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二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
[楼主] 作者:正和  发表时间:2004/11/06 15:49
点击:709次

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.

本帖地址:http://club.xilu.com/hongbin/msgview-950451-57231-1.html[复制地址]
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 [2楼]  作者:guofengjun  发表时间: 2004/11/06 16:05 

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)

guofengjun:(1),(2)只在一维条件下成立,在二维条件下为X'=ARcosa+BT,T'=ERcosa+FT

Lorentz变换的一级近似表达是x'=x=vt,t'=t=vx/cc

Lorentz变换只适于波动学定律,不适于运动学定律。

[楼主]  [3楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 16:16 

如果你认为对二维时空(不是一维!)的推导没错,再来讨论四维时空中的推导。
如果你看不懂二维时空中的推导,就完全不具备探讨四维时空的基础,我也不会为难你。
 [4楼]  作者:guofengjun  发表时间: 2004/11/06 16:22 

回复:二维推导就不成立,何谈多维?
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
 [5楼]  作者:guofengjun  发表时间: 2004/11/06 16:44 

回复:正和,你最好换极坐标法来进行证明,那才能真正表现出你的知识水准。
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
 [6楼]  作者:guofengjun  发表时间: 2004/11/06 16:47 

回复:只要你能把二维Lorentz变换证明出来,我就甘拜下风了。
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
[楼主]  [7楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 16:55 

抽象地说不正确,具体地指不出问题的人,就不必发言了.
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
[楼主]  [8楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 17:10 

在极坐标下变换是非线性的,用极坐标来推导是笨人的办法,竟有人以笨为荣
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
 [9楼]  作者:youngler  发表时间: 2004/11/06 17:23 

v = v ' ?


※※※※※※
‘形象的世界’讨论些什么东西?这是一个讨论自然哲学、基础物理的地方。 http://thales.bbs.xilu.com/ ‘形象的世界’是一本‘和天地宇宙对话’的书,以相对论为背景讨论科普物理问题的书,让大家走近二十世纪以来的现代物理世界。
[楼主]  [10楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 17:47 

"相对速度对等"是公理--惯性系平权原理
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
 [11楼]  作者:youngler  发表时间: 2004/11/06 17:53 

哪那么多的公理和假设?
你与你的父亲平权吗? "相对速度对等"是相对论的‘私理’,而不是公理。 有了 t /= t',还会有 v = v‘ 吗?

※※※※※※
‘形象的世界’讨论些什么东西?这是一个讨论自然哲学、基础物理的地方。 http://thales.bbs.xilu.com/ ‘形象的世界’是一本‘和天地宇宙对话’的书,以相对论为背景讨论科普物理问题的书,让大家走近二十世纪以来的现代物理世界。
 [12楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/06 19:09 

加利略变换的结果没错,可是“尺胀”依然存在?

多谢正和的推导,这与我给出的结果是一致的?

你的结果是:

X'=AX+BT         (1)
T'=EX+FT         (2)

A=1
B=-v
E=0
F=1

X'=X-vT      (3)
T'=T         (4)
=============================
我的方法是:

由闪光模型可建立闪光的轨迹方程:
X=cT
X'=(c-v)T'
(T=T' ---是牛顿的“固有时间”前提假设)

这是两坐标系X和X'对同一个闪光P的坐标表达式,
把X=cT,T=T'代入X'=(c-v)T',
就可直接得到正和得到的加利略变换:
X'=X-vT     
T'=T        

可是我们也可以通过恒等变换消去T:
把X=cT代入X'=X-vT得:  
X'=cT-vT
=(c-v)T= (c-v)T (c/c)= (cT)(c-v)/c= X(c-v)/c
即:
X'=X(c-v)/c
X=X'/(1-v/c)

这就是我给出的那个加利略变换表达式(不含时间T),
与正和给出的形式并无矛盾?是等价的?
可是就会出现我说的:加利略变换“尺胀效应”?
具体参见前文,这个问题不知正和怎么看?

修正一点,应该是“尺变效应”,因为v有个方向符号的问题, 这与GUO变换的情况类似?而且GUO坐标变换也是不含T的,

 


 

 [13楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/06 19:33 

另外,我们怎样检验你的系数解是正确无误的呢?

另外还有个问题,
如果把加利略变换的已知条件:
x=ct
x'=(c-v)t'
代回加利略变换x'=x-vt得到:
(c-v)t=ct-vt
即:(c-v)t=(c-v)t
显然,x=ct,x'=(c-v)t' 是经得起检验的,

可是洛伦兹变换就不能把求系数时用过的已知条件:
x=ct,x'=ct'
代回洛伦兹变换式了?这是个什么数理逻辑?我真的不知道呀?
我只记得小时侯就学过:怎样检验方程的解?
如果不允许把x=ct,x'=ct'代回洛伦兹变换式,
那么我们怎样来检验那些待定系数是求解无误的呢?
对于解方程、验结果的问题我想不必我说这些了吧?
这些都是中学的起码知识呀?还是现代数学有了新的进展或规定?
那也请给个明确的说法,省得我们总是百思不得其解?

我看多半还是那个“光速不变原理”在作怪吧?


[楼主]  [14楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 19:42 

羊歌晕头了吧?“相对速度对等”不是相对论的“私理”,伽氏变换推导也用它.
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
[楼主]  [15楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 19:46 

T=T'在你那儿是前提假设,why?我这儿可是导出来的!
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
[楼主]  [16楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 19:48 

将x=ct代入洛仑兹变换,当然能导出x'=ct'。一定是你出了差错。
学习相对论的一些门槛得自己用心去跨越。你得拿出纸笔一步一步做一遍。
[楼主]  [17楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 19:58 

你这个前提T=T'与设变换为一般线性变换相比,显然要武断得多。
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
[楼主]  [18楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 20:00 

正反两方原只有马国梁不同意它。现在怎么加上你了?
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
 [19楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/06 20:14 

这个当然是以你的为准呀

这个问题我们没有矛盾,
以你的方法得到T=T'比较可靠了,
估计是假设了x=ct,x'=(c-v)t'的结果?
试想:
如果对于同一个闪光点P,
从x看它的坐标位置是x=ct,
从另一个以v运动的坐标系x'看如果是x'=ct'的话,
(又不允许v=0)
恐怕就要出一些基本的数学问题了?

其实大家都是心照不宣吧?
都知道这是“光速不变原理”引出的问题?
对比:
加利略:x=ct,x'=(c+v)t'
洛伦兹:x=ct,x'=ct'
这里面其实已经暗含了:c+v=c的假设,
只是没有明确说明而已?因为这在数学上是难以接受的?
所以在检验所求系数是否正确时,就出现了c+v=c的结果,
如果事先明确的说了有这个假设前提,
那么最后检验出这个结果当然就是对的了?或者说是预料之中的吧?

可问题似乎是想说,但又不能明说,怎么办呢?
这可能就引出了许多的古怪?比如闪耀其词、繁复规避?

 [20楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/06 20:22 

这倒也不复杂?

那两天你不是很忙吗,没敢打搅你,呵呵,

把 x=ct,x'=ct' 带入洛变换进行检验:
代入x=γ(x'+vt') 得到:
ct=γ(ct'+vt') =γ(c+v)t'
由于t1'=0,所以Δt'=t',由时慢公式有:t=γt',
代入上式后得到:
ct=(c+v)t,
即:c=c+v
要使此式成立,除非有v=0,
或许在此也可以使用“光速不变原理”?

 [21楼]  作者:lovemoon1  发表时间: 2004/11/06 20:43 

用正和的话说,条件“已知dX/dT=v时dX'/dT'=0
用正和的话说,条件“已知dX/dT=v时dX'/dT'=0"就是将R中的多条世界线(vT+a,T)变换为R'中的多条世界线(b,T'),其中a、b为常数(a、b可取遍所有实数、虚数等一切的数)。
 [22楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/06 20:50 

检验洛伦兹“逆变换”


把 x=ct,x'=ct' 带入洛“逆变换”进行检验:
代入x'=γ(x-vt) 得到:
ct'=γ(ct-vt) =γ(c-v)t

由于t1=t1'=0,所以Δt'=t',Δt=t,
所以由时慢公式有:t=γt',
代入上式后得到:
ct'=γγ(c-v)t',
即:c=(c-v)γγ=(c-v)(1-vv/cc)=(c-v)(c-v)(c+v)/cc
要使此式成立,除非有v=0,
或者在此要使用“c-v”=c和“c+v”=c 了?

[楼主]  [23楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 20:53 

你倒是挺用功,就点你一下吧

那两天你不是很忙吗,没敢打搅你,呵呵,把 x=ct,x'=ct' 带入洛变换进行检验:
代入x=γ(x'+vt') 得到:
ct=γ(ct'+vt') =γ(c+v)t'
由于t1=0,所以Δt'=t',由时慢公式有:t=γt',

//t1横空出世,什么意思?时慢公式是有测量程序的:是用静系的两个钟测动系的一个钟,直接用洛变换解题时不要用它,因为往往不满足上述条件。

正确的验证方法是由 x=ct  =>  x'=ct'

x'=γ(x-vt)=γ(ct-vt)=γ(c-v)t
t'=γ(t-vx/cc)=γ(t-vct/cc)=γ(1-v/c)t
x'/t'=γ(c-v)t/[γ(1-v/c)t]=c
x'=ct'

反过来由 x'=ct'  =>  x=ct  也一样,就留给你自己了。


代入上式后得到:
ct=(c+v)t,
即:c=c+v
要使此式成立,除非有v=0,
或许在此也可以使用“光速不变原理”?

 [24楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/06 21:06 

回复: 告非,这条不早告诉你是错的了吗?

怎么还拿出来摆弄?

不能无条件的用 Δt=γΔt',这个公式的前提要求在 S' 中,前后两个事件必须是同地事件。而你是在计算 S' 中的光子运动啊,任意给定两个t1' 和 t2' (t1' != t2' ),由 x'=ct',则 x1' 与 x2' 必定不同。
既然不是同地事件,就不能用你的这个时慢公式。

从你的推导可以看出你对变量和变量的取值之间的差别混淆得厉害。
你还是最好用两个事件,分别写上1,2的下标,不要搞错,

Δt' = t2' - t1'
Δt = t2 - t1

把变量 t' 分别取值 t1', t2', 变量 t 分别取值 t1, t2,
代入两个检验方程,你就会得出正确的答案。

如果你还是算不出来,实在帮不了你了。

[楼主]  [25楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 21:11 

你得仔细体会啊

这个问题我们没有矛盾,
以你的方法得到T=T'比较可靠了,
估计是假设了x=ct,x'=(c-v)t'的结果?

//是综合结果,当然最根本的还是上面那一条,因为只在这一条下牛顿爱因斯坦有分别,但没有其它几条什么也推不出。

试想:
如果对于同一个闪光点P,
从x看它的坐标位置是x=ct,
从另一个以v运动的坐标系x'看如果是x'=ct'的话,
(又不允许v=0)

//谁说不允许v=0? v可以为使解有意义的任何值。

恐怕就要出一些基本的数学问题了?


其实大家都是心照不宣吧?
都知道这是“光速不变原理”引出的问题?
对比:
加利略:x=ct,x'=(c+v)t'
洛伦兹:x=ct,x'=ct'
这里面其实已经暗含了:c+v=c的假设,

//你混淆了“物理速度合成”与“数学矢量加”的关系,光速不变原理是暗含了add(c,v)=c(+)v=c,我用了函数add(,)和算符(+)两种形式来让你选择。而伽利略速度线性叠加原理是暗含了add(c,v)=c(+)v=c+v。如果这样你还不明白,那就是我不能帮你的了。

只是没有明确说明而已?因为这在数学上是难以接受的?
所以在检验所求系数是否正确时,就出现了c+v=c的结果,
如果事先明确的说了有这个假设前提,
那么最后检验出这个结果当然就是对的了?或者说是预料之中的吧?

//你的检验方法是错误的,请看楼下回帖。

可问题似乎是想说,但又不能明说,怎么办呢?
这可能就引出了许多的古怪?比如闪耀其词、繁复规避?

 [26楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/06 21:16 

回复: 你对尺缩的理解是完全错误的,才会得出反相都得不出的结论

你可以得出结论 X=X'/(1-v/c) ,但这个只是线段的一个端点,明白?你量长度总要给出两头吧?

假设你的左端点给出的关系如 X1=X1'/(1-v/c)
右端点在 S 系中为 X2 = X1+L ,
因此在 S' 系中为 X2' = X1'/(1-v/c) + L (不要怪我,你自己弄得这么复杂)

什么叫尺缩,您要算算 X2-X1 和  X2'-X1' 的比例啊?是 1 吧?
拜托不要让伽里略跟着您受过啦.

不要告诉我那另一头端点都一直系在原点啊,敢情那是根猴皮筋?(如果照您的原先结果的话)

 [27楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/06 21:17 

你的也对,不过我的就错吗?

你的方法从数学上讲没什么问题,多谢了,
不过你是否能解决一下下面这个问题:
我要把动系S'的时间间隔:
Δt'=t2'-t1'=t'-0=t'
转换为静系S中的时间间隔:
Δt=t2-t1=t-0=t
怎样转换呢?

是用:t=γ(t'+vx'/cc)  ?
还是用:t=γt'  ?
还是两可?如果是两可的话,检验的结果可就不是一样的了? 或者保留洛伦兹变换,取消“时慢公式”?

[楼主]  [28楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 21:31 

没有抽象的时间间隔!你必须给出要转换的两个“时刻”的空间坐标!才能用洛变换变到另一参考系中。只有时间坐标而无空间坐标不能
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
[楼主]  [29楼]  作者:正和  发表时间: 2004/11/06 21:33 

变换。这就是“时空”的含义!
二维时空洛仑兹变换与伽利略变换的简明推导
 [30楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/06 21:36 

时间t只是一个特殊的时间间隔Δt?
其实都知道:时间t只是一个特殊的时间间隔Δt?
就特殊在:t1=0  ?
怎么说我的t1=0是横空出世呢?
这是相对论设定的前提条件呀:在O与O'重合时有:t=t'=0,
所以我假设t1=0不会有错吧?
只要假设了t1=0,t2=t,那么就必然有:
Δt=t2-t1=t-0=t
不错吧?

那么对于这个特殊的时间间隔,我们该用哪个公式呢?

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