4-2 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换

洛伦兹变换的推导

    设有两个惯性系,它们的坐标轴彼此平行,系相对于系以速度沿轴正方向运动,两个系的原点重合时,同时开始计时(取)。现有一事件,在系上观察,是在时刻、点发生的;在系上观察,是在时刻、点发生的。如图4-9所示,为方便起见,事件,在系上的时空坐标记作;在系上的时空坐标记作
    惯性系的概念本身及相对性原理要求从一惯性系到另一个惯性系的时空坐标变换必须是线性的,因为只有线性变换才能满足空间是均匀的和各向同性的以及时间也是均匀的要求;只有线性变换才能保证在一个惯性系匀速直线运动的物体,在另一个惯性系中也将作匀速直线运动;也只有线性变换才能保证在两个惯性系中,事件一一对应,而这是真实事件必须满足的要求。由此可知,从()到()的变换式必须是线性的。
    在图4-9情况下,变换具有的一般形式为
(4-2-1)

    为了确定系数,我们取前面图4-8所示的闪光的发射和接收来讨论。显然从系上观察,在时刻光波到达处于处的接收器这样一个事件必定发生于以原点为中心、以为半径的球面波阵面上,因此,满足球面方程
(4-2-2)

图 4-9

然而根据光速不变原理,从系上观察,则这个事件的时空坐标又必定在以为中心、以为半径的球面波阵面上,即满足

(4-2-3)

现将式(4-2-1)代入式(4-2-3),得

(4-2-4)

比较式(4-2-4)与式(4-2-2),使它们一致必有

(4-2-5)

我们还可找出系数之间的另一个关系。取系的原点,由变换关系(4-2-1)可知,它在系内的位置必满足

        

    但是,这个 点相对于系是以速度沿轴运动的,故有,因此我们得到
(4-2-6)

将式(4-2-5)与式(4-2-6)联立,就可以解出系数,即



(4-2-7)

式(4-2-7)代入式(4-2-1),就得到从 系到系的变换式:




(4-2-8)

由上式解出 可得反变换式。用相对性原理可以更简单地导出反变换。因为系和系是等价地,所以从系到系的变换应该与从系到系的变换具有相同形式。若系相对于系的运动速度为(沿轴正方向),则系相对于系的速度为。因此只要把上式中的改为,把带撇的变量与不带撇的变量相应互换,即得反变换式:




(4-2-9)