Wie in dieser Frage und dieser anderen Frage diskutiert , ist es möglich, Lorentz-Boosts entlang einer beliebigen Richtung zu konstruieren, indem nur der Lorentz-Boost entlang verwendet wird -Achse, indem Sie das folgende Verfahren durchführen:
(1) Drehen Sie die Koordinatenachsen, um die auszurichten -Achse mit Richtung des Boosts.
(2) Führen Sie einen Boost entlang der neuen durch -Achse mit der üblichen Formel.
(3) Zurückdrehen.
Das ist alles schön und gut, bis auf den letzten Schritt. Was bedeutet "Rotate back." eigentlich gemeint? Welche Beziehung besteht zwischen dem Rest des Prozesses und dem letzten Schritt?
In dieser oben verlinkten ersten Frage behauptet die akzeptierte Antwort ohne Begründung, dass (zumindest in 2 räumlichen Dimensionen) die zweite Drehung lediglich die Umkehrung der ersten Drehung ist. Das erscheint mir intuitiv plausibel.
Die zweite oben verlinkte Frage und ihre akzeptierte Antwort legen nahe, dass die beiden Rotationen im Allgemeinen - in 3 räumlichen Dimensionen - nicht invers zueinander sind. Die verknüpfte Antwort erklärt jedoch nicht, welche Beziehung zwischen ihnen besteht.
Nehmen ein Schub entlang der sein Richtung der Größe Und eine Drehung des Winkels sein um die durch gegebene Achse Wir können das Problem wie folgt symbolisieren:
Die Frage ist also: Was ist die funktionale Form von was gibt den Drehwinkel und die Drehachse für die zweite Drehung an?
Sie können die räumliche Lorentz-Transformation erhalten, indem Sie zwei Rotationen anwenden.
Wir wollen die x-Achsen auf die x'-Achsen ausrichten, dies kann durch zwei Drehungen erfolgen, zuerst um die z-Achsen mit dem Winkel drehen und dann mit dem Engel um die neue y-Achse rotieren . daher:
die Transformationsmatrix um die z-Achsen lautet:
und über die neuen y-Achsen ist:
mit :
und die inverse Lorentztransformation lautet:
Wo ist ein Einheitsmatrix.
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Was bedeutet "Rotate back." eigentlich gemeint?
Beispiel:
Die Komponenten des Drehimpulsvektors im Inertialsystem sind:
wobei B der Body-Frame-Index und I der Trägheits-Frame-Index ist. ist die Transformationsmatrix zwischen Body-Frame und Inertial-Frame. ist der Trägheitstensor im Body-Frame.
Wenn nun die Winkelvektorkomponenten im Inertial-Frame so angegeben sind:
und Gleichung (1) :
Die "Komponenten" des Trägheitstensors werden umgeformt
Dasselbe gilt für jede Matrixtransformation wie die Lorentz-Matrix.
Die Lösung ist viel einfacher als es scheint. Das Ergebnis des ersten Links, den Sie angeben, ist sogar im Allgemeinen wahr, und der Vorschlag im zweiten Link, dass die Rotationen nicht zusammenhängen, ist falsch. Im Allgemeinen ist die Beziehung zwischen den beiden Rotationen in ist das Und sind Inverse (d. h. Transponierte) voneinander.
Nun, lassen Sie uns diese Antwort begründen.
Alle Operationen, denen wir in diesem Problem begegnen, sind endlichdimensional (dh 4-dimensional) und linear, was bedeutet, dass sie dargestellt werden können als Matrizen. Im Allgemeinen gibt es zwei Interpretationen, die einer nicht-singulären quadratischen Matrix gegeben werden können: (1) es ist ein Basiswechsel von einem Koordinatensystem zu einem anderen, oder (2) es ist eine lineare Transformation, die Vektoren in einen linearen Vektor abbildet Raum zu anderen Vektoren im selben Raum. In diesem Problem interpretieren wir offensichtlich die Rotationen als Basisänderungen und den Boost als lineare Transformation .
Gegeben zwei Basen Und für einen linearen Vektorraum und eine lineare Transformation auf diesem Platz ist das bekannt 's Darstellungen in den beiden verschiedenen Basen sind verwandt durch (Wo ist die Basiswechselmatrix aus Zu ). Das ist per Definition klar . Für jede Rotationsmatrix , ; Daher ist es nun offensichtlich, dass ein Lorentz-Boost entlang einer beliebigen Achse gegeben werden kann
Dies beantwortet die gestellte Frage, aber lassen Sie uns der Konkretheit halber das allgemeine Ergebnis für einen beliebigen Lorentz-Boost mit dieser Methode herleiten.
Zuerst verwenden wir die in dieser Math StackExchange-Antwort bereitgestellte Formel , um die Form der Rotationsmatrizen zu berechnen.
Da wir den Einheitsvektor drehen wollen in den Einheitsvektor , wir bekommen Und . Das gibt
Daher erhalten wir aus der Math StackExchange-Antwort
und wir leiten das ab Rotationsmatrix ist
Als Anmerkung, wie erwartet.
Die Matrix für die -Achse Lorentz-Boost ist
Dies führt zur endgültigen Berechnung des Matrixprodukts
Nach einiger langwieriger Algebra ist das Endergebnis
das ist (Modulo-Notation) diese Boost-Matrix , die das Standardergebnis ist, das z. B. in Jackson zitiert wird .
Andreas Steane
Geoffrey
Andreas Steane
Geoffrey
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