Релятивистское сокращение масштабов

Лоренцево сокращение, Фитцджеральдово 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 длины l движется (вдоль своей длины) со скоростью v относительно некой системы отсчёта. В таком случае в фиксированный момент времени расстояние между концами стержня составит

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

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

$T = \sqrt{1 - (v/c)^2}\,\frac l v$ .

При этом, все размеры поперёк движения не меняются.

Объяснение

Сокращение длин возникает из-за свойств псевдоевклидовой геометрии пространства Минковского, аналогичных удлиннению сечения, например, цилиндра, когда оно проводится не строго поперёк оси, а косо. См. преобразования Лоренца.

Говоря иначе, «одинаковый момент времени» с точки зрения рассматриваемой системы отсчёта не будет являться одинаковым с точки зрения стержня.

Толкование

Понятие «одинакового момента времени» с точки зрения теории относительности является неправильным. Поэтому, эффект в большинстве случаев можно понимать не как «изменение длины», а как отличие релятивистского понятия скорости от оного в галилеевой кинематике. Длинные предметы, разогнанные до околосветовых скоростей, пролетают намного быстрее, чем следовало бы ожидать, разделив их длину на величину v («скорость движения»). При неограниченном разгоне стержня время его пролёта будет стремиться к нулю, несмотря на то, что «скорость» ограничена постоянной c.

Или, если представить себе трубопровод с околосветовым движением, то он сможет перекачать в единицу времени больший объём жидкости, нежели скорость света, умноженная на сечение трубы (при устремлении скорости к световой — неограниченный).

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».