洛伦兹变换的详细推导
洛仑兹变化推导
洛仑兹变化推导洛仑兹变换是描述物体在相对论运动中空间和时间的变换关系的理论，由德国物理学家洛仑兹提出。
洛仑兹变换是狭义相对论的核心内容之一，具有广泛的应用价值，例如在高能物理、粒子物理、天体物理等领域中的研究。
本文将从推导洛仑兹变换的基本原理、洛仑兹变换的定义和性质等三个方面进行说明。
一、推导洛仑兹变换基本原理在狭义相对论中，时间和空间是相对的，即不同惯性系之间的时间和空间是互相关联的。
为了描述不同惯性系之间的联系，洛仑兹提出了洛仑兹变换。
其基本原理可以从一个简单的假设开始：在任何惯性系中，光速都是不变的。
我们知道，根据相对论原理，不存在绝对地球参照系。
因此，在任何一台移动的汽车或飞机上，我们看到的物理现象都与地球上的参考系有所不同。
为了测量物体的速度，我们需要以某个参考物（如地球）作为基准。
然而，我们不能简单地通过测量物体在地球上的速度就来计算物体在汽车或飞机上的速度，因为这两个惯性系之间的速度是互相独立的。
假设我们在车上，想要测量路边的电缆杆的长度。
我们发现，当车辆在高速运动时，电缆杆的长度似乎变短了，这意味着它受到了空间的压缩。
此外，如果我们同时测量车内的钟和地面上的钟，我们会发现车内的钟似乎比地面上的钟走得快。
这也表明时间受到了影响。
这些现象都表明了空间和时间的相对性。
根据光速不变原理，我们可以首先假设在一个固定惯性系中，某个光源发出一束光线，随后在两段时间内，该光线在恒定速度的情况下通过了同一距离的空间。
假设一个物体A与该光源静止在该固定惯性系中，不难发现，光线传输的速度在A的观察中也是不变的，可以用光速C表示。
此后，如果我们假设一个物体B相对物体A在同一惯性系中做匀速直线运动，我们可以通过比较两个观察者的观点，来描述空间和时间的相对性。
二、洛仑兹变换的定义和性质根据洛仑兹变换的定义，如果在x 和t 的坐标系中，物体B与A关于x'轴做速率为v 的匀速运动，那么B在A所定义的坐标系中的4个坐标应该从$(ct',x')$ 转换到$(ct,x)$ 。
简单推导洛伦兹变换(狭义相对论)
简单推导洛伦兹变换（狭义相对论）洛伦兹变换是狭义相对论的基本公式，从中我们可以进一步得到尺度缩减、时钟慢度、质能转换等奇妙有趣的推论。
值得一提的是，虽然洛伦兹变换最早是由洛伦兹得到的，但他并没有赋予这组变换方程组以相对论的内涵，他只是编造了一个数学观点来纠正错误的以太时空。
所以作者认为洛伦兹变换的结果应该还是属于爱因斯坦的。
1. 先导知识：波速取决于介质的速度，而不是波源的速度或许你听说过，光即是粒子又是波。
没错，但这个“粒子”已经不是我们日常理解的小微粒了，一定不能将发射一束光想象成手枪发射子弹。
许多困扰可能就来自于此，把光想象成子弹你可能永远也想不明白相对论的奇妙变换。
为了方便思考我们需要把光理解成波，发射光就像在水面触发一个涟漪。
我们先看看机械波，建立起对波的正确看法发射一波和发射一颗子弹有什么区别？根本区别在于，触发机械波实际上并不发射任何物理粒子，而是触发介质的传播振动，所以波速完全取决于介质，而不是波源的速度。
站在地上观察时，跑步时说话不会改变声音传播的速度，蜻蜓高速掠过水面也不会改变波纹扩散的速度，只会造成多普勒效应(仔细观察图1中最外层波纹的速度是否受波源速度影响)。
相反，考虑谈话的例子。
如果你站着不动，风在动，声速就会变。
比如逆风说话，声速会增加，逆风说话，声速会变慢。
仔细理解这里的区别，跑步不会改变波的传播速度，但空气运动会。
图1：一个运动的波源并不会导致波速的变化（观察最外层涟漪的速度）现在我们来考虑光的一个例子一列以速度v前进的火车在经过你的时候突然向前进方向发出了一个闪光，光是电磁波，不同于手枪发射子弹，不管这个光源运动情况怎么样，在你看来，这个闪光就像在水面上激起的一个涟漪，以不变的速度c前行。
（但是这里说的不变速度c还不是相对论说的光速不变，只是说光速与光源速度无关）2.光在真空中是通过什么介质传播的？从上面的分析我们看到波的速度，甚至波的性质似乎完全都取决于传递波的介质，波的行为似乎只与介质有关，完全由介质定义，完全由介质约束，波源在触发波之后好像就没有什么关系了。
洛仑兹变换的数学推导.
洛仑兹变换的数学推导其实洛仑兹变换的数学推导并不难，只需要中学的知识就行，请大家耐心一点，我们开始。
我们选择S系和S’系的坐标轴x和x'重合，y、y'和z、z'相互平行，且S'系沿x-x'轴相对于S系以速度v作匀速直线运动，并设当S和S'的原点O和O'重合时，两坐标系的钟的读数分别为t=0和t'=0.根据经验，我们假设所求的空间-时间坐标变换是线性的，因此变换方程式可设为：x'=a11(x-vt)y'=y}(1)z'=zt'=a41x+a44t式中a11,a41,a44是待定常数。
为了求出待定常数，我们利用光速不变原理，假定在两惯性系原点重合时（t=t'=0）有一闪光从原点发出，根据光速不变原理，两参考系上的观察者都将看到光以同样的速度c向外传播，换句话说，每一个观察者采用他们自己的坐标系，都看到波前是以自己的原点为中心的球面，其半径等于c乘以时间。
这样，S系与S'系的波前方程分别是x²+y²+z²-c²t²=0 (2)与x'²+y'²+z'²-c²t'²=0 (3)把变换（1）代入(3)式的S’系的波前方程，计及y’=y, z’=z得（a11²-c²a41²）x²-2(va11²+c²a41aa44)xt+y²+z²-(c²a44²-v²a11²)t²=0这应当就是S系的波前方程(2)，比较它们的方程的系数有：a11²-c²a41²=1va11²+c²a41aa44=0c²a44²-v²a11²=c²由此三个方程解得：a11=1/sqrt(1-v²/c²)a41=-(v/c²)/sqrt(1-v²/c²)a44=1/sqrt(1-v²/c²)将所得的a11,a41,a44代回（1）式就得到洛仑兹变换：x’=γ(x-vt)y’=y}(4)z’=zt’=γ(t-vx/c²)式中γ=1/sqrt(1-v²/c²)由于伽利略变换却是：x'=x-uty'=yz'=zt'= t比较一下洛仑兹变换伽利略变换，不难发现在运动系S’发生了尺缩钟慢。
五种洛仑兹变换的推导方法
一、首先来看看爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》中的推导方法。 有两个坐标系 K 和 K' ，各坐标系内的事件分 别由坐标（x，y，z，t）和（x' ，y'，z' ，t'）表示。 我们把问题分成几部分，首先只考虑 x 轴上 发生的事件。任何一个这样的事件， 对于坐标系 K 是由横坐标 x 和时间 t 来表示， 对于坐标系 K'则由 横坐标 x' 和时间 t'来表示。当给定 x 和 t 时，我们 要求出 x' 和 t'。 约定 t=0 时刻 O 和 O' 重合， K' 有沿 x 正方向 的速度 v。 假设沿着 x 轴正方向有一束光信号从 t=t'=0 时刻射出，则光信号在 K 系中满足
⎧ x ' = ax + bt ⎨ ⎩t ' = dx + et
为了使（5）式满足于（3）式，要求
（5）
x 2 − c 2 t 2 = x ' 2 −c 2t ' 2
于是， （5）式应具有下列形式：
（6）
⎧ x ' = xchθ − ctshθ ⎨ ⎩ct ' = − xshθ + ctchθ
其中，θ为常量，shθ和 chθ为双曲函数，即
x − vt ⎧ ⎪ x' = v2 ⎪ 1− 2 c ⎪ ⎪ y' = y ⎪ ⎨z' = z ⎪ v ⎪ t− 2 x ⎪t ' = c ⎪ v2 1− 2 ⎪ c ⎩
进一步得逆变换式为
x'+vt ' ⎧ ⎪x = v2 ⎪ 1− 2 c ⎪ ⎪ y = y' ⎪ ⎨z = z' ⎪ ⎪ t ' + v x' ⎪t = c2 ⎪ v2 1− 2 ⎪ c ⎩
洛伦兹变换的严格推导
此推导过程从狭义相对性原理及光速不变原理出发，进行严格推导。
设事件P 在S 系中坐标为()t z y x ,,,,在'S 系中坐标为()',',','t z y x ，'S 系以速度u 沿'S 系的x 轴正方向匀速运动。
设真空中光速为c 。
洛仑兹变换推导过程如下：因洛仑兹变换为伽利略变换中速度u 接近光速c 时的数学形式，当速度u 远远小于光速c 时洛仑兹变换应能退化为伽利略变换。
所以参照伽利略变换，洛仑兹变换形式可设为：⎪⎩⎪⎨⎧+=+=+=g f e d b a gt fz z et dy y bt ax x λλλλλλ'''⎪⎩⎪⎨⎧+=+=+=g f e d ba t g z f z t e y d y tb x a x ''''''''''''''''''λλλλλλ1.讨论',x x 之间的数学关系： 当'',0ut x x -==时，有：b a t b ut a '''')'('0λλ+-=，即baat b t u a '''''')('0λλλ+-='t Θ为齐次型 aaat b t u a b a '''''')('0,''λλλλλ+-==∴若等式成立，有：aaa b u b u a '''',')('λλ-=--=- u -Θ的正负性与aa b '''λ-无关且有意义 1''==∴b a λλ 则''b u a -=-，有：''''ut a x a x += 当ut x x ==,0'时，有：b a bt ut a λλ+=)(0，即b a a bt t au λλλ+=0t Θ为齐次型 aaabt t au b a λλλλλ+==∴0,若等式成立，有：aaabu b auλλ-=-=, u Θ的正负性与aabλ-无关且有意义 1==∴b a λλ 则b au -=，有：aut ax x -='。
洛伦兹变换的推导
一、间隔不变原理1、事件：一件事情发生可以用地点和时间来标识。
在一个参考系如S 中可以记作(,,,),x y z t 另一参考系'S 中可以记作''''(,,,),x y z t 两件事情发生，分别在两参考系中可以记为22222221212121()()()()s x x y y z z c t t ∆=-+-+---这两事件的间隔在'S 参考系中定义为'2''2''2''22''221212121()()()()s x x y y z z c t t ∆=-+-+---注意两事件的间隔只能在同一惯性参考系才有意义，2s ∆是一种整体记法，就表示两事件在S 系中的惯性，计算方法如下，22222221212121()()()()s x x y y z z c t t ∆=-+-+---不表示两间隔之差，这种写法22221s s s ∆=-是错误的。
由光速不变原理可以推出间隔不变：任何两事件的间隔，从一个惯性参考系变换到另一惯性参考系保持不变。
2'2s s ∆=∆ 二、洛伦兹变换设惯性参考系'S 相对于惯性参考系S 以速度v 运动，选取两个参考系的坐标轴相互平行，x 轴方向沿速度v 方向，且0t =时两坐标原点重合。
在这种情况下有'',y y z z ==考虑两个事件，事件1在0t =时刻发生在两惯性参考系的原点，事件2在S 系中发生t 时刻，两事件在两个惯性参考系S 和'S 分别记为 由两事件在两惯性参考系中间隔相等可以得到'2'2'22'222222x y z c t x y z c t ++-=++- （1）由于从一个惯性参考系到另一个惯性参考系的变换为线性变换，所以有'1112'2122x a x a ct ct a x a ct=+=+ （2）将（2）式代入（1）式再结合'',y y z z ==可以得到2222222221112212222222111221222222222222222111112122121222222222221121111221221222()()()()(2(2)(1)(22)(a x a ct y z a x a ct x y z c t a x a ct a x a ct x c t a x ca a xt a c t a x ca a xt a c t x c ta a x ca a ca a xt a c a c c +++-+=++-+-+=-++-++=---+-+-+22)0t =上式在任何情况下成立，所以只有相应的系数为零。
洛伦兹坐标变换公式推导
洛伦兹坐标变换公式推导引言：洛伦兹变换是描述时间和空间之间相互转换的重要数学工具，它是狭义相对论的基础之一。
本文将从洛伦兹坐标变换公式的推导出发，介绍洛伦兹变换的基本原理和应用。
一、狭义相对论基本原理狭义相对论是由爱因斯坦于1905年提出的一种描述时间和空间的物理理论。
根据狭义相对论，时间和空间是相对的，取决于观察者的运动状态。
在相对论中，物体的运动速度接近光速时，时间会变慢，长度会缩短，并且质量会增加。
二、洛伦兹变换的定义洛伦兹变换描述了两个参考系之间的坐标变换关系。
设A系和B系为两个相对静止的参考系，其中A系为观察者自身的参考系，B系为运动观察者的参考系。
洛伦兹变换公式根据A系和B系之间的相对运动关系，将B系的坐标表示为A系的坐标。
三、洛伦兹坐标变换公式的推导1. 以A系为基准，设B系相对于A系沿x轴方向运动，速度为v。
2. 在A系中，设事件P的坐标为(x, y, z, t)，在B系中，设事件P'的坐标为(x', y', z', t')。
3. 由于相对论中时间和空间是相对的，事件P和P'在A系和B系中的时间和空间坐标之间存在一定的关系。
4. 根据狭义相对论的原理，洛伦兹变换应满足以下条件：(1) 在A系中，事件P和P'的时间间隔应相等，即t = t'；(2) 在A系中，事件P和P'的空间间隔应满足勾股定理，即x^2 + y^2 + z^2 = x'^2 + y'^2 + z'^2；(3) 在A系中，B系相对于A系的速度为v，因此有x = x' - vt。
5. 根据以上条件，可以推导出洛伦兹坐标变换公式：x' = γ(x - vt)y' = yz' = zt' = γ(t - vx/c^2)其中，γ = 1 / √(1 - v^2/c^2)，c为光速。
四、洛伦兹变换的应用洛伦兹变换在狭义相对论中具有广泛的应用，其中一些重要的应用包括：1. 时间膨胀和长度收缩效应：根据洛伦兹变换，当物体的速度接近光速时，时间会变慢，长度会缩短。
洛伦兹变换的详细推导
精心整理第三节洛伦兹变换式教学内容：1.洛伦兹变换式的推导；2.狭义相对论的时空观：同时性的相对性、长度的收缩和时间的延缓；重点难点：狭义相对论时空观的主要结论。
基本要求：1.了解洛伦兹坐标变换和速度变换的推导；2.了解狭义相对论中同时性的相对性以及长度收缩和时间延缓概念；3.理解牛顿力学中的时空观和狭义相对论中的时空观以及两者的差异。
三、洛伦兹坐标变换的推导()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧--='='='--='22211cvcvxttzzyycvvtxx据狭义相对论的两个1.时空坐标间的变换关系作为一条公设，我们认为时间的，因此时空对于任意的时空坐标(x，y，z，t)、(x'，S以平行于x轴的速度v作,z'=z。
在S系中在S'系中观察该点，x'=-v t'，x'+v t'。
在任意的：x=k（x'+v t'），k是—比例常数。
同样地可得到：x'=k'（x-v t）=k'（x+(-v)t）根据相对性原理，惯性系S系和S'系等价，上面两个等式的形式就应该相同（除正、负号），所以k=k'。
2.由光速不变原理可求出常数k????设光信号在S系和S'系的原点重合的瞬时从重合点沿x轴前进，那么在任一瞬时t（或t'），光信号到达点在S系和S'系中的坐标分别是：x=c t,x'=c t'，则：由此得到()22211cvvcck-=-=。
这样，就得到()21c v vt x x --='，()21c v t v x x -'+'=。
由上面二式，消去x '得到()221c v c vx t t --='；若消去x 得到()221c v c x v t t -'+'=，综合以上结果，就得到洛仑兹变换，或洛仑兹反变换可见洛仑兹变换是两条基本原理的直接结果。
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第三节 洛伦兹变换式教学内容：1. 洛伦兹变换式的推导；2. 狭义相对论的时空观：同时性的相对性、长度的收缩和时间的延缓； 重点难点：狭义相对论时空观的主要结论。
基本要求：1. 了解洛伦兹坐标变换和速度变换的推导；2. 了解狭义相对论中同时性的相对性以及长度收缩和时间延缓概念；3. 理解牛顿力学中的时空观和狭义相对论中的时空观以及两者的差异。
三、洛伦兹坐标变换的推导()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧--='='='--='22211c v c vx t t z z y y c v vt x x 或 ()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧-'+'='='=-'+'=22211c v c x v t t z z y y c v t v x x据狭义相对论的两个基本假设来推导洛仑兹变换式。
1. 时空坐标间的变换关系作为一条公设，我们认为时间和空间都是均匀的，因此时空坐标间的变换必须是线性的。
对于任意事件P 在S 系和S '系中的时空坐标(x ，y ，z ，t )、(x '，y '，z '，t ')，因S ' 相对于S 以平行于 x 轴的速度v 作匀速运动，显然有y '=y , z '=z 。
在S 系中观察S 系的原点，x =0；在S '系中观察该点，x '=-v t '，即x '+v t '=0。
因此x =x '+v t '。
在任意的一个空间点上，可以设：x =k （x '+v t '），k 是—比例常数。
同样地可得到：x '=k '（x -v t ）= k '（x +(-v )t ）根据相对性原理，惯性系S 系和S '系等价，上面两个等式的形式就应该相同（除正、负号），所以k =k '。
2. 由光速不变原理可求出常数k设光信号在S 系和S '系的原点重合的瞬时从重合点沿x 轴前进，那么在任一瞬时t （或t '），光信号到达点在S 系和S '系中的坐标分别是：x =c t , x '=c t '，则：t t c x x '='2()()()()t v t c vt ct k t v x vt x k '+'-='+'-=22()222v c t t k -'=由由此此得得到到()22211c v v c c k -=-=。
这样，就得到()21c v vt x x --='，()21c v t v x x -'+'=。
由上面二式，消去x '得到()221c v c vx t t --='；若消去x 得到()221c v c x v t t -'+'=，综合以上结果，就得到 洛仑兹变换， 或 洛仑兹反变换()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧--='='='--='22211c v c vx t t z z y y c v vt x x ()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧-'+'='='=-+'=22211c v c x v t t z z y y c v vt x x可见洛仑兹变换是两条基本原理的直接结果。
3. 讨论（1）可以证明，在洛仑兹变换下，麦克斯韦方程组是不变的，而牛顿力学定律则要改变。
故麦克斯韦方程组能够用来描述高速运动的电磁现象，而牛顿力学不适用描述高速现象，故它有一定的适用范围。
（2）当|v /c |<<1时，洛仑兹变换就成为伽利略变换，亦即后者是前者在低速下的极限情形。
故牛顿力学仅是相对论力学的特殊情形—低速极限。
四、相对论速度变换公式洛仑兹变换是事件的时空坐标在不同惯性系之间的关系，根据洛仑兹变换可以得到狭义相对论的速度变换公式。
设物体在S 、S '系中的的速度分别为()z yxu uu ,,，()z y x u u u ''',,，根据洛仑兹变换式可得：()()()()()222111c v dtv u c v dt v dt dx c v vdtdx x d x --=--=--='()()()2222111c v c vu dt c v c vdx dt t d x --=--='因此：()()()()222111c v c vu dt c v dt v u t d x d x x ----=''，即：21c vu vu u x x x --='因y '=y , z '=z ，有d y '=d y , d z '=d z 则()()2211c v c vu dt dyt d y d x --=''，即()2211c vu c v u u x y y --='。
同理：()2211c vu c v u u x z z --='因此得相对论的速度变换公式：21c vu vu u x x x --='、()2211c vu c v u u x y y --='、()2211c vu c v u u x z z --='其逆变换为：21c u v v u u x x x '++'=、()2211c u v c v u u x y y '+-'=、()2211c u v c v u u x z z '+-'=。
讨论（1）当速度u 、v 远小于光速c 时，即在非相对论极限下，相对论的速度变换公式即转化为伽利略速度变换式vu u x x -='。
（2）利用速度变换公式，可证明光速在任何惯性系中都是c 。
证明：设S '系中观察者测得沿x ' 方向传播的一光信号的光速为c ，在S 系中的观察者测得该光信号的速度为：c c vc v c u x =++=21，即光信号在S 系和S '系中都相同。
第四节 狭义相对论的时空观一、 一、 同时的相对性1. 概念狭义相对论的时空观认为：同时是相对的。
即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的。
例如：在地球上不同地方同时出生的两个婴儿，在一个相对地球高速飞行的飞船上来看，他们不一定是同时出生的。
如图设S '系为一列长高速列车，速度向右，在车厢正中放置一灯P 。
当灯发出闪光时：S '系的观察者认为，闪光相对他以相同速率传播，因此同时到达A 、B 两端；S 系（地面上）的观察者认为，A 与光相向运动（v 、c 反向），B 与光同向运动，所以光先到达A 再到达B ，不同时到达。
结论：同时性与参考系有关—这就是同时的相对性。
假设两个事件P 1和P 2，在S 系和S '系中测得其时空坐标为：()()()()2222111122221111t z y x t z y x S t z y x t z y x S '''''''''，，，，，，，：，，，，，，，：由洛伦兹变换得：()()222222211111c v c x v t t c v c vx t t --='--='，在S 系和S '系中测得的时间间隔为()12t t '-'和（t 2-t 1），它们之间的关系为：()()()221212121c v c x x v t t t t ----='-'可见，两个彼此间作匀速运动的惯性系中测得的时间间隔，一般来说是不相等的。
2. 讨论（1）在S 系中同时发生：t 2=t 1，但在不同地点发生，12x x ≠，则有：()()2221121c v c x x v t t --='-'这就是同时的相对性。
（2）在S 系中同时发生：t 2=t 1，而且在相同地点发生，12x x =，则有：()()()1222121212101t t c v c v x x t t t t t '='=----='-'='∆，()()()12212121201x x c v t t v x x x x '='=----='-'，即在S 系中同时同地点发生的两个事件，在S ’系中也同时同地点发生。
（3）事件的因果关系不会颠倒，如人出生的先后假设在S 系中，t 时刻在x 处的质点经过t ∆时间后到达x x ∆+处，则由：()221cv c v x t t --='得到()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=--∆=-∆-∆='∆t x u c v c v u t c v c v x t t 1112222因为v ≯c ，u ≯c ，所以Δt '与Δt 同号。
即事件的因果关系，相互顺序不会颠倒。
（4）上述情况是相对的。
同理在S ’系中不同地点同时发生的两个事件，在S系看来同样也是不同时的。
（5）当c v 〈〈时，t t ∆≈'∆，回到牛顿力学。
二、长度收缩（洛伦兹收缩）假设一刚性棒A B 静止于S ’系中12x x l '-'='，在S 系中同时()t t t ==21测量得12x x l -=。
由洛伦兹坐标变换式：()()2222211111c v vt x x c v vt x x --='--='，得：()()()()212212121211c v x x c v t t v x x x x --=----='-'即()21c v l l -'=1. 固有长度观察者与被测物体相对静止时，长度的测量值最大，称为该物体的固有长度（或原长），用l 0表示。
即()201c v l l -=2. 洛伦兹收缩（长度缩短）观察者与被测物体有相对运动时，长度的测量值等于其原长的()21c v -倍，即物体沿运动方向缩短了，这就是洛伦兹收缩（长度缩短）。
讨论：（1）长度缩短效应具有相对性。
若在S 系中有一静止物体，那么在S '系中观察者将同时测量得该物体的长度沿运动方向缩短，同理有()21c v l l -='即看人家运动着的尺子变短了。
（2）当v <<c 时，有l l '≈三、时间膨胀（时间延缓）由洛伦兹变换得()()()221212121c v c x x v t t t t -'-'+'-'=-，事件P 1、P 2在S 系中的时间间隔为12t t t -=∆，事件P 1、P 2在S ’系中的时间间隔为12t t t '-'='∆。