有鉴于近期本坛对时空变换的错误推导和错误应用不绝于耳,故再次推导一下伽利略变换和洛仑兹变换.此前的推导用已知线变换作为条件,结果导致有人进行可笑的"联立",因此本帖改为用已知速度变换作为条件,并不再使用许多人不熟悉的矩阵形式.推导过程中为了减少括号的使用规定乘法优先级大于除法.
设有参照系R(X,T)和R'(X',T')原点重合,它们分别依附于观察者O和O',O'相对于O以速度v沿x轴匀速运动.
按时空均匀、线性公设,R-->R'的变换为齐次线性变换,即
X'=AX+BT (1)
T'=EX+FT (2)
设参照系Rm(Xm,Tm)为R的空间镜象(空间坐标改为以相反方向为正方向),即
Xm=-X (3)
Tm=T (4)
设参照系Rm'(Xm',Tm')为R'的空间镜象,即
Xm'=-X' (5)
Tm'=T' (6)
那么由惯性系平权原理,Rm'-->Rm的变换与R-->R'的变换相同,即
Xm=AXm'+BTm' (7)
Tm=EXm'+FTm' (8)
将(3)(4)(5)(6)代入(7)(8)得到
-X=-AX'+BT' (9)
T=-EX'+FT' (10)
从(9)(10)中解出X',T'得
X'=(FX+BT)/(AF-BE) (11)
T'=(EX+AT)/(AF-BE) (12)
(11)(12)与(1)(2)其实是同一个变换,因此有
A=F/(AF-BE)
B=B/(AF-BE)
E=E/(AF-BE)
F=A/(AF-BE)
由于B,E,AF三者不可能全为零(否则变换中就会有X'或T'恒为零),故必须有AF-BE=1,由此得
F=A (13)
AA=1+BE (14)
对(1)(2)微分得
dX'=AdX+BdT (15)
dT'=EdX+FdT (16)
(15)/(16)得
(dX'/dT')=[A(dX/dT)+B]/[E(dX/dT)+F] (17)
接下来看看如何进一步利用已知条件求解待定系数.
(I)已知dX/dT=v时dX'/dT'=0,代入(17)得
0=(Av+B)/(Ev+F) 即 B=-vA (18)
以上步骤对牛顿和爱因斯坦都是一样的.
(IIA)已知dX/dT=c时dX'/dT'=c,只对爱因斯坦成立.代入(17)得
c=(Ac+B)/(Ec+F) (19A)
(IIN)已知dX/dT=c时dX'/dT'=c-v,只对牛顿成立.代入(17)得
c-v=(Ac+B)/(Ec+F) (19N)
(IIIA)将(13)(14)(18)(19A)联立解得洛仑兹变换系数:
A=1/sqrt(1-vv/cc)
B=-vA
E=-vA/cc
F=A
(注:中间表达式为1/AA=1-vv/cc,由于v=0时应有A=1,所以开方时应取正号,下同。)
(IIIN)将(13)(14)(18)(19N)联立解得伽利略变换系数:
A=1
B=-v
E=0
F=1
以上是两变换的正确推导,以正视听.而对变换的正确使用,有待另帖阐述.