście, musi to być prawda dla dowolnej prędkości math  poruszania się danego taśmociagu (tu dla dodatnio naładowanego):

pict

Bezpośrednim rachunkiem można sprawdzić następujące równości:

pict

Łatwo wtedy wykazać (podstawiając i porządkując), że pod wpływem opisanych wyżej transformacji z układu początkowego do układu poruszającego się z względną prędkością math (układu primowanego), kombinacja math przekształca się analogicznie do kombinacji czasu i położenia math

pict

Dzięki temu możemy dokładną analizę zaaranżowanej sytuacji pozostawić Czytelnikowi i po prostu (znając math oraz math ) obliczyć sumaryczną gęstość (liniową) ładunku oraz sumaryczną gęstość (liniową) prądu w układzie primowanym:

display-math

co daje następujące wartości siły elektrycznej math (przyciągającej dla math bo math  jest wtedy ujemne) oraz siły magnetycznej math (odpychającej, jak poprzednio):

pict

gdzie math a  math  jest wartością ładunku próbnego w układzie primowanym (nie musimy wnikać w to, jaka jest jego wartość). Siły te się znoszą, o ile math To, dla wychowanych na układzie SI, nie musi być oczywiste, ale przecież przenikalności dielektryczna math i magnetyczna math próżni to tylko przeliczniki jednostek właśnie przez tę relację zdefiniowane!

Uzmysławiamy sobie w ten sposób, że elektromagnetyzm klasyczny jest teorią relatywistyczną. Wszelkie klasyczne efekty magnetyczne można wyjaśnić za pomocą szczególnej teorii względności. Paradoksalnie jednak, takie proste rozważania sprawdzają się tylko dla niewielkich prędkości (dopóki można nie uwzględniać efektów związanych ze skończoną prędkością światła).

Efekty magnetyczne są mierzalne, bo oddziaływanie elektromagnetyczne jest dużo silniejsze niż grawitacyjne, które determinuje naszą codzienną wrażliwość, oraz dlatego, że dość łatwo zaaranżować sytuację, w której ładunki się poruszają, ale są zbilansowane.

W każdym razie, ilekroć przyczepiamy magnesikiem przypominajkę do lodówki, tylekroć doświadczalnie potwierdzamy szczególną teorię względności.