怎麼推出洛倫茲變換?

時間 2021-05-31 04:45:25

1樓:李德甲

極簡版(光速選取自然單位1):

令u=t-x,w=t+x

因為光速跟參照系無關,所以洛倫茲變換下,光速向量的方向不改變,只改變大小,所以

u'=au

w'=bw

再由對稱性,可以認為ab=1

這樣,洛倫茲變換也就是

u'=au

w'=(1/a)w

有了(u,w)座標系的形式,做下引數變換就回到教科書裡的那種形式了。

詳細版(光速選取自然單位1):

0、洛倫茲變換是乙個矩陣,矩陣是什麼?

研究乙個東西,一般的套路是,先研究簡單的,規律的東西,然後以此為基礎來研究複雜的,不規律的東西。

變換裡邊,簡單的規律的東西,就是線性變換。

線性變換的定義是:

A(ax+by)=aA(x)+bA(y)

平面上任意乙個向量,都可以表示為2個基向量的線性組合,所以,對於線性變換來說,只要弄明白2個基向量x,y的變換結果A(x)、A(y),就可以得到任意向量的變換結果了。

平面上任意乙個向量,都可以表示為2個基向量的線性組合,所以A(x)、A(y)自然也可以表示為x跟y的線性組合。幾何上就是投影變換,代數上可以表示為:

A(x)=a11*x+a12*y

A(y)=a21*x+a22*y

這樣,對於任意乙個線性變換A,就對應到了a11,a12,a21,a22這4個數字,把這4個數字排成矩陣的形式,就得到了線性變換<-->矩陣的一一對應了。

1、矩陣的特徵向量

研究乙個東西,一般的套路是,先研究簡單的,規律的東西,然後以此為基礎來研究複雜的,不規律的東西。

線性變換裡邊,簡單的規律的東西,就是不改變方向的變換。

對於乙個向量x,如果乙個線性變換只改變長度,不改變方向,那自然就有

A(x)=a11*x,此時a12=0。

如果同時有另外乙個向量y,也滿足這個性質,那就有

A(y)=a22*y,此時a21=0。

對於非x、y的向量,有如下形式:

A(ax+by)=a*a11*x+b*b22*y,幾何上就相當於x方向拉伸了a11倍,y方向拉伸了b22倍。

很明顯,當座標基是x、y的時候,變換A的矩陣形式是最簡單的,因為對角之外的分量為0,但如果用別的座標基,譬如用ax+by作為座標系的乙個基底,這時候,矩陣的4個分量可能都不是0。

這就反過來讓人們思考乙個問題:

任意給定乙個4分量都不為0的矩陣,是否存在一組座標基,可以讓這個矩陣化為簡單的對角矩陣?

線性代數前期的主要內容就是在回答這個問題的,結果自然是有的可以,有的不可以。可以的那些矩陣,對應的不改變方向的向量,就是特徵向量。

2、洛倫茲變換的特徵向量。

由於光速不變,所以在時空平面上,(1,-1)跟(1,1)這2個向量,在座標系變換下是不改變方向的(速度=x/t,光速取值1,所以x=t或者x=-t)。

這樣,做座標變換,u=t-x,w=t+x,自然就可以得到洛倫茲變換的極簡形式:

u'=au

w'=bw

至於ab=1這個性質,可以參考:

李德甲:狹義相對論(番外)——洛倫茲變換的推導

2樓:朝聞道夕死可矣

知乎上應該有很多回答了,可以搜一下

其實就是保持事件間隔不變的變換,可以說是閔氏時空中的正交變換模擬三維空間的正交變換,只是三角函式變成了雙曲函式。

學物理線性代數還是很重要的,畢竟相對論乃至整個物理就是「相對變化中的絕對不變」

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