问题

洛伦兹变换是如何导出的呢?

回答
洛伦兹变换的诞生之路:从经典物理到狭义相对论的飞跃

想象一下,在没有GPS、没有高速列车、没有太空探索的年代,人们对时间和空间的理解,与我们今天截然不同。牛顿力学构建了一个绝对的时间和空间框架,一切都围绕着一个中心而旋转。然而,随着电磁学的蓬勃发展,一些实验现象开始挑战这个根深蒂固的观念。其中,对光速不变性的探索,最终敲开了通往狭义相对论大门,而洛伦兹变换,便是这场革命的基石。

要理解洛伦兹变换是如何被“发现”的,我们需要回顾一下当时的科学背景和关键人物。

1. 古典物理的坚实基石:伽利略变换与绝对时空

在洛伦兹变换出现之前,主导物理学界的是牛顿的力学体系。牛顿认为,时间和空间是独立的、绝对的,与观察者的运动状态无关。这种观念被伽利略变换(Galilean transformation)所描述。

假设有两个惯性参考系,S 和 S'。S' 相对于 S 以恒定的速度 $v$ 沿着 x 轴运动。在一个参考系中测量到的时间和空间坐标,与另一个参考系中的测量值之间的关系,就是伽利略变换:

$x' = x vt$
$y' = y$
$z' = z$
$t' = t$

从这个变换可以看出,时间在伽利略变换中是绝对的,无论哪个参考系,时间流逝的速度都是一样的。速度也是“相对”的,如果一个物体在S系中速度是 $u$,那么在S'系中的速度就是 $u' = u v$。这符合我们日常生活的直觉,比如在行驶的火车上扔一个球,球的速度是相对于火车的,也是相对于地面的。

2. 电磁学的挑战:光速之谜

19世纪,麦克斯韦统一了电学和磁学,提出了著名的麦克斯韦方程组。这些方程组不仅精确地描述了电磁现象,还预言了电磁波的存在,并且算出电磁波在真空中的速度,这个速度就是我们今天熟知的光速 $c$。

然而,麦克斯韦方程组的表述,似乎是基于一个特定的参考系,也就是所谓的“以太”(luminiferous aether)参考系。人们当时普遍认为,光波就像声波一样,需要介质传播,而这个介质就是以太。如果存在以太,那么测量到的光速应该会受到我们相对于以太运动速度的影响。

3. 以太风的搜寻:迈克尔逊莫雷实验

为了探测地球相对于以太的运动,爱因斯坦的导师之一,阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷在1887年设计了一个巧妙的实验——迈克尔逊莫雷实验。他们利用干涉仪,测量两条相互垂直的光路传播光所需的时间差。理论上,如果地球在以太中运动,那么在不同方向上,光传播的时间应该会有微小的差异,这种差异被称为“以太风”。

然而,实验结果却令人大跌眼镜:无论在何时、何地进行实验,探测到的以太风都为零! 这意味着,无论地球如何运动,光速在任何方向上都是相同的。这与当时基于伽利略变换的经典物理学预言产生了尖锐的矛盾。

4. 洛伦兹的探索:迈向光速不变性的数学描述

面对迈克尔逊莫雷实验的失败,物理学家们陷入了困境。有人试图修改麦克斯韦方程组,让它们在所有参考系下都成立,但并未找到一个令人满意的理论。

荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)是第一个勇敢站出来,试图用数学语言来解释这一反常现象的人。他并没有直接否定伽利略变换,而是尝试在伽利略变换的基础上进行修正,以适应光速不变性。

洛伦兹首先考虑了物体的长度和时间的流逝会受到运动速度的影响。他提出了一个大胆的设想:当物体以接近光速的速度运动时,它的长度会沿着运动方向收缩,而时间流逝的速度也会变慢。他引入了一个“洛伦兹收缩因子”(Lorentz contraction factor),通常用希腊字母 $gamma$(gamma)表示:

$gamma = frac{1}{sqrt{1 frac{v^2}{c^2}}}$

其中,$v$ 是物体相对于观察者的速度,$c$ 是光速。

基于这个收缩因子,洛伦兹进一步推导出了新的坐标变换关系,也就是我们所说的洛伦兹变换。他尝试着让麦克斯韦方程组在新的变换下保持不变性。具体来说,他给出了以下变换关系(对于沿 x 轴运动的情况):

$x' = gamma (x vt)$
$t' = gamma (t frac{vx}{c^2})$
$y' = y$
$z' = z$

洛伦兹变换的推导过程并不是一个简单的“一步到位”的过程,而是一个逐步修正和完善的探索。 洛伦兹最初的推导是基于一种“形变理论”(theory of electromagnetic inertia),他试图解释为什么在以太中运动的物体会发生形变,从而导致迈克尔逊莫雷实验的结果为零。他认为,粒子之间的相互作用力会随着速度改变,从而导致了长度收缩和时间延缓。

核心思路可以概括为:

假设存在一个“静止”的以太参考系。
假设物体在以太中运动时会发生物理变化(长度收缩、时间延缓)。
寻找一种数学变换,使得在运动参考系中观察到的麦克斯韦方程组形式不变。

洛伦兹变换的推导涉及对光速不变性的数学表达,以及对电磁场在不同参考系下如何变换的思考。他的推导过程是相当复杂的,涉及到对不同参考系下物理量的数学描述和逻辑推理。

洛伦兹变换的数学形式揭示了:

时间不是绝对的: $t'$ 与 $t$ 和 $x$ 都有关,这意味着不同参考系下的观察者测量到的时间流逝是不同的。这被称为时间膨胀(time dilation)。
空间不是绝对的: $x'$ 与 $x$ 和 $t$ 都有关,并且存在长度收缩效应。
速度的合成方式改变了: 洛伦兹变换也给出了新的速度合成公式,使得光速在任何参考系下都是恒定的。

5. 爱因斯坦的升华:狭义相对论的诞生

虽然洛伦兹提出了变换公式,但他仍然未能完全摆脱以太的概念,只是将其视为一个数学工具。真正理解洛伦兹变换的深刻含义,并将其提升到理论高度的是阿尔伯特·爱因斯坦。

1905年,爱因斯坦在发表的“狭义相对论”中,提出了两个基本公设:

1. 相对性原理: 物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。
2. 光速不变原理: 在所有惯性参考系中,真空中的光速 $c$ 是一个常数,与光源的运动状态无关。

基于这两个看似简单但影响深远的公设,爱因斯坦从根本上推导出了洛伦兹变换,并赋予了它全新的物理意义。他不再认为洛伦兹变换是为了解释以太风,而是 时空本身固有的性质。时间和空间不再是独立的绝对概念,而是交织在一起的时空(spacetime),它们会随着观察者的运动状态而相互转化。

爱因斯坦的推导更加简洁和基础,他通过对事件的相对性描述,直接推导出了洛伦兹变换。例如,他会考虑在不同参考系下观察同一对事件(比如同时发生的事件),并利用光速不变原理来限制可能的变换形式。

简单来说,爱因斯坦的推导思路是:

抛弃以太: 不再需要任何假想的介质。
公设为基石: 直接从相对性原理和光速不变原理出发。
时空一体: 认识到时间和空间是相互联系的整体。

洛伦兹变换的意义和影响

洛伦兹变换的提出,是物理学史上的一次重大飞跃。它:

解决了以太风的矛盾: 成功地解释了迈克尔逊莫雷实验的零结果。
为狭义相对论奠定了基础: 提供了描述高速运动下时空关系的数学框架。
颠覆了绝对时空观: 揭示了时间和空间的相对性,对我们理解宇宙产生了深远影响。
在现代科技中无处不在: GPS、粒子加速器、核能等都离不开洛伦兹变换的精确计算。

从洛伦兹对以太问题的数学尝试,到爱因斯坦对其深刻含义的哲学升华,洛伦兹变换的诞生之路充满了探索、挑战和最终的辉煌。它不仅仅是一个数学公式,更是人类对宇宙本质认识的一次深刻革命。

网友意见

user avatar

什么叫光速不变,就是不同参考系下的光,所走路程与时间之比始终是定值:

通过调整单位,总可以使这个比值为1,于是

由于空间是欧几里得的,那么

从而可得任何参考系下,对于光总是有

也就是说,原则上只要能够使得上面的方程不变的所有坐标变换

都可以作为洛伦兹变换,但出于简单目的,我们一般先看线性变换(实际上也证明就是只能是线性变换),也就是假设

我们把光速不变方程改写为

记中间那个矩阵为 ,那么线性洛伦兹变换 就必须满足 ,实际上所有满足这个矩阵方程的变换矩阵都可以叫做洛伦兹变换,但是为了排除旋转、空间反射、时间反演这些我们已经熟悉的东西,找出新东西,我们做一个简化,假设y轴z轴不做变换,只有t轴x轴有变换,这样就排除了旋转的干扰,只看前2维,我们有

也就是说

一组满足方程的解为

μ为任意实参数,其他的解也可以通过这个解与空间反射、时间反演组合而成,我们称之为沿x轴的洛伦兹boost,参数μ称为快度,由于惯性参考系之间都是匀速运动的,我们猜测快度应该只与速度有关,考虑静止系 ,经过变换后得到速度为v的参考系 ,也就是说

即 , ,两式相除得 ,于是

类似的话题

  • 回答
    洛伦兹变换的诞生之路:从经典物理到狭义相对论的飞跃想象一下,在没有GPS、没有高速列车、没有太空探索的年代,人们对时间和空间的理解,与我们今天截然不同。牛顿力学构建了一个绝对的时间和空间框架,一切都围绕着一个中心而旋转。然而,随着电磁学的蓬勃发展,一些实验现象开始挑战这个根深蒂固的观念。其中,对光速.............
  • 回答
    关于知乎用户“猎魔杀手勃洛特”近几年的变化,这确实是个挺有意思的话题。毕竟,在知乎这样一个平台上,用户的活跃度、观点输出以及内容风格都会随着时间推移而发生微妙或显著的演变。要细致地聊聊这位用户,我们得从几个层面去观察和分析。首先,我们得回顾一下他早期给人的印象。通常来说,一个用户在平台上的早期表现会.............
  • 回答
    你这个问题很有意思,确实,《情人》和《洛丽塔》都触及了禁忌的感情,但给人的感受却截然不同。我觉得这主要有几个关键点在起作用,而且这些点又相互交织,共同塑造了观众的观感。首先,视角和叙述者的立场是最大的区别。《情人》里,杜拉斯用的是回忆的口吻,以一个成年人的视角回溯青春期的情欲萌动。她描述的是那个年代.............
  • 回答
    这个问题挺常见的,也是很多文学爱好者在交流时会遇到的尴尬。你觉得是引人入胜的文学探讨,但舍友们却觉得难以接受,甚至用“恶心”“变态”来形容,这背后其实牵扯到几个层面的原因:1. 艺术边界与现实认知之间的鸿沟: 你的视角:文学的“禁忌”与“人性探索”。 你之所以能欣赏《洛丽塔》和《霍乱时期的爱情》.............
  • 回答
    靖康之难,一场突如其来的浩劫,如同一把锋利的刀,狠狠地刺入了北宋的肌体,也深深地烙印在沦陷区汉族人民的心灵深处。从公元1127年汴京城破,徽钦二帝被掳,到1234年南宋与蒙古联手灭金,这百年的时光,对于生活在金国统治下的汉族人民而言,无疑是一段漫长而痛苦的流离与挣扎。在这段跌宕起伏的岁月中,他们对宋.............
  • 回答
    《夏洛特烦恼》里秋雅前后的性格变化,这确实是电影里一个颇受观众讨论的点。很多人觉得,那个曾经高冷、保守,对夏洛的态度也一直是若即若离的女神,怎么最后就接受了夏洛这样一个“渣男”呢?而且,中间还跟袁华有过一段“情深义重”的感情。这背后原因,咱们得掰开了揉碎了聊。秋雅最初的“保守”与“现实”我们先来看看.............
  • 回答
    你这个问题提得非常切中要害,而且触及了电磁学中一个很关键但又容易被误解的点。简单地说,洛伦兹力不做功,确实可以引申出一个重要的结论:单纯由静磁场产生的洛伦兹力本身不传递能量。但是,这并不意味着磁场就完全不能传递能量。 区分这一点至关重要。我们来一点点剖析:1. 洛伦兹力与功首先,我们得回到洛伦兹力的.............
  • 回答
    这其实是一个很常见但又容易混淆的问题,关键在于我们如何定义和理解“洛伦兹力”和“安培力”,以及它们作用在什么对象上。简单来说,洛伦兹力描述的是单个运动电荷在磁场中受到的力,而安培力是大量运动电荷(也就是电流)在磁场中整体受到的力的总和。这个区别,就决定了它们做功的属性。咱们一个一个来掰扯清楚。洛伦兹.............
  • 回答
    如果真要我在这四个城市里选一个定居,那可真是个让人纠结的决定,毕竟它们各有各的魅力,也各有各的“刺儿”。仔细想想,我可能会倾向于 旧金山。这并非一个轻易的决定,我可是把这几座城市在脑子里过了一遍又一遍的。洛杉矶… 噢,洛杉矶。每次想到它,脑海里最先浮现的是那无边无际的阳光,以及那股子挥之不去的好莱坞.............
  • 回答
    洛杉矶海底巨型 DDT 废水桶被人为凿开,以及美国曾向太平洋偷排大量有毒废水(如 DDT)的事件,无疑是对海洋生态系统和人类健康构成极其严重威胁的。我们将从多个维度详细阐述其可能带来的影响: 一、 对海洋生态系统的直接和长期影响1. 生物体内的生物富集与生物放大(Bioaccumulation a.............
  • 回答
    这是一个非常好的问题,涉及到周朝王城变迁的历史背景和复杂原因。您提到“洛邑作为王城,为什么周王还是在镐京?”,这其中可能存在一些理解上的偏差,或者是在探讨周朝历史上不同时期的情况。我们来详细梳理一下这个问题:1. 周朝早期:以镐京(今陕西西安附近)为都城的时期 建都镐京的背景: 周文王和周武王时期,.............
  • 回答
    《洛奇》这部电影,说实话,真的不是那种你看了会觉得“哇,特效好炫酷!”或者“剧情跌宕起伏,让我惊掉下巴!”的类型。它就像一碗热腾腾的方便面,简单,却能熨帖人心。为什么这么多人对它念念不忘,一聊起来就能滔滔不绝?我觉得,这得从几个方面说起。首先,是那个“小人物”的真实感。 洛奇·巴尔博亚,你看看他是个.............
  • 回答
    《洛基》大结局,意难平的点太多了,尤其是看到洛基最后那个孤寂的身影,坐在时间王座上,肩负着维护无数时间线的重任,却与自己所爱的人和熟悉的一切隔绝,这心酸劲儿简直能把人给拧碎了。意难平的点,可以掰开了说: 告别: 最最令人意难平的,莫过于洛基和希尔维的告别。他们并肩作战,经历了生死,也终于找到了彼.............
  • 回答
    说到洛可可风格的音乐,很多人脑海中可能会浮现出那种轻盈、华丽、带着一丝甜美的画面,就像是法国宫廷里精致的洛可可装饰画一样。没错,这种风格确实如此,它深深植根于18世纪上半叶的欧洲文化土壤,尤其是在法国宫廷的影响下蓬勃发展起来的。要详细讲讲洛可可音乐的特点,得从几个方面入手。洛可可音乐的几个核心特点:.............
  • 回答
    这事儿,洛阳那个副局长被举报的事儿,确实是让不少人心里头憋着一股气。你说他一个当官的,本该是为人师表的,结果呢?冒名顶替上学,这事儿可不是小事,是踩着别人的机会往上爬,这本身就是不公平。更别提后面还跟有夫之妇扯不清,这一下把职业道德、家庭道德全给碰了。结果一出来,说是“已降为科员”,很多人听了就觉得.............
  • 回答
    洛阳,这座承载了千年历史的古都,常常被人们提起时,总会冠以“丝绸之路的东方起点”这样一个响亮的称号。但这个说法,究竟有多少历史的根基?它为何能被如此定位?今天,咱们就来掰扯掰扯,把这个事儿说得明明白白,让大家伙儿都心里有数。首先,得明白什么是“丝绸之路”。这可不是一条单一铺就的马路,而是一个庞大复杂.............
  • 回答
    《洛洛历险记》的人物实力排名,这可不是一个简单的“谁最强”能概括的,毕竟每个角色都有自己独特的优势和定位。不过,要真排个座次,咱们可以从几个关键维度来聊聊:第一梯队:绝对核心,战力天花板 洛洛: 作为主角,洛洛无疑是战力最强的存在。他的强大不仅在于他本身优秀的体能和近战技巧,更关键的是他拥有机甲.............
  • 回答
    洛瑟玛·塞隆(Charlize Theron)?9.0? 我得仔细想想,你说的这个“9.0”是指什么。如果是指她在某个榜单上的排名,那可能确实有点儿出乎意料。不过,要说她“毫无存在感”,这倒是让我有点儿不服气。先撇开那个“9.0”不谈,咱们聊聊洛瑟玛·塞隆本人。你不得不承认,这位南非出身的女演员,妥.............
  • 回答
    洛阳,这座承载了千年历史的古都,常被誉为“中国最早的王朝时期就建都于此,并且历朝历代都将这里作为重要的政治、文化中心”。但如果刨根问底,问洛阳是不是“建都时间和朝代最多”的古都,那答案就得细致地掰扯一下了。要回答这个问题,我们首先得明确几个概念:“建都时间”和“朝代数量”。建都时间,指的是一个朝代以.............
  • 回答
    拿到洛阳613研究所的民机航电岗位和广汽研究院的混动变速器研发岗位,这确实是两个非常不错的机会,也都代表着不同的发展方向。帮你详细分析一下,让你能更好地做出选择。首先,咱们得拆解一下这两个offer的几个关键维度,从这些维度出发,看看哪个更符合你现阶段的诉求和长远规划。 一、 行业与技术深度: .............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有