狭义相对论中洛伦兹变换知怎么推出来的啊

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狭义相对论中洛伦兹变换知怎么推出来的~

设想有两个惯性坐标系S系、S'系,S'系的原点O'相对S系的原点O以速率v沿X轴正方向运动。任意一事件在S系、S'系中的时空坐标分别为(x,y,z,t)、(x',y',z',t')。t、t'分别是S系和S'系时刻。两惯性坐标系重合时,分别开始计时.
若x= 0,则x'+vt' =0。这是变换须满足的一个必要条件,故猜测任意一事件的坐标从S'系到S系的变换为
x=γ(x'+vt') (1)
式中引入了常数γ,命名为洛伦兹因子。
引入相对性原理,即不同惯性系的物理方程的形式应相同。故上述事件坐标从S系到S'系的变换为
x'=γ(x-vt) (2)
y与y'、z与z'的变换可以直接得出,即
y'=y (3)
z'=z (4)
把(2)代入(1),解t'得
t'=γt +(1-γ2) x/γv (5)
在上面推导的基础上,引入光速不变原理,以寻求γ的取值。
由重合的原点O(O')发出一束沿X轴正方向的光,设光束的波前坐标为(X,Y,Z,T)、(X',Y',Z',T')。根据光速不变原理,有
X=cT (6)
X'=cT' (7)
相对论的光速不变原理得出:坐标值X等于光速c乘时刻T,坐标值X'等于光速c乘时刻T'。(1)(2)相乘得
xx'=γ2(xx'-x'vt+xvt'-v2tt') (8)
以波前这一事件作为对象,则(8)写成
XX'=γ2(XX'-X'VT+XVT'-V2TT') (9)
(6)(7)代入(9),化简得洛伦兹因子
γ= (1-(v/c)2)-1/2 (10)
(10)代入(5),化简得
t'=γ(t-vx/c2) (11)
把(2)、(3)、(4)、(11)放在一起,即S系到S'系的洛伦兹变换
x'=γ(x-vt),
y'=y,
H.A.洛伦兹
z'=z,
t'=γ(t-vx/c2) (12)
根据相对性原理,由(12)得S'系到S系的洛伦兹变换
x=γ(x'+vt'),
y=y',
z=z',
t=γ(t'+vx'/c2) (13)

洛伦兹变换的推导中需要用到很多微积分公式,在这里很难打出来,所以最好是参考有关的文献。
下面我可以给你一个中学教材中讲相对论时用的推导过程:

如上图:图中A是一个相对O以速度v匀速直线运动的系统。B是A系统上的一点。(设一光子钟的光子钟摆在AB间运动。)
当A点与O重合的时刻,光子正好从A射向B。
在A看,光子的路程是ct',在O看,光子的路程是ct,并且在t 时间内A系统移动了vt 的距离。
三个距离的关系是:(ct')²+(vt)²=(ct)²
上式经下面的变换:
去括号:c²t'²=c²t²-v²t²
提取t²:c²t'²=t²(c²-v²)
除以c²:t'²=t²(1-v²/c²)
开平方:t'=t√(1-v²/c²)
得到了t' 与t 的换算关系,其中√(1-v²/c²)就是洛伦兹因子。

这个关系式的结果与洛伦兹变换的推导结果是一样的,但是洛伦兹推导时用的是微积分方法,里面的t' 和t 是时刻,不是时长。我们这里因为初中还没学微积分,所以用的是时长(时长是时刻的积分),略过了微分分析过程。

洛伦兹变换是洛伦兹在麦莫实验得不到期待的结果后,试图解释原因时作的一个推导。目的是要说明由于速度方向上的距离被压缩,时间也变慢,所以得到的变化正好被抵消。

 

他假设了一个光子钟(以光子的往复运动为钟摆),计算在参照系统上观察光子运动时会产生的效应。但是他无意中使用了光速不变的先决条件。当时他推导出来后,自己也感觉没太大用,认为只是某种特例下成立的公式,所以一直没太重视。但是爱因斯坦创立相对论时发现,这个变换正是他想找到的那个变换因子。这是后来洛伦兹因子被称为相对论因子的原因。

 

洛伦兹的思维实验如下图:

A是相对O以速度v运动的惯性系。B是A上的一点,A上的光子钟的光子在AB间往复运动。

设:当A与O重合的瞬间,光子正好从A射向B。

在A看来,光子的路程是ct',在O看来光子的路程是ct,在t时间内A同时移动了vt 的距离。

三个长度的关系是:(ct')²+(vt)²=(ct)²

剩下就是等式的变换了:

两边去掉括号:²c²t'²=c²t²-v²t²

两边同除c² :t'²=t²-v²t²/c²

提取公因式:t'²=t²(1-v²/c²)

两边开平方:t'=t√(1-v²/c²)

 

t/t'=1/√(1-v²/c²)

其中的1/√(1-v²/c²) 就是平常说的洛伦兹因子记作γ,也有的书上把√(1-v²/c²)叫作洛伦兹因子,意义都是一样的,只取决于t 和 t' 谁与谁相比。

 

√(1-v²/c²)代表了参照系上测量到的时间要比被测量系统上的时间长。这就是平时习惯说的“运动系统上的时间变短了”,其实是比测量到的时间短。

 

注意:上面的推导过程是延用中学课本中的推导,事实上洛伦兹在推导这一因子时,采用的是时刻,不是时长,因此他用的是微分方法。因为初中还没学微积分,所以教科书上把时刻换成了时长来推导,但是结果是一样的。

 

后来很多人也推导洛伦兹变换,但是大多数出现了重复使用洛伦兹变换的错误。即本来是推导两个系统的时间关系,却在推导中先用洛伦兹变换对一个系统的时间进行了变换后再推导,以致于后来的洛伦兹变换与洛伦兹原来的公式不同了,变得复杂起来。相当于“二阶烙伦兹变换”了。现在很多教科书上也用了这种经过双重洛伦兹得到的公式,造成了很多人无法理解相对论的真实意义,以及对一些问题的解决,因为会产生矛盾的结果。

 

比如,上面的图,如果不认为洛伦兹因子已经包含了时间与长度的变换,那么在A看来,vt的距离是多少呢?

就会再次用洛伦兹变换来变换vt的长度,而反过来A认为O以v运动,所以就认为O上看到的vt再次变短。这与O看到的长度就不相符了。产生了矛盾。这样循环下去,O再以为A上看到的vt更短,循环下去vt最终就成了0。这样就给一些想解相对论问题的人带来了莫衷一是的两难境地。

 

而且还有更严重的问题,造成了很多人以为运动系统上的时间真的变慢了,造成了许多所谓的悖论,比如双生子悖论等。因为陷入了绝对性的圈套中。

我们知道相对论的前提是不存在绝对速度。一切运动都是相对的,相对运动的两个系统,是对等的,各自以自己为参照系看对方的速度必须是相等的,都是v。

O看A的速度是v,A以自己为参照系时,看到O的速度必然也是v。不可能两个对等的惯性系互相看到的相对速度不同。




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