Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity

The Unity of Spacetime......Page o
Contents......Page v
1.1. Poroble of the Surveyors......Page 1
1.2. Survying Spacetime......Page 5
1.3. Events and Intervals Alone!......Page 9
1.4. Some Unit for Space and Time: Meter, Second, Minute, or Year......Page 11
1.5. Unity of Spacetime......Page 15
References......Page 18
Exercises......Page 20
2.1. Flooting to the Moon......Page 25
2.2. The Inertial (Free-Float) Frame......Page 26
2.3. Local Character of Free-Float Frame......Page 30
2.4. Regions of Spacetime......Page 34
2.5. Test Particle......Page 36
2.6. Locating Events with a Latticework of Clocks......Page 37
2.7. Observer......Page 39
2.8. Measuring Particle Speed......Page 40
2.9. Rocket Frame......Page 41
2.10. Summary......Page 43
References......Page 44
Exercises......Page 45
3.1. The Principle of Relativity......Page 53
3.2. What is NOT the Same in Different Frames......Page 56
3.3. What IS the Same in Different Frames......Page 60
3.4. Relativity of Simultaneity......Page 62
3.5. Lorentz Contraction of Length......Page 63
3.6. Invariance of Transverse Dimension......Page 65
3.7. Invariance of the Interval Proved......Page 67
3.8. Invariance of the Interval for All Free-Float Frames......Page 71
3.9. Summary......Page 73
References......Page 76
Acknowledgements......Page 77
Exercises......Page 78
L.1. Lorentz Transformation. Useful or Not?......Page 95
L.2. Faster Than Light?......Page 96
L.3. First Steps......Page 99
L.4. Form of the Lorentz Transformation......Page 100
L.5. Completing the Derivation......Page 101
L.6. Inverse Lorentz Transformation......Page 102
L.7. Addition of Velocities......Page 103
Reference......Page 111
Exercises......Page 112
4.2. Stripped-Down Free-Float Frame......Page 121
4.3. Faster Than Light?......Page 122
4.4. All of Space is Ours!......Page 123
4.5. Flight Plan......Page 124
4.6. Twin Paradox......Page 125
4.7. Lorentz Contraction......Page 126
4.8. Time Traveler......Page 127
4.9. Relativity of Simultaneity......Page 128
4.10. Experimental Evidence......Page 131
References......Page 134
Exercises......Page 135
5.1. Time? No. Spacetime Map? Yes......Page 137
5.2. Same Events; Different Free-Float Frames......Page 139
5.4. Worldline......Page 143
5.5. Length Along a Path......Page 147
5.6. Wristwatch Time Along a Worldline......Page 148
5.7. Kinked Worldline......Page 152
5.8. Stretch Factor......Page 155
5.9. Touring Spacetime Without a Reference Frame......Page 160
5.10. Summary......Page 162
Exercises......Page 163
6.1. Light Speed: Limit on Cousality......Page 171
6.2. Relation Between Events: Timelike Spacelike, or Lightlike......Page 172
6.3. Light Cone: Partition in Spacetime......Page 177
Exercises......Page 183
7.1. Momenergy: Totoal Conserved in a Collision......Page 189
7.2. Momenergy Arrow......Page 191
7.3. Momenergy Components and Magnitude......Page 195
7.4. Momentum: 'Space Part' of Momenergy......Page 199
7.5. Energy: 'Time Part' of Momenergy......Page 201
7.6. Conservation of Momenergy and its Consequences......Page 207
7.7. Summary......Page 211
Acknowledgements......Page 213
Exercises......Page 214
8.1. The System......Page 221
8.2. Three Modest Experiments......Page 222
8.3. Mass of a System of Particles......Page 224
8.4. Energy Without Mass: Phton......Page 228
8.5. Photon Used to Create Mass......Page 233
8.6. Material Particle Used to Create Mass......Page 234
8.7. Converting Mass to Usable Energy: Fission, Fusion, Annihilatation......Page 237
8.8. Summary......Page 244
Dialog: Use and Abuse of the Concept of Mass......Page 246
References......Page 251
Acknowledgements......Page 252
Exercises......Page 253
9.2. Galileo, Newton and Einstein......Page 275
9.3. Local Moving Orders for Mass......Page 277
9.4. Spacetime Curvature......Page 280
9.5. Parable of the Two Travelers......Page 281
9.6. Gravitation as Curvature of Spacetime......Page 284
9.7. Gravity Waves......Page 288
9.8. Black Hole......Page 292
References......Page 296
Answers to Odd-Numbered Exercises......Page 299
Index......Page 303