Alıntı:
Michael Fowler, UVa Fiziği.
Çok Hızlı Parçacıklar İçin Kinetik Enerji ve Kütle
Bu parçacıklardan birinin ışığın hızına yakın olan kinetik enerjisini düşünelim. Daha önceki bir derste, normal olmayan rölativistik (yani yavaş hareket eden) bir kütlenin kinetik enerjisini bulduğumuzu hatırlayın. m oldu 1/ 2 m v^2 . Bunu yapmamızın yolu, belli bir yükseklikten yükseltmek için ne kadar çaba sarfettiğimizi düşünerek oldu: ağırlığına eşit bir kuvvet uygulamak zorunda kaldık. W yükseklikten kaldırmak h , Toplam iş, ya da harcanan enerji, güç x mesafesi, W h . Düştü, yerçekimi kuvveti, W , tam olarak eşit miktarda iş yaptı W h düşen nesne üzerinde, ancak bu kez çalışma, kinetik enerjiyi vermek için nesneyi hızlandırmaya başladı. Düşen nesnelerin hızı ne kadar hızlı topladığını bildiğimizden, kinetik enerjinin olduğu sonucuna vardık. 1/ 2 m v^2. (Detaylı bilgi için önceki derse bakınız.)
Daha genel olarak, kütleyi herhangi bir sabit kuvvetle hızlandırabilirdik F , ve hızı elde etmek için kuvvet (kuvvet x mesafesi) tarafından yapılan işi bulundu v ayakta bir başlangıçtan. Kütlenin kinetik enerjisi, E = 1 2 m v 2 , Bu kütleye bu hıza ulaşmada güç tarafından yapılan işe tam olarak eşittir. (Hızda zaten hareket eden bir parçacığa bir kuvvet uygulanmışsa, benzer şekilde gösterilebilir) u , ve hızlandırmak için hızlandı v , gerekli iş 1/ 2 m v^2- 1/ 2 m u^2 . )
Önceki paragrafta sözü edilen hızlandırıcılarda bulunan parçacıklar gibi, ışığın hızına çok yakın hareket eden bir parçacık için egzersizi tekrarlamaya çalışmak ilginçtir. Newton'un İkinci Yasası, formda
Kuvvet = momentum değişim hızı
hala doğrudur, ancak ışığın hızına yakın olarak, kuvvet çalışmaya devam ettikçe hız ihmal edilebilir bir şekilde değişir - bunun yerine kitle artar! Bu nedenle, mükemmel bir yaklaştırmaya yazabiliriz,
Kuvvet = (kütle değişim oranı) x c
her zamanki gibi c ışığın hızıdır. Daha spesifik olmak gerekirse, sürekli bir güce sahip olduğumuzu varsayalım F bir parçacığı itmek. Bir anda, parçacığın kütlesi vardır M , ve hız son derece yakın c . Bir saniye sonra, bu güç parçacığın üzerinde çalışmaya devam ettiği ve böylece Newton'un İkinci Yasası'ndaki momentumunu artırdığı için, parçacığın kütlesi olacaktır. M + m diyelim ki m Kuvvet tarafından yapılan çalışma sonucunda kütlenin artmasıdır.
Kinetik enerjideki artış nedir E Bu ikinci dönem boyunca parçacığın? Yukarıda gözden geçirilen rölativistik olmayan durumla tam olarak kıyaslandığında, bu süreçte sadece kuvvet tarafından yapılan çalışmadır. Şimdi, partikülün kütlesi değiştiğinden m bir saniyede m aynı zamanda kütle değişim oranıdır . Bu nedenle, Newton'un İkinci Yasası formunda
Kuvvet = (kütle değişim oranı) x c ,
yazabiliriz
Kuvvet = m c .
Kinetik enerjide artış E bir saniye boyunca sadece güç tarafından yapılan iştir ,
E = x mesafeyi zorlar.
Parçacık esasen ışığın hızında hareket ettiğinden, kuvvetin bir saniyelik periyotta etki ettiği mesafe sadece c metre, c = 3 x 10^8 .
Yani bu kuvvetin yaptığı toplam iş, kuvvet x mesafesidir = m c x c = m c^2 .
Dolayısıyla relativistik parçacığın kütlesindeki artış ve kinetik enerjideki artış arasındaki ilişki:
E = m c^2 .