洛倫茲變換實質是什麼?

卜坤波

答:洛倫茲本人,最初的確是為了解釋邁克爾遜的光速不變實驗湊出來的,不過後來愛因斯坦提出狹義相對論,給洛倫茲變換提出了全新的詮釋。


要說洛倫茲變換的本質,就是光速不變原理。

要說更本質的原因,就是我們四維時空中,空間和時間的關係遵循洛倫茲變換。



19世紀末,麥克斯韋建立電磁學,標誌著經典電動力學取得成功,但是其中存在一個缺陷,就是麥克斯韋方程組在伽利略變換下不一致。


經典力學為了解決這個問題,假象了一個絕對參考系——以太參考系,但是在1887年,邁克耳孫-莫雷的實驗,否定了以太參考系的存在,至此,經典力學不能自圓其說。



在1904年,荷蘭物理學家洛倫茲,為了解決經典力學的困境,提出了洛倫茲變換,存粹是為了湊結果得到的公式,不過這也相當偉大啦。



洛倫茲指出相對於以太運動的物體,會因某種未知的機制,在運動方向上產生收縮。於是,在不否定以太的前提下,洛倫茲勉強讓經典力學有了符合實驗結果的詮釋,但

解釋不了長度收縮的本質原因。



直到1905年,愛因斯坦以“光速不變原理”和“等效原理”為基礎假設,建立了狹義相對論,解釋了邁克爾遜-莫雷的實驗,指出了時間和速度的變換關係,並用嚴謹的理論推導出來洛倫茲變換。

所以,洛倫茲變換的本質,就是光速不變原理。



艾伯史密斯

科學的發展也並不是一路平坦,大部分和家庭瑣事一樣也有誤會和紛爭。

“洛倫茲變換”最開始是由洛倫茲推導出來的,所以叫做洛倫茲變換(龐加萊命名)。但洛倫茲推到洛倫茲變換並不是為了研究相對論,而是為了解釋邁克爾遜-莫雷實驗。

(實驗具體內容在我的《白話相對論(一)》中有描述)

簡單說一下,從17世紀笛卡爾把“以太論”帶入了科學開始,人類就一直在尋找以太。所謂以太就是絕對靜止的物質,同時也正式因為以太的存在光才能夠得以傳播。到了19世紀末期,邁克爾遜和莫雷(是兩個人)做了一個實驗,就叫做邁克爾遜-莫雷實驗,實驗的設想是這樣:如果以太存在並絕對靜止,我們的地球在以太中穿梭,這樣一來,迎著以太風運動方向的光速就應該被壓縮。可是實驗結果卻相反,垂直方向上的光速運動速度都一樣,這個結論幾乎宣告以太論的失敗。

這時洛倫茲出現了,他對實驗的結果提出了質疑,他認為即使以太存在,對於光速的測量也不會存在影響,因為存在一種“菲茨傑拉德收縮”,簡單說就是如果你想測量一段距離是否被壓縮,就需要用到尺子,可是尺子同時也被壓縮了,所以這種壓縮效應測量不出來的。於是洛倫茲根據數學推導出了洛倫茲變換,認為以太實際對運動方向上的長度存在壓縮,其公式就是現在我們看到的洛倫茲變換。

那為什麼洛倫茲變換就變成了狹義相對論的公式了呢?有兩種說法,第一個是愛因斯坦推導出了同樣的公式;第二種說法是愛因斯坦直接把洛倫茲公式拿過來解釋自己的相對論了。其實真相也無所謂了,畢竟一個科學成就只要是對的,至於是誰的對於物理學來說無所謂,那是歷史學家需要考慮的事情。

這裡還要提到一個人,亨利·龐加萊,這個人一直也是一個謎,有人認為狹義相對論最早是他提出的(1902年提出相對性,1905年6月發表論文,愛因斯坦也是1905年6月發表)

是龐加萊將洛倫茲的公式命名為洛倫茲變換。在愛因斯坦提出狹義相對論之後,洛倫茲對愛因斯坦說,咱倆的公式一樣,但是說的不是一個東西啊,乾脆你的理論就叫做相對論吧。所以洛倫茲變化是龐加萊起的名,愛因斯坦的相對論是洛倫茲給起的名。是不是很有趣。


媽咪叔專注趣味物理科普。

科學的基本觀念本質上大都很簡單,通常都可以用人人皆知的語言來表達。——愛因斯坦


媽咪說MommyTalk

洛倫茲變換本質是光速延遲觀測效應。

洛倫茲變換與狹義相對論密不可分,想真正理解狹義相對論,得理解洛倫茲變換的本質。

狹義相對論只兩個基石:相對性原理與光速不變原理。相對性原理講物理規律統一,是所有理論基石,光速不變原理主要講光速與光源運動、參照系無關。想真正理解洛倫茲變換,先得搞清參照系,否則,將被帶到溝裡去,而不自知。

狹義相對論,對應的是慣性系。慣性系是廣義相對論中的一個特殊解。狹義相對論,將光速不變作為原理,給洛倫茲變換一個新的解釋,得到了麥克斯韋方程組的理論支持。

洛倫茲變換有兩個關鍵點:慣性系、電磁波。

慣性系,參照系只是座標不同,除了引力效應,其他都相同。慣性系,引力效應服從牛頓萬有引力定律,是廣義相對論中的特殊解。

電磁波,光速運動,光速不變,光速不可疊加。電磁波,沒有運動質量,運動質量不變化,只變化動量。狹義相對論容不下引力,電磁波,無質量,在慣性系中,理論上不受引力效應影響,也是廣義相對論中的特殊解。

慣性系、電磁波的特殊解性質,是狹義相對論根本所在,看不到這兩點,理解不了狹義相對論。將現實時空及質量物質依據狹義相對論解釋,而不去辯別,得到的解釋基本上在溝裡,少數的因特殊解其實不特殊,那是運氣。

狹義相對論結論有三:鐘慢效應、尺縮效應、質增效應。洛倫茲變換不涉及質增效應,只涉及鐘慢效應與尺縮效應。電磁波光速,相對速度不可變,不鐘慢、不尺縮,剩下的鐘慢效應與尺縮效應的結果是光速不變。

鐘慢效應與尺縮效應產生的前提是產生相對速度,是觀察者與觀察對象之間存在相對速度才產生的,產生的是觀察者所能得到的觀測結果。這個觀測結果,隨觀察者的相對速度改變而改變,與觀察對象無關,觀察對象本身與自身不存在相對速度,自身不產生鐘慢效應與尺縮效應。

總結一下,狹義相對論慣性系中,觀察對象本身的時間、空間尺度不隨任何觀察者的相對速度改變而改變。所有的對象時間、空間尺度,只與自身相關,因相對速度為零,時間是最快的,空間尺度是不壓縮的。狹義相對論還有個基石一一等價原理,狹義相對論中,所有對象的時間、空間都是實的、等價的,不存在特殊性。

所謂鐘慢尺縮,都是觀察者效應,對觀察對象的觀察與觀察結果反饋到觀察者座標,都經過了光速延遲。觀測到的時間、空間都是虛的。

由於克服不了光速延遲,觀測到的也只能是虛的,觀測到的結果與狹義相對論相符。

洛倫茲變換本質是光速延遲觀測效應。


stemmer

牛頓的絕對時空觀有三個特性:1.宇宙在空間上就彷彿能用剛性的立方體冰塊完美填充,並且它不會受任何的影響。2.宇宙在時間上,就好像上方懸掛這一個公共的鬧鐘,每個人都隨時必須立即能看到上邊的時間。3.信息和事物之間的影響作用,在這個宇宙中的傳播速度都是即時的,傳播過程根本就不用花費時間。牛頓的時空觀是一個跳出紙面的上帝視角。哲學基礎是信上帝。

相對論時空觀認為物理學定律對每個觀測者都是平等的,引力和非慣性系是等價的。哲學基礎是尊重人。

洛倫茲變換的實質就是,當兩者無法調和時,選用後者拋棄前者。


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