Преобразования Лоренца | это... Что такое Преобразования Лоренца? (original) (raw)

Преобразова́ния Ло́ренца — линейные (или аффинные) преобразования векторного (соответственно, аффинного) псевдоевклидова пространства, сохраняющее длины или, что эквивалентно, скалярное произведение векторов.

Преобразования Лоренца псевдоевклидова пространства сигнатуры (n-1,\;1) находят широкое применение в физике, в частности, в специальной теории относительности (СТО), где в качестве аффинного псевдоевклидова пространства выступает четырёхмерный пространственно-временной континуум (пространство Минковского).

Содержание

Преобразования Лоренца в математике

Преобразование Лоренца представляет собой естественное обобщение понятия ортогонального преобразования (то есть преобразования, сохраняющего скалярное произведение векторов) с евклидовых на псевдоевклидовы пространства. Различие между ними состоит в том, что скалярное произведение предполагается не положительно определённым, а знакопеременным и невырожденным (так называемое индефинитное скалярное произведение).

Определение

Преобразование Лоренца (лоренцево преобразование) псевдоевклидова векторного пространства \,L — это линейное преобразование \,A\colon L\to L, сохраняющее индефинитное скалярное произведение векторов. Это означает, что для любых двух векторов x,\;y\in L выполняется равенство

\langle A(x),\;A(y)\rangle=\langle x,\;y\rangle,

где треугольными скобками обозначено индефинитное скалярное произведение \langle x,\;y\rangle в псевдоевклидовом пространстве \,L.

Аналогично, преобразование Лоренца (лоренцево преобразование) псевдоевклидова аффинного пространства — это аффинное преобразование, сохраняющее расстояние между точками этого пространства (это расстояние определяется как длина вектора, соединяющего данные точки, с помощью индефинитного скалярного произведения).

Общие свойства

A^*\,G\,A=G,\qquad(*)

где звёздочка означает транспонирование матрицы. И обратно, любая матрица \,A, удовлетворяющая соотношению (*), является матрицей преобразования Лоренца. Всегда можно выбрать базис e_1,\;\ldots,\;e_n таким образом, что индефинитное скалярное произведение имеет вид

\langle x,\;y\rangle=x_1y_1+\ldots+x_ky_k-x_{k+1}y_{k+1}-\ldots-x_ny_n,

и в равенстве (*) матрица \,G ― диагональная с элементами \,1 (первые k) и \,-1 (последние n-k).

Свойства в пространствах сигнатуры (n-1, 1)

Явный вид преобразований псевдоевклидовой плоскости

Лоренцевы преобразования псевдоевклидовой плоскости можно записать в наиболее простом виде, используя базис e,\;g, состоящий из двух изотропных векторов:

\langle e,\;e\rangle=0,\quad\langle g,\;g\rangle=0,\quad\langle e,\;g\rangle=1/2.

Именно, в зависимости от знака определителя \,|A|=\pm 1, матрица преобразования в данном базисе имеет вид:

A=\begin{pmatrix} a&\ \ \, 0\\ 0&\, 1/a\end{pmatrix} \ \Leftrightarrow \ |A|=+1,  \qquad
A=\begin{pmatrix} 0&\ a\\ 1/a&\,0\end{pmatrix}  \ \Leftrightarrow \ |A|=-1,\qquad a\neq 0.

Знак числа a определяет то, оставляет ли преобразование \,A части светового конуса на месте (a>0), или меняет их местами (a<0).

Другой часто встречающийся вид матриц лоренцевых преобразований псевдоевклидовой плоскости получается при выборе базиса, состоящего из векторов \,e'=e+g и \,g'=e-g:

\langle e',\;e'\rangle=+1,\quad\langle g',\;g'\rangle=-1,\quad\langle e',\;g'\rangle=0.

В базисе \,e',\;g' матрица преобразования \,A имеет одну из четырёх форм:

\begin{pmatrix}\  \operatorname{ch}\varphi& \ \ \operatorname{sh}\varphi\\ 
\,\operatorname{sh}\varphi& \ \operatorname{ch}\varphi\end{pmatrix},  \quad
\begin{pmatrix}\  -\operatorname{ch}\varphi& \, \ -\operatorname{sh}\varphi\\ 
\,-\operatorname{sh}\varphi& \, -\operatorname{ch}\varphi\end{pmatrix},  \quad 
\begin{pmatrix}  -\operatorname{ch}\varphi& \, -\operatorname{sh}\varphi\\ 
\,\operatorname{sh}\varphi& \ \operatorname{ch}\varphi\end{pmatrix},  \quad
\begin{pmatrix}\  \operatorname{ch}\varphi& \ \, \operatorname{sh}\varphi\\ 
\,-\operatorname{sh}\varphi& \, -\operatorname{ch}\varphi\end{pmatrix},
\qquad (0)

где \operatorname{sh} и \operatorname{ch}гиперболические синус и косинус.

Явный вид преобразований пространства сигнатуры (n-1, 1)

Лоренцевы преобразования n-мерного псевдоевклидова пространства \,L со скалярным произведением

\langle x,\;y\rangle=x_1y_1+\ldots+x_{n-1}y_{n-1}-x_ny_n\quad(1)

описываются следующей теоремой.

Теорема 1 утверждает, что любое лоренцево преобразование псевдоевклидова пространства \,L сигнатуры (n-1,\;1) задается лоренцевым преобразованием псевдоевклидова пространства L_1\subset L размерности 1 или 2 или 3 и ортогональным преобразованием евклидова пространства L_0\subset L дополнительной размерности.

Теорема 1 вместе с леммой позволяют установить следующий результат:

Кроме того, имеет место следующее представление лоренцевых преобразований n-мерного псевдоевклидова пространства \,L со скалярным произведением (1).

Преобразования Лоренца в физике

Преобразованиями Лоренца в физике, в частности, в специальной теории относительности (СТО), называются преобразования, которым подвергаются пространственно-временные координаты (x,\;y,\;z,\;t) каждого события при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой. Аналогично, преобразованиям Лоренца при таком переходе подвергаются координаты любого 4-вектора.

Чтобы явно различить преобразования Лоренца со сдвигами начала отсчёта и без сдвигов, когда это необходимо, говорят о неоднородных и однородных преобразованиях Лоренца.

Преобразования Лоренца без сдвигов начала отсчёта образуют группу Лоренца, со сдвигами — группу Пуанкаре, иначе называемую неоднородной группой Лоренца.

С математической точки зрения преобразования Лоренца — это преобразования, сохраняющие неизменной метрику Минковского, то есть, в частности, последняя сохраняет при них простейший вид при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой (другими словами преобразования Лоренца — это аналог для метрики Минковского ортогональных преобразований, осуществляющих переход от одного ортонормированного базиса к другому, то есть аналог поворота координатных осей для пространства-времени). В математике или теоретической физике преобразования Лоренца могут относиться к любой размерности пространства.

Именно преобразования Лоренца, смешивающие — в отличие от преобразований Галилея — пространственные координаты и время, исторически стали основой для формирования концепции единого пространства-времени.

Вид преобразований при коллинеарных (параллельных) пространственных осях

Если ИСО K' движется относительно ИСО K с постоянной скоростью v вдоль оси x, а начала пространственных координат совпадают в начальный момент времени в обеих системах, то преобразования Лоренца (прямые) имеют вид:

x'=\frac{x-vt}{\sqrt{1-v^2/c^2}},

y'=y,\

z'=z,\

t'=\frac{t-(v/c^2)x}{\sqrt{1-v^2/c^2}},

где cскорость света, величины со штрихами измерены в системе K', без штрихов — в K.

Эта форма преобразования (то есть при выборе коллинеарных осей), называемая иногда бустом (англ. boost) или лоренцевским бустом (особенно в англоязычной литературе), несмотря на свою простоту, включает, по сути, всё специфическое физическое содержание преобразований Лоренца, так как пространственные оси всегда можно выбрать таким образом, а при желании добавить пространственные повороты не представляет трудности (см. это в явном развёрнутом виде ниже), хотя и делает формулы более громоздкими.

Вывод преобразований

Преобразования Лоренца могут быть получены абстрактно, из групповых соображений (в этом случае они получаются с неопределённым c), как обобщение преобразований Галилея (что было проделано Анри Пуанкаресм. ниже). Однако впервые они были получены как преобразования, относительно которых ковариантны уравнения Максвелла (то есть по сути — которые не меняют вида законов электродинамики и оптики при переходе к другой системе отсчёта). Могут также быть получены из предположения линейности преобразований и постулата одинаковости скорости света во всех системах отсчёта (являющегося упрощённой формулировкой требования ковариантности электродинамики относительно искомых преобразований, и распространением принципа равноправия инерциальных систем отсчёта — принципа относительности — на электродинамику), как это делается в специальной теории относительности (СТО) (при этом c в преобразованиях Лоренца получается определённым и совпадает со скоростью света).

Надо заметить, что если не ограничивать класс преобразований координат линейными, то первый закон Ньютона выполняется не только для преобразований Лоренца, а для более широкого класса дробно-линейных преобразований[3] (однако этот более широкий класс преобразований — за исключением, конечно, частного случая преобразований Лоренца — не сохраняет метрику постоянной).

Разные формы записи преобразований

Вид преобразований при произвольной ориентации осей

В силу произвольности введения осей координат, многие задачи можно свести к указанному случаю. Если же задача требует иного расположения осей, то можно воспользоваться формулами преобразований в более общем случае. Для этого радиус-вектор точки

\mathbf{r}'=\mathbf{i}x'+\mathbf{j}y'+\mathbf{k}z',

где \mathbf{i},\;\mathbf{j},\;\mathbf{k}орты, надо разбить на составляющую \mathbf{r}'_\| параллельную скорости и составляющую \mathbf{r}'_\perp ей перпендикулярную

\mathbf{r}'=\mathbf{r}'_\| + \mathbf{r}'_\perp.

Тогда преобразования получат вид

\mathbf{r}_\|=\frac{\mathbf{r}'_\|+\mathbf{v}t'}{\sqrt{1-v^2/c^2}},\quad\mathbf{r}_\perp=\mathbf{r}'_\perp,\quad t=\frac{t'+(v/c^2)r_\|}{\sqrt{1-v^2/c^2}},

где v=\left|\mathbf{v}\right|абсолютная величина скорости, r_\|=\left|\mathbf{r}_\|\right| — абсолютная величина продольной составляющей радиус-вектора.

Эти формулы для случая параллельных осей, но с произвольно направленной скоростью, можно преобразовать к виду, впервые полученному Герглоцем:

\mathbf{r}=\frac{\mathbf{r}'+\mathbf{v}t'}{\sqrt{1-v^2/c^2}}+\frac{1}{v^2}\left(\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}-1\right)(\mathbf{r}'\otimes\mathbf{v})\otimes\mathbf{v};

t=\frac{t'+\mathbf{r'v}/c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}.

Обратите внимание, что самый общий случай, когда начала координат не совпадают в нулевой момент времени, здесь не приведён с целью экономии места. Его можно получить, добавив к преобразованиям Лоренца трансляцию (смещение начала координат).

Преобразования Лоренца в матричном виде

Для случая коллинеарных осей преобразования Лоренца записываются в виде

\begin{bmatrix}
ct \\x \\y \\z
\end{bmatrix}
=\begin{bmatrix}
\gamma&\dfrac{v}{c} \gamma&0&0\\
\dfrac{v}{c} \gamma&\gamma&0&0\\
0&0&1&0\\
0&0&0&1\\
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
ct'\\x'\\y'\\z'
\end{bmatrix},

где Лоренц-фактор \gamma\equiv\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}.

При произвольной ориентации осей, в форме 4-векторов это преобразование записывается как:

\begin{bmatrix} ct \\ \vec r\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}
\gamma & \dfrac{\vec v}{c}\gamma \\
\dfrac{\vec v}{c}\gamma & E+\dfrac{\vec v\otimes\vec v}{v^2}(\gamma-1)\end{bmatrix}
\begin{bmatrix} ct' \\ \vec r\,'\end{bmatrix},

где E — единичная матрица 3\times 3, \otimesтензорное умножение трёхмерных векторов.

Как уже отмечено выше, надо иметь в виду, что в литературе матрица преобразований Лоренца часто записывается для упрощения в системе единиц, где c=1.

Произвольное однородное преобразование Лоренца можно представить как некоторую композицию вращений пространства и элементарных преобразований Лоренца, затрагивающих только время и одну из координат. Это следует из алгебраической теоремы о разложении произвольного вращения на простые.

Свойства преобразований Лоренца

s=\sqrt{c^2(\Delta t)^2-(\Delta x)^2-(\Delta y)^2-(\Delta z)^2}=\sqrt{c^2(\Delta t')^2-(\Delta x')^2-(\Delta y')^2-(\Delta z')^2}.

Убедиться в этом нетрудно, например, проверив явно то, что матрица преобразования Лоренца L ортогональна в смысле метрики Минковского:

\eta_{ik}=\left[\begin{matrix}1&0&0&0\\0&-1&0&0\\0&0&-1&0\\0&0&0&-1\end{matrix}\right],

определяемой таким выражением, то есть \sum_{i,\;k}L^i_j\eta_{ik}L^k_m=\delta_{jm}. Это проще всего проделать для буста, а для трёхмерных вращений это очевидно из определения декартовых координат, кроме того, сдвиги начала отсчёта не меняют разностей координат. Следовательно, это свойство верно и для любых композиций бустов, вращений и сдвигов, что и составляет полную группу Пуанкаре; как только мы узнали, что преобразования координат ортогональны, из этого сразу следует, что формула для расстояния остаётся неизменной при переходе к новой системе координат — по определению ортогональных преобразований.

где \theta=\mathop{\rm Arth}\,(v/c)\ . В этом легко убедиться, учитывая \rm ch^2\,\theta-\rm sh^2\,\theta=1\ и проверив выполнение соответствующего тождества для матрицы преобразования Лоренца в обычном виде.

Следствия преобразований Лоренца

Изменение длины

Основная статья: Релятивистское сокращение длины

Пусть в системе отсчета K'\, покоится стержень и координаты его начала и конца равны x_2'\,, x_1'\,. Для определения длины стержня в системе K\, фиксируются координаты этих же точек в один и тот же момент времени системы K\,. Пусть l_0=x_2'-x_1'\, — собственная длина стержня в K'\,, а l=x_2-x_1\, — длина стержня в K\,. Тогда из преобразований Лоренца следует:

l_0 =x'_2-x'_1=\frac{x_2-vt}{\sqrt{1-\dfrac{v^2}{c^2}}}-\frac{x_1-vt}{\sqrt{1-\dfrac{v^2}{c^2}}}=\frac{x_2-x_1}{\sqrt{1-\dfrac{v^2}{c^2}}}

или

l=l_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}.

Таким образом, длина движущегося стержня, измеренная «неподвижными» наблюдателями, оказывается меньше, чем собственная длина стержня.

Относительность одновременности

Если два разнесённых в пространстве события (например, вспышки света) происходят одновременно в движущейся системе отсчёта, то они будут неодновременны относительно «неподвижной» системы. При \Delta t'=0 из преобразований Лоренца следует:

Если \Delta x=x_2-x_1>0, то и \Delta t=t_2-t_1>0. Это означает, что, с точки зрения неподвижного наблюдателя, левое событие происходит раньше правого (t_2>t_1). Относительность одновременности приводит к невозможности синхронизации часов в различных инерциальных системах отсчёта во всём пространстве.

Пусть в двух системах отсчёта, вдоль оси x расположены синхронизированные в каждой системе часы, и в момент совпадения «центральных» часов (на рисунке ниже) они показывают одинаковое время. Левый рисунок показывает, как эта ситуация выглядит с точки зрения наблюдателя в системе S. Часы в движущейся системе отсчёта показывают различное время. Находящиеся по ходу движения часы отстают, а находящиеся против хода движения опережают «центральные» часы. Аналогична ситуация для наблюдателей в S' (правый рисунок).

Замедление времени для движущихся тел

Связанные определения

Лоренц-инвариантность — свойство физических законов записываться одинаково во всех инерциальных системах отсчета (с учетом преобразований Лоренца). Принято считать, что этим свойством должны обладать все физические законы, и экспериментальных отклонений от него не обнаружено. Однако некоторые теории пока не удаётся построить так, чтобы выполнялась лоренц-инвариантность.

История

Преобразования названы в честь их первооткрывателя — Х. А. Лоренца, который впервые ввел их (вместо преобразований Галилея) в качестве преобразований, связывающих геометрические величины (длины, углы), измеренные в разных инерциальных системах отсчета[источник не указан 484 дня], чтобы устранить противоречия между электродинамикой и механикой, которые имелись в ньютоновской формулировке, включающей преобразования Галилея, что в конечном итоге привело к успеху при существенной модификации механики.

Сначала было обнаружено, что уравнения Максвелла инвариантны относительно подобных преобразований (В. Фогтом в 1887 году)[источник не указан 484 дня]. Это же было повторено Лармором в 1900 году[источник не указан 484 дня].

В 1892 году Лоренц ввёл теорию сокращения, предполагающую сокращение длин всех твёрдых тел в направлении движения, количественно совпадающее с тем, что понимается сейчас под лоренцевым сокращением.

Преобразования Лоренца были впервые опубликованы Лоренцем в 1904 году, но в то время их форма была несовершенна (они были выведены с точностью до членов v^2/c^2, а в преобразовании тока была допущена ошибка). К современному, полностью самосогласованному виду их привели французский математик А. Пуанкаре и параллельно и независимо А. Эйнштейн в 1905 году. Анри Пуанкаре первым установил и детально изучил одно из самых важных свойств преобразований Лоренца — их групповую структуру, и показал, что «преобразования Лоренца представляют ничто иное как поворот в пространство четырёх измерений, точки которого имеют координаты (x,\;y,\;z,\;it)».[4]. В 1905 году Эйнштейн в своей теории относительности пришёл к широко популярной впоследствии формально-аксиоматической трактовке этих преобразований.

Пуанкаре же ввел термины «преобразования Лоренца» и «группа Лоренца» и показал, исходя из эфирной модели, невозможность обнаружить движение относительно абсолютной системы отсчета (то есть системы, в который эфир неподвижен), модифицировав таким образом принцип относительности Галилея[источник не указан 484 дня]. Ему же принадлежит групповой вывод явного вида преобразований Лоренца (с неопределенным c) без независимого постулата инвариантности скорости света[источник не указан 484 дня].

В 1910 году В. С. Игнатовский первым попытался получить преобразование Лоренца на основе теории групп и без использования постулата о постоянстве скорости света[5].

Примечания

  1. 1 2 3 4 5 Шафаревич И. Р., Ремизов А. О. Линейная алгебра и геометрия. — гл. VII, § 8. — М.: Физматлит, 2009.
  2. Петровский И. Г. Лекции об уравнениях с частными производными. — гл. II, § 14. — Любое издание.
  3. Франк Ф., Роте Г. Über die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme // Ann. der Physik, Ser. 4, Vol. 34, No. 5, 1911, pp. 825—855 (русский перевод) (Статья, в которой впервые отмечено, что дробно-линейные преобразования являются наиболее общими преобразованиями, которые согласуются с принципом относительности).
  4. Пуанкаре А. О динамике электрона. — В кн.: Принцип относительности : Сб. работ классиков релятивизма. — М. : Атомиздат, 1973. — с. 90—93, 118—160.
  5. «Некоторые общие замечания к принципу относительности» Доклад на общем заседании математического и физического отделения 82-го собрания немецких натуралистов и врачей в г. Кёнигсберг 21 сентября 1910 г.;
    von W. v. Ignatowsky, «Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip», Verh. d. Deutsch. Phys. Ges. 12, 788-96, 1910 (русский перевод)

Литература

См. также

Ссылки