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/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / physics / 11295 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-07-21  |  6.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!ogicse!das-news.harvard.edu!husc-news.harvard.edu!husc8.harvard.edu!mcirvin
  2. From: mcirvin@husc8.harvard.edu (Mcirvin)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: A long-winded primer on four-vectors (part 2)
  5. Keywords: four-vectors
  6. Message-ID: <1992Jul21.182438.14032@husc3.harvard.edu>
  7. Date: 21 Jul 92 22:24:36 GMT
  8. Article-I.D.: husc3.1992Jul21.182438.14032
  9. References: <mcirvin.711489157@husc10> <130889@lll-winken.LLNL.GOV> <mcirvin.711673227@husc8> <1992Jul21.141253.17366@jlc.mv.com>
  10. Lines: 133
  11. Nntp-Posting-Host: husc8.harvard.edu
  12.  
  13. (This is part 2 of a lengthy post on four-vectors.)
  14.  
  15.                        IV.  Physics
  16.  
  17. All this becomes useful in relativity when you start expressing
  18. physical quantities as four-vectors.  One such quantity is
  19. the energy-momentum four-vector associated with an object: its
  20. time component is the total energy, and its spatial components
  21. are the components of momentum.  These are all in the same
  22. units if we set c = 1.  The vector's invariant squared
  23. "length,"
  24.  
  25.     a                 2    2         2
  26.    P  P       =      E -|p|      =  m
  27.        a                                 ,
  28.  
  29. is mass squared, which does not change under Lorentz transformations.
  30. E and p do, though, since they're just components of the vector.
  31. In the rest frame, though, p = 0 and E = m, so m is also
  32. the rest energy, E = mc^2, if we don't set c = 1.
  33.                   0
  34.  
  35. For a photon, m = 0, so the vector is a "null vector," one with
  36. zero length; but because of the minus signs in the metric, that
  37. doesn't mean that the components are all zero, just that E = |p|.
  38. In the units we're used to, that relation becomes E = pc.
  39.  
  40. The coordinates of events in spacetime can also be represented
  41. by four-vectors, and this is where kinematics comes in.  In
  42. this case the time component is the time of the event and the
  43. spatial components give the position, in some reference frame.
  44. The same rules used to transform the energy-momentum vector
  45. now give the prescription for finding the position and time
  46. of the event in any frame.
  47.  
  48. Subtracting the coordinates of two ordinary vectors in
  49. three-space gives the displacement of one position from
  50. another, and the length of the vector is the distance
  51. between the points.  Likewise, if a vector D = (t,x,y,z)
  52. is the difference between two events' coordinates, we can
  53. define an invariant quantity
  54.  
  55.    a              2    2    2    2
  56.   D  D     =     D  - D  - D  - D
  57.       a           t    x    y    z  ,
  58.  
  59. which can be positive, negative, or zero!  If it's positive,
  60. then its square root is the proper time experienced by an
  61. object traveling at constant speed from one event to the
  62. other.  If it's negative, then the events are too far apart
  63. to travel from one to the other, and the square root of minus
  64. this quantity is sometimes called "proper distance."  If it's
  65. zero, then the path from one to the other is called "lightlike,"
  66. and a light beam traveling at c can get from one event to the
  67. other, experiencing zero proper time.
  68.  
  69. If a four-vector has zero length in one frame, it will
  70. have zero length in *all* frames, since length is invariant
  71. under Lorentz transformations.  This is the expression in
  72. the four-vector formalism of the postulate that the speed
  73. of light is the same for all observers.
  74.  
  75. Intervals with positive squared lengths (and real proper
  76. times) are called "timelike," and intervals with
  77. negative squared lengths (and real proper distances) are
  78. called "spacelike."  Information can only travel along
  79. timelike or lightlike intervals.  The proper time experienced
  80. by a high-velocity traveler (or, of more experimental
  81. importance, a high-velocity subatomic particle) who
  82. accelerates in arbitrary complicated ways may be
  83. found by integrating up the proper times for short
  84. segments of the path.
  85.  
  86. Kinematics is properly handled by taking derivatives with
  87. respect to *proper* time, at least for things traveling at
  88. less than c.  The velocity four-vector V is the derivative
  89. of the displacement vector with respect to proper time.  It
  90. always has an invariant length of 1.  Its spatial 
  91. components are not the three-dimensional velocity, but the
  92. velocity times the time-dilation factor gamma; the time
  93. component is gamma.  We then have a very nice-looking
  94. relation between four-vectors
  95.  
  96.        P = mV ,
  97.  
  98. where P is the four-momentum, V is the four-velocity, and
  99. m is the invariant, unchanging mass.  The velocity four-
  100. vector becomes ill-defined for things traveling at the
  101. speed of light, along intervals that always have a 
  102. length of zero; this is consistent with the fact that
  103. for these objects m = 0, yet P is still nonzero.
  104.  
  105. Four-acceleration A is the derivative of four-velocity with
  106. respect to time.  We can define a quantity called the
  107. four-force, under which definition
  108.  
  109.       F = mA.
  110.  
  111. This is generally easier to work with than three-dimensional
  112. forces, especially when handling electromagnetism.  Electro-
  113. magnetism involves more complicated quantities, like four-
  114. dimensional tensors.  I should mention, though, that the electric
  115. potential and magnetic vector potential combine quite nicely
  116. (in the proper units) to form a four-vector, which transforms
  117. by the very same rules as any other four-vector, as long as
  118. you're careful to take into account *where* and *when* the
  119. potential is being evaluated in each frame.
  120.  
  121.                      V.  Remarks 
  122.  
  123. From what I've said in this article it is possible to do
  124. an extraordinary variety of calculations in relativistic
  125. kinematics with a minimum of mathematical pain and a greatly
  126. reduced amount of conceptual confusion.  Many things become
  127. easier if you do as much of the work as possible in terms of
  128. quantities with simple Lorentz transformation properties,
  129. or what physicists call "manifest covariance."
  130.  
  131. Also, some of the simplicity of this notation carries
  132. over into *general* relativity, where the metric g is
  133. no longer a constant diagonal matrix, but codifies the
  134. gravitational field!  Not to use covariant quantities in
  135. such a situation would be patently insane.
  136.  
  137. Note that is ridiculous, with this formalism, to call
  138. the time component of P the "mass" when what I've been
  139. calling m shows up in so many nice places.
  140.  
  141. I hope this was comprehensible.
  142.  
  143. -- 
  144. Matt McIrvin, grad student, Dept. of Physics, Harvard University
  145. mcirvin@husc.harvard.edu      mumble mumble mumble mumble mumble
  146.