问题#53a2b +示例

问题#53a2b +示例
Anonim

回答:

这种距离的定义在惯性框架的变化下是不变的,因此具有物理意义。

说明:

Minkowski空间被构造成具有参数坐标的4维空间 #(X_0,X_1,X_2,X_3,X_4)#,我们通常说的 #X_0 = CT#。在狭义相对论的核心,我们有洛伦兹变换,它是从一个惯性框架到另一个惯性框架的转换,使光速保持不变。我不会完全推导出洛伦兹变换,如果你想让我解释一下,只要问一下,我会详细介绍。

重要的是以下内容。当我们看欧几里得空间(我们习惯的长度的普通定义的空间) #DS ^ 2 = dx_1 ^ 2 + dx_2 ^ 2 + dx_3 ^ 2#),我们有一定的转变;空间旋转,翻译和镜像。如果我们计算通过这些变换连接的各种参考帧中两点之间的距离,我们发现距离是相同的。这意味着欧几里德距离在这些变换下是不变的。

现在我们将这个概念扩展到4维时空。在爱因斯坦狭义相对论之前,我们通过伽利略变换连接惯性框架,它只是取代了空间坐标 #X_I# 通过 #X_I-v_it# 对于 #iin {1,2,3}# 哪里 #V-I# 是观察者的速度 #一世# 相对于原始框架的方向。这种变换并没有使光速保持不变,但确实留下了线元素引起的距离 #DS ^ 2 = dx_0 ^ 2 + dx_1 ^ 2 + dx_2 ^ 2 + dx_3 ^ 2#,因为时间坐标没有变化,所以时间是绝对的。

然而,伽利略变换并不能准确地描述一个惯性系到另一个惯性系的变换,因为我们知道在适当的坐标变换下光的速度是不变的。因此我们引入了洛伦兹变换。如上所述,欧几里德距离扩展到4维时空并不是在洛仑兹变换下不变的,但是,由此引起的距离 #DS ^ 2 = -dx_0 ^ 2 + dx_1 ^ 2 + dx_2 ^ 2 + dx_3 ^ 2# 是,我们称之为适当的距离。因此,尽管毕达哥拉斯定理所持有的欧几里德距离在4昏暗空间上是一个非常不错的数学结构,但它没有任何物理意义,因为它依赖于观察者。

适当的距离不依赖于观察者,因此我们可以给它物理意义,这是通过使用该距离将世界线的arclenght通过Minkowski空间连接到沿着该世界线行进的物体观察到的经过时间来完成的。请注意,如果我们把时间固定下来,毕达哥拉斯定理仍然保留在空间坐标中。

编辑/补充说明:

这个问题的原始提问者要求我详细说明一下,他写道:“谢谢。但是,请你再解释一下这两个问题。在一本书中我看到他们有了 #秒2 = X ^ 2-(CT)^ 2#。请解释“实质上我们这里所拥有的是我上面描述的二维版本。我们有一个时空和一个空间维度的时空描述。在此我们定义一个距离,或者更确切地说是一个范数(距离起点到一点) #小号# 使用公式 #秒2 = X ^ 2-(CT)^ 2# 哪里 #X# 是空间坐标和 #T# 时间坐标。

我上面做的是这个的三维版本,但更重要的是我用过 #(DS)^ 2# 代替 #秒2# (我添加了括号以澄清什么是平方)。如果我们有一条连接空间中两个点的线,那么如果没有太多地讨论微分几何的细节, #的DS# 是一条线的一小部分的长度,即所谓的线元素。通过我上面写的2D版本,我们有 #DS ^ 2 = -dx_0 ^ 2 + dx_1 ^ 2#,这个小块的长度与坐标的微小变化有关。计算从原点到点的距离 #X_0 = A,X_1 = B# 在时空中,我们计算从原点到该点的直线的长度,给出该线 #X_0 = A / bx_1# 哪里 #x_1in 0,B#,我们注意到了 #dx_0 = A / bdx_1#所以 #DS ^ 2 =(1-A ^ 2 / B ^ 2)dx_1 ^ 2#所以 #DS = SQRT(1-A ^ 2 / B ^ 2)dx_1#,我们可以整合,给予 #S = INT_0 ^ bsqrt(1-A ^ 2 / B ^ 2)= dx_1 bsqrt(1-A ^ 2 / B ^ 2)= SQRT(B ^ 2-A ^ 2)#.

因此 #秒2 = B ^ 2-A ^ 2 = X_1 ^ 2-X_0 ^ 2 = X ^ 2-(CT)^ 2##(T,X)# 坐标。

所以我上面写的确实给出了你在书中读到的内容。但是,线元素版本允许您计算任何线的长度,而不仅仅是直线。关于洛伦兹变换的故事仍然存在,这个规范 #小号# 在参考框架的变化下是不变的,而 #的x ^ 2 +(CT)^ 2# 不是。

毕达哥拉斯定理不成立的事实并不令人惊讶。毕达哥拉斯定理以欧几里德几何形式存在。这意味着您工作的空间是平坦的。不平坦的空间的示例是球体的表面。如果要在此曲面上找到两点之间的距离,可以采用连接这两点的此曲面上最短路径的长度。如果你要在这个表面上构造一个直角三角形,这看起来与欧几里德空间中的三角形非常不同,因为线条不是直的,毕达哥拉斯定理一般不成立。

欧几里德几何的另一个重要特征是,当您在此空间上放置坐标系时,每个坐标都执行相同的角色。您可以旋转轴并以相同的几何形状结束。在上面的Minkowski几何中,并非所有坐标都具有相同的作用,因为时间轴在方程中具有负号而其他坐标则没有。如果没有这个减号,时间和空间在时空中会起类似的作用,或至少在几何中起作用。但我们知道空间和时间不一样。