时空间隔在所有的惯性系中保持不变与洛伦兹变换

在狭义相对论的框架下,文中首先论述了在时空间隔保持不变的条件下,惯性系之间的时空变换一定是线性的,随后证明了在这一条件下惯性系之间的时空变换必定也是唯一的,最后证明了这唯一的时空变换就是洛伦兹变换.因此从时空间隔保持不变这一条件出发完全可以建立洛伦兹变换,文中在最后一节还论证了这一建立洛伦兹变换的条件是最基本的条件,没有其他更低的条件.     

洛伦兹变换成立的充分与必要条件

文中论述了两个作相对匀速运动的惯性参照系之间的时空变换是洛伦兹变换的充分与必要条件,这个条件就是时空间隔保持不变.     

惯性系之间的时空变换是线性变换的充分与必要条件

在狭义相对论中,两个作相对运动的惯性参照系之间的时空变换是线性变换的充分与必要条件,从符合物理实验事实上讲这个条件就是时空间隔保持不变。     

为什么说狭义相对论是近代物理学的一大支柱

本文首先简要介绍了狭义相对论的两条基本假设:狭义相对性原理和光速不变原理。进而由光速不变原理定义了惯性系的时间坐标并连同相对性原理推导出洛伦兹变换。随后把相对性原理具体表述为:一切物理定律的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。最后着重说明了为什么说狭义相对论而非广义相对论是近代物理学(包括广义相对论)的一大支柱:所有平直时空的物理学理论其动力学方程式都在洛伦兹变换下保持形式不变;广义相对论是在弯曲时空的局部保持洛伦兹不变性。     

再论光速不变原理和洛伦兹变换

根据相对性原理和光速不变原理不仅可以得到洛伦兹变换关系,而且可以证明运动的相对性条件,即爱因斯坦条件成立.同时表明在相对性原理假设下,光速不变原理、间隔不变性和洛伦兹变换关系这三者等价.     

相对性原理与时空线性变换

惯性系具有任何方向时空平移不变的特性,依据相对性原理和时空平移不变性证明了惯性系的时空变换必须为线性变换。相对性原理是时空线性变换的真正必要条件。除了伽利略变换具有"同时的绝对性"外,其他的惯性系时空线性变换都具有"同时的相对性"。利用相对性原理还可以证明惯性系的速度变换为单调递增函数,因而存在速度上限,惯性系除伽利略变换外的所有时空线性变换都存在有限的极限速度,进而可以推导出惯性系时空线性变换的广义洛伦兹变换公式,其中极限速度的取值可以通过实验来确定。     

狭义相对论洛伦兹变换的推导及其他

本文运用单向光速各向同性的假设推导出通常熟悉的两个特定惯性系之间的最简单的洛伦兹坐标变换,并说明引入光速不变原理假定的唯一目的就是为了使得惯性系中任意地点的时钟互相对准(同步),也就是为了定义惯性系的时间坐标.在推导出通常熟知的洛伦兹变换后也给出了更一般的洛伦兹变换.此外,作为狭义相对论的检验理论介绍了相应于单向光速可变的爱德瓦兹变换、罗伯逊变换以及M-S变换,进而阐明了这些变换同洛伦兹变换之间的关系.总结起来说,洛伦兹变换和罗伯逊变换在物理上是非平庸的变换,而爱德瓦兹变换和M-S变换在物理上分别与洛伦兹变换和罗伯逊变换等价因而是平庸的.特别是,M-S变换是多余的和不必要的.     

浅析洛伦兹变换的性质

本文从数学和物理学的角度分析、讨论了洛伦兹变换的两个重要性质,即“时空对称性”和“时空相对性”。最后又由时空对称平面图推导出了洛伦兹变换。     

为什么时空变换必须是线性的

尽管线性时空变换是狭义相对论的出发点,但至少从教学角度,对线性变换合理性的论证依然不清晰。笔者根据时空均匀性、时空各向同性和惯性系的等价性,严格地导出了时空的线性变换,其中关键概念是变换的时间缩放系数和空间缩放系数。沿此思路,进一步约束两个坐标系之间的时空缩放系数相等,并利用光速不变原理,导出了洛伦兹变换。     

狭义相对论中质量与速度关系的特色推导方法

质速关系是相对论的一个重要结论,大多数教材均采用两个物体在发生完全非弹性碰撞的过程中,从不同参照系去看其速度变化来推导质速关系.本文利用狭义相对论时空的洛伦兹变换证明运动方向上力在两个惯性参照系中的不变性,然后直接利用牛顿第二定律推导出质量与速度的关系,这种推导方式相对比较简洁,利于低年级大学生的理解.     

几何化在相对论解题中的应用

在解决相对论中关于参考系变换的问题时往往需要复杂冗长的计算,常用二惯性系映射法将计算问题转化为几何问题,该法快速而直观,但初学者较难掌握.为体现洛伦兹变换的动态过程以及传递物理学在变化中追求不变性的价值观,本文提出新的几何化方法即双曲旋转法.该法在二惯性系映射法的基础上以时空间隔不变性为依据进行双曲旋转,并辅以因果关系...     

狭义相对论教学中的几个问题

本文讨论了相对论教学中几个方面的问题,包括常见例子的问题,洛伦兹变换的方便形式,同时相对性例子在另一参考系的讨论,长度测量在另一参考系看到的现象,时间延缓及运动参考系各点时间不同和光的多普勒效应的简单推导.通过不同过程在不同参考系中的讨论,掌握在运动系讨论问题的方法,以及同一过程在不同惯性系内的不同表现,而所有现象的测量结论在洛伦兹变换下保持不变.     

洛伦兹力可看作静止电荷所受电场力的相对论效应——兼论洛伦兹力公式具有与库仑定律相同的精确度

从洛伦兹变换出发,利用电磁场张量和四维力的协变性及电荷相对论不变,直接证明:在一个惯性参考系内的静止电荷所受电场力,转换到另一个惯性参考系就是运动电荷受的洛伦兹力.证明洛伦兹力公式具有与库仑定律相同的精确度.     

广义相对论及其实验证明

 爱因斯坦1905年提出的狭义相对论(平直时空理论)用狭义相对性原理代替伽利略相对性原理,即所有动力学方程式都要在洛伦兹坐标变换下保持形式不变。     

几何理解洛伦兹变换的时空内涵

洛伦兹变换是狭义相对论的核心内容.理解并掌握其内含的时空变换规律,对进一步理解狭义相对论时空观具有十分重要意义.本文基于时空图的二维旋转变换,从几何上对洛伦兹变换中所包含的"钟慢尺缩"时空变换本质和光速不变性等条件进行解析.使学生能够更加直观去感受并理解洛伦兹变换,为后续课程学习打下基础.     

洛伦兹变换的引入及其时空图像讨论

狭义相对论是理工科大学物理课程教学中的一个难点,这是因为狭义相对论所涉及的时空效应在实际中都很难被观测到,而反映相对论时空观的洛伦兹变换又较为抽象,学生在学习过程中通常是机械地记忆公式,而并没有真正理解相对论的时空观及其与洛伦兹变换之间的联系.针对这一问题,本文介绍了一种引入洛伦兹变换的新方式:首先通过直观的思想实验定量地导出时间延缓、长度收缩和同时性的相对性等时空效应的数学表达式,然后在此基础上推导得到洛伦兹变换的x坐标变换式和时间变换式,并结合推导过程对其时空图像进行讨论.通过洛伦兹变换的这种引入方式可将相对论时空效应与洛伦兹变换紧密地联系起来,突出了洛伦兹变换的物理图像,从而加深学生对洛伦兹变换及相对论时空观的理解.     

狭义相对论中事件概念的教学

论述了事件概念的含义及准确理解事件在洛伦兹变换和相对论时空理论（运动时钟延缓、运动尺寸缩短等）教学中的作用．     

不依赖守恒定律推导相对论质速关系

相对性原理要求粒子的动量和能量对于速度的依赖关系在不同的惯性系中具有相同的函数形式,由此无需利用守恒定律和洛伦兹变换公式直接推导出相对论质速关系,证明了守恒定律和洛伦兹变换公式都不是推导相对论质速关系的必要条件.由相对论质速关系进一步可得到惯性系的广义洛伦兹变换公式,从而揭示了质能关系和质速关系是比洛伦兹变换公式适用范围更广的相对论基本公式.     

从爱因斯坦火车到洛伦兹变换

爱因斯坦火车是狭义相对论中展示同时性的相对性的经典模型, 爱因斯坦利用该模型证明了“ 同时性 的相对性” . 在狭义相对论中, 空间和时间并不相互独立, 而是一个统一的四维时空整体, 不同惯性参考系之间的时 空坐标变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的, 通过分析爱因斯坦火车模型中光在不同惯性参考系内 到达车壁的时间, 利用简单的数学变换更加容易地得到了洛伦兹变换, 从而验证了洛伦兹变换在狭义相对论的核 心地位     

磁单极与磁洛伦兹力

概述了磁单极概念的历史发展,从洛伦兹变换出发,利用电磁场张量和四维力的协变性以及电荷相对论不变,直接证明了运动磁单极受磁洛伦兹力,建议了一个磁洛伦兹力的验证方案,并用磁洛伦兹力公式导出狄拉克电荷量子化条件．证明了磁洛伦兹力公式具有与库仑定律相同的精确度．