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洛仑兹变换的一种推导:(只考虑二维时空) 设有惯性系R(x,t)和R'(x',t'),R'沿R的x轴正向以速度v匀速运动。 由时空均匀性公设(平移不变性),R与R'间的坐标变换为线性变换(采用矩阵表达,黑体字母表示矢量或矩阵): P'=PT+P0 其中T为二阶方阵,有四个分量((p,q),(r,s))。 假定R与R'原点重合,则P0=0。变换简化为 P'=PT 现在就要由已知变换来求解变换阵T。这些已知变换为(提醒:都是世界线变换,代表着一族世界点变换) (1) x=vt变换成x'=0,即(0,t')=(vt,t)T。依据:速度定义。 (2) x=0变换成x'=-vt',即(-vt',t')=(0,t)T。依据:惯性系平权原理(狭义相对性原理),或相对速度对等。 (3) x=ct变换成x'=ct',即(ct',t')=(ct,t)T。依据:光速不变原理。 (4) x=-ct变换成x'=-ct',即(-ct',t')=(-ct,t)T。依据:光速不变原理。 方程(1)展开为:0=pvt+rt,t'=qvt+st 决定的T分量关系为:pv+r=0 (i) 方程(2)展开为:-vt'=rt,t'=st 决定的T分量关系为:vs+r=0 (ii) 方程(3)展开为:ct'=pct+rt,t'=qct+st 决定的T分量关系为:p+r/c=qc+s (iii) 方程(4)展开为:-ct'=-pct+rt,t'=-qct+st 决定的T分量关系为:p-r/c=-qc+s (iv) 汇总一下方便阅读: (i) pv+r=0 (ii) vs+r=0 (iii) p+r/c=qc+s (iv) p-r/c=-qc+s 由此四元方程组可解得 q=-pv/c2,r=-pv,s=p 即T=((p,-pv/c2),(-pv,p)) 还没有完全确定,有一个任意非零参数p,是吧?那是因为我们在用四个已知变换方程定T分量时丢掉了一些暂时用不上的信息,所以自由度多了一些。 但也别急,我们还有一个条件没用上:从R到R'的变换是T(v),从R'到R的变换,根据惯性系平权原理,应为T(-v)=((p,pv/c2),(pv,p))。 那么,经过T(v)和T(-v)两次变换,应当得到从R到R自身的变换,即T(v)*T(-v)=I,即单位变换((1,0),(0,1))。 加入这个条件,由T(v)的行列式等于T(-v)的行列式,立即得到T(v)的行列式=1,由此立得p=1/sqrt(1-v2/c2)。当然也可用矩阵乘法定义得到同一解。 将变换写成非矩阵形式即得大家熟悉的洛仑兹变换了。加进y'=y,z'=z就得到四维时空的洛仑兹变换。 希望不再看到反相的战友们说洛仑兹变换是相对论不符逻辑地导出的。这种反相多丢人呀! |