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狭义相对论 · 洛伦兹变换与四矢量
对标:任意近代物理教材 / Taylor–Wheeler | 前置:mech-01、em-02 两条公理(相对性原理 + 光速不变)把牛顿的绝对时空整体重装。本页从公理推出洛伦兹变换,配齐三大效应与四矢量语言,终点是静能关系 \(E_0=mc^2\)。能量是四动量的时间分量;质能关系与孤立系统的四动量守恒是相互配合的两条陈述。
学习层:先读时空图,再写洛伦兹变换
具体情境:站台与飞船的两次闪光
站台参考系记作 \(S\),一艘飞船沿 \(+x\) 方向以速度 \(v\) 匀速经过。站台上的两个探测器分别在事件 \(A\)、\(B\) 闪光;站台观察者把它们安排在同一个 \(t\) 时刻,于是说“同时”。飞船上的观察者也会这样分组吗?先把每个闪光当作一个事件——一个时空点,而不是一颗在图上绕弯的粒子——再问它在另一套坐标中的位置。
为避免把单位混在一起,下面明确使用 \(c=1\):时间用“光走过的距离”来量,因而 \(ct=t\),纵轴写 \(t\) 而不是 \(ct\);光线在图上满足 \(x=\pm t\)。最后我们会把一个事件 \(P\) 相对于原点事件 \(O\) 的 \((x,t)\) 与 \((x',t')\) 都列出来。
先预测:改变速度参数,哪些判断应该保持不变?
在打开实验前,先写下你的预测:当 \(\beta=v/c\) 从 \(0\) 增大到 \(0.6\) 时,\(x'\) 轴和 \(t'\) 轴会向哪两条光线靠近?对一个在 \(S\) 中满足 \(t=x\) 的事件,另一个观察者能不能把它变成类时或类空?若 \(S\) 中有两个事件满足同一 \(t\),它们在 \(S'\) 中还会同一时刻吗?
实验中的“轴变斜”只是在同一张纸上表示两套坐标线,不是欧氏平面里的普通旋转:普通旋转保持 \(x^2+t^2\),而相对论变换保持的是带符号的 \(t^2-x^2\)。视觉上的角度和长度不能直接当作物理角度和距离;真正可比较的是变换后的坐标与时空间隔。
最小模型:自然单位制下的双曲变换
只保留沿 \(x\) 方向的匀速相对运动。令 \(\beta=v/c\) 且 \(|\beta|<1\),则
这里 \(x'\) 轴由 \(t'=0\) 定义,\(t'\) 轴由 \(x'=0\) 定义;同一 \(t'\) 的事件落在彼此平行的 \(x'\) 方向线上,这就是同时性的参考系依赖。\(\gamma\) 不是把整张图按同一个欧氏比例放大,而是变换中由 \(\beta\) 决定的因子;当 \(|\beta|\to1\) 时它发散。
可操作实验:拖动速度,追踪同一个事件
下面的实验台固定 \(c=1\),让你改变 \(\beta\),再选择类时、类光或类空事件,也可以直接拖动 \(x,t\)。图中蓝色是 \(S\) 的 \(x,t\) 轴,红色是 \(S'\) 的 \(x',t'\) 轴;虚线光锥是 \(x=\pm t\)。事件 \(P\) 的标记不随参考系改变,改变的是它的坐标标签。
无 JavaScript 时也可读:以下手算表使用 \(\beta=0.6\)、\(\gamma=1.25\),坐标顺序均为 \((x,t)\)。用 \(x'=\gamma(x-\beta t)\)、\(t'=\gamma(t-\beta x)\),并核对 \(s^2=t^2-x^2=t'^2-x'^2\):
| 事件类型 | \(S\) 中 \((x,t)\) | \(S'\) 中 \((x',t')\) | \(s^2\)(两系相同) |
|---|---|---|---|
| 类时 | \((1,2)\) | \((-0.25,1.75)\) | \(3\) |
| 类光 | \((2,2)\) | \((1,1)\) | \(0\) |
| 类空 | \((2,1)\) | \((1.75,-0.25)\) | \(-3\) |
- 先在纸上预测:正的 \(\beta\) 会把 \(x'\)、\(t'\) 轴推向光锥,但不会改变光锥本身。
- 选一个事件,代入上面的两条变换式,分别得到 \((x',t')\)。
- 计算 \(s^2\);对不同的两事件,正、零、负分别对应类时、类光、类空,类型不能被换参考系改掉。
- 注意:\(t'=\text{常数}\) 是一组与 \(x'\) 轴平行的同时线,不是“把 \(t\) 轴转了一个欧氏角度”。
误区 / 边界:图形直觉必须服从度规
- 同时性不是绝对标签:\(t=\text{常数}\) 与 \(t'=\text{常数}\) 是不同的线;只有同一地点的两次事件(\(\Delta x=0\))才直接给出固有时的关系。
- 因果类型是硬边界:\(s^2>0\) 的类时分离可以由低于光速的信号连接,\(s^2=0\) 且两事件不重合时是类光,\(s^2<0\) 的类空分离不能由因果信号连接;洛伦兹变换不能把三者互换。
- 不要用视觉量尺读物理量:轴靠近光锥不代表普通角度等于速度,也不代表所有坐标都按同一比例缩放;\(\gamma\) 与间隔不变式才是可检验的量。
- 模型边界:这里是平直时空中的惯性系、一个空间维度和 \(c=1\);加速参考系、引力和三维空间要换用更完整的语言。实验滑块被限制在 \(|\beta|\le0.95<1\),不会进入超光速或 \(\gamma\) 不定义的区域。
回到正式公式:不变量把图上的判断收紧
对任意两事件取差分,展开即可得到
因此实验不是“看起来旋转了一下”,而是在检查 Lorentz 变换保持 Minkowski 二次型;三种因果类型和光速不变都从同一个不变量获得统一解释。带回 \(c\) 的记号,只需把 \(t\) 换成 \(ct\),便回到 \(s^2=c^2\Delta t^2-\Delta x^2\)。
1. 两条公理与洛伦兹变换
公理:① 物理定律在一切惯性系相同(相对性原理——伽利略的旧原理保留);② 真空光速 \(c\) 对一切惯性系相同(Maxwell 方程的直接暗示:em-02 的 \(c = 1/\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}\) 没给参考系留位置——相对论是电磁学的自洽性要求)。
洛伦兹变换【推导】:选两惯性系的原点在 \(t=t'=0\) 重合,空间轴同向;时空均匀性给出线性变换。因 \(S'\) 的原点满足 \(x=vt\),先写 \(x'=A(v)(x-vt)\)。要求两条光线 \(x=\pm ct\) 都仍以 \(c\) 传播,解得 \(t'=A(v)(t-vx/c^2)\)。空间各向同性使 \(A(-v)=A(v)\);与速度 \(-v\) 的逆变换复合为恒等,得到 \(A(v)^2(1-v^2/c^2)=1\)。再选连续连接 \(v=0\) 恒等变换的正号分支,便有 \(A=\gamma\):
不变间隔(直接验证):\(s^2 = c^2t^2 - x^2\) 不变——时空的"距离"是双曲型的(对比欧氏 \(t^2 + x^2\);高代 VI 惯性指数 \((+,-,-,-)\) 的几何:洛伦兹变换 = 保持这个二次型的"双曲旋转")。\(v \ll c\) 时退化为伽利略变换 ✓(新理论包含旧理论——对应原理第一次示范)。
2. 三大运动学效应(各配一行推导 + 一个实证)
- 同时的相对性:\(t' = \gamma(t - vx/c^2)\)——异地同时依赖参考系(一切"悖论"的解药:先问"哪两个事件、谁的同时");
- 时间膨胀 \(\Delta t = \gamma\,\Delta\tau\)(两次读数来自同一只以恒定 \(v\) 运动的钟,\(\Delta\tau\) 是它的固有时)。实证:μ 子寿命 2.2 μs、山顶产生却到达海平面——\(\gamma \sim 10\) 的续命(或在 μ 子系里看:大地在动、山变薄——下一条);
- 长度收缩 \(L = L_0/\gamma\)(沿运动方向,\(L_0\) 为杆静止系的长度,\(L\) 必须用测量系中同时记录的两端事件求出)。速度合成 \(u' = \frac{u - v}{1 - uv/c^2}\)(两次变换复合):光速不可超越在公式里自洽(\(u = c \Rightarrow u' = c\))。
双生子"佯谬"一句话终审:往返者经历加速转向——两条世界线不对称,固有时 \(\int d\tau\) 短者年轻:不是悖论是世界线长度的比较(时空几何里"两点间直线固有时最长"——双曲几何的反直觉)。加速钟仍可在狭义相对论中按 \(d\tau=dt\sqrt{1-v(t)^2/c^2}\) 积分;加速本身不要求引入引力理论。GPS 卫星每天 −7 μs(狭相)+45 μs(广相引力蓝移,gr-01)——不修正则定位每天漂移公里级:相对论是工程日用品。NIST 的时钟说明给出这两个每日量级。
3. 四矢量:把力学翻译进时空
四矢量:按洛伦兹变换变换的四元组 \(x^\mu = (ct, \mathbf x)\);内积 \(a\cdot b = a^0b^0 - \mathbf a\cdot\mathbf b\) 不变(Minkowski 度规)。
对有质量粒子的类时世界线,定义四速度 \(u^\mu = \frac{dx^\mu}{d\tau} = \gamma(c, \mathbf v)\)(对固有时求导——保持四矢量身份);四动量:
质能关系【推导】:低速展开 \(E = mc^2 + \frac12mv^2 + O(v^4)\)——动能之外多出常数项 \(E_0 = mc^2\)(静能);不变量 \(p\cdot p = m^2c^2\) 给色散关系
(无质量粒子另以 \(p^\mu=(E/c,\mathbf p)\) 定义四动量,零质量壳条件给 \(E=pc\);其世界线固有时为零,不能把 \(m=0\) 直接代入 \(mu^\mu\) 来定义光子的四动量。光子——em-03 辐射压的 \(P = I/c\) 在此认祖;核反应放能 = 质量亏损 × \(c^2\):太阳与核电站的账本。)守恒律的正确表述:孤立系统四动量守恒(能量与动量合并成一条——Noether 语言:时空平移对称的四个生成元,mech-02 的表升级为四维版)。粒子对撞运动学从此是"四矢量内积"的代数题(例 3)。
电磁的四维改写一嘴【引用】:\((V/c, \mathbf A)\) 成四矢量、\(\mathbf E, \mathbf B\) 打包成场强张量 \(F^{\mu\nu}\)、Maxwell 方程缩成两条——电与磁是同一张量在不同参考系的投影。这不表示任意磁场都能通过换系消除:\(\mathbf E\cdot\mathbf B\) 与 \(B^2-E^2/c^2\) 是场不变量;纯磁场的后者为正,而 \(B'=0\) 会使它非正,故不存在这种惯性系。这是后续经典电动力学与场论课程使用的四维记号。
4. 练习与要点
例 1(γ 的手感) \(v = 0.6c\):\(\gamma = 1.25\);\(v = 0.99c\):\(\gamma \approx 7.1\);日常 \(v = 30\) km/s(地球公转):\(\gamma - 1 \sim 5\times10^{-9}\)——相对论效应的"启动阈值"体感。
例 2(速度合成) 飞船 \(0.8c\) 上发射 \(0.8c\) 导弹:\(u = \frac{1.6c}{1 + 0.64} = 0.976c\)——不是 \(1.6c\)。在任一惯性系中,每束光都以 \(c\) 传播;两束反向光在同一坐标系中的坐标间距增长率可以是 \(2c\),但不存在光子的静止参考系,因此不能把某束光当作参考系来定义二者的相对速度。
例 3(区分总能与动能) 质子打静止质子产生反质子:\(pp\to ppp\bar p\)。设入射质子的总能为 \(E\),所有质子与反质子的质量均为 \(m\)。用能量平方单位的不变量 \(S=c^2(\sum p^\mu)^2\) 记账:
阈值处四个末态粒子在质心系中相对静止,故 \(S_{\rm th}=(4mc^2)^2\)。相等后得 \(E=7mc^2\approx6.57\,\mathrm{GeV}\);加速器给入射粒子增加的动能则为 \(K=E-mc^2=6mc^2\approx5.63\,\mathrm{GeV}\)。固定靶初态总动量不为零,因此不能只用新产生的一对粒子的 \(2mc^2\) 估算入射动能门槛。
5. 迁移练习:先选事件,再列不变量
- \(c=1\),两事件之差为 \((\Delta x,\Delta t)=(2,1)\)。取 \(\beta=0.8\),求变换后的差与因果类型。时间顺序反转是否意味着能向过去发送信号?
- 一根静止长 \(3\,\mathrm m\) 的杆以 \(0.6c\) 经过实验室。为何不能拿杆静止系中同时发生的两端闪光,直接算实验室中的杆长?给出正确长度。
- 固定靶反质子产生题中,有人把 \(6.57\,\mathrm{GeV}\) 当作入射动能,另一人认为只要 \(2mc^2\)。分别漏掉了哪项账目?
核对答案与判分要点
- \(\gamma=5/3\),\((\Delta x',\Delta t')=(2,-1)\),两系 \(s^2=-3\)。类空分离允许顺序反转,但两事件不能以不超过光速的信号连接。类时未来分离满足 \(\Delta t>|\Delta x|\),所以 \(\Delta t'=\gamma(\Delta t-\beta\Delta x)>0\),不会这样反转。
- 必须取实验室中 \(\Delta t=0\) 的两端事件;逆变换给 \(\Delta x'=\gamma\Delta x\),所以 \(L=3/1.25=2.4\,\mathrm m\)。原先在杆系同时的事件经变换一般不同步,不是实验室测长事件对。
- 第一人漏减入射粒子的静能 \(mc^2\);第二人漏计固定靶系统为保持初态总动量而保留的整体运动能。正确阈值动能为 \(6mc^2\),总能为 \(7mc^2\)。
先修回链:动量与能量、Maxwell 方程与光速;后续:等效原理。
下一页:波动光学——干涉、衍射与傅里叶光学:光既然是波(em-02),波该有的一切它都有。