Преобразования Лоренца
Исходя из сформулированных выше постулатов теории
относительности Эйнштейна, можно найти законы преобразований, связывающие межу
собой пространственные координаты и время в двух системах отсчета, движущихся
прямолинейно и равномерно относительно друг друга.
Пусть х, у, z, и х’, у’, z’ и t’,- координаты и время в
инерциальных систем отсчета K и K’, а v - скорость их относительного движения
(рис. 6.1).
При этом нет никаких оснований полагать, что время в системе
К’ совпадает со временем в системе K, как это безоговорочно принималось в
классической физике. Для просторы выкладок выберем направление скорости за
направление осей х и x’. Предположим, что в некоторый
момент времени t’ в точке с координатами x’,y’,z’ происходит некоторый физический
процесс, который назовем событием. Нашей задачей является нахождение
«координат» события в системе отсчета K’, т.е. нахождение величин х, y, z, t,
характеризующих тот же физический процесс в системе K.
Выберем за начало отсчета времени t=0 тот момент, в который
начало координат системы K’ совпадало с началом координат системы K. Пусть в
момент времени t=0 из начала координат начала распространяться сферическая
электромагнитная волна (рис.6.2). В системе K уравнение волновой поверхности
имеет вид.
x2+y2+z2=c2t2 или x2+y2+z2-c2t2=0 (6.1)
Поскольку, согласно принципу относительности Эйнштейна,
закон и величина скорости распространения волны должны быть одинаковыми во всех
инерциальных системах отсчета, наряду с этим уравнением с равным правом можно
написать уравнение сферической волны в системе K’.
(x’)2+(y’)2+(z’)2-c2(t’)2=0
Так как в начальный момент времени начало координат систем
совпадали, то x’2+y’2+z’2-c2t’2= X2+y2+z2-c2t2 (6.2)
Формулы преобразования координат и времени должны,
во-первых, не нарушать соотношений (6.1) и (6.2), а, во-вторых, быть линейными.
Требования линейности связано с однородностью пространства. Т.к. движение
системы K’ происходит только вдоль оси х преобразование координат у и z должно
иметь вид
y’=y, z’=z
Закон преобразования х’ через х можно написать, исходя из
следующего соображения: если в момент времени t=0 начала систем координат K и
K’ совпадали, то координата плоскости х’ в системе K запишется х=νt.
Следовательно, в самом общем случае можно написать (6.3)
где коэффициент может зависеть лишь от скорости относительного
движения. Не делая никаких произвольных допущений о совпадении времени в двух
системах отсчета, мы можем представить t’ в виде линейной однородной функции х
и t
(6.4)
Коэффициенты и могут, вообще говоря, зависеть от скорости v.
Если бы оказалось, что , а , то мы вернулись бы к преобразованиям Галилея.
Для определения коэффициентов , и , отвечающих Требованиям принципа относительности
Эйнштейна, мы должны подставить (6.3) и (6.5) в (6.2). Это дает
Для выполнения тождества необходимо приравнять коэффициенты
при х2,t2и хt. Раскрыв скобки и проведя соответствующие преобразования получим:
Из этих трех уравнений находим неизвестные величины коэффициентов
, и ,:
При этом всюду мы выбрали положительный знак корня.
Подставляя значения , и в преобразования координат (6.3) и (6.4) находим:
(6.5)
Эти формулы носят название преобразований Лоренца. Формулы
обратного преобразования от штрихованных к не штрихованным величинам: (6.6)
Преобразования Лоренца приводят к выводам, коренным образом
противоречащим привычным представлениям о свойствах времени и пространства,
сложившимся на основе повседневного опыта. Рассмотрим несколько примеров
применения преобразований Лоренца.