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伽利略變換
鎖定
伽利略變換是
經典力學中用以在兩個只以均速相對移動的
參考系之間變換的方法,屬於一種被動態變換。伽利略變換明顯成立的公式在物體以接近
光速運動時、亦或者是電磁過程不會成立,這是
相對論效應造成的。
- 中文名
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伽利略變換
- 外文名
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Galilean transformation
- 學 科
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經典力學
- 領 域
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經典力學
- 屬 性
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被動態變換
- 相關術語
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相對論
伽利略變換平移變換
伽利略變換建基於人們加減物體
速度的直覺。在其核心,伽利略變換假設時間和空間是
絕對的。
這項假設在
洛倫茲變換中被捨棄,因此就算在
相對論性速度下,洛倫茲變換也是成立的;而伽利略變換則是洛倫茲變換的低速近似值。
以下為伽利略變換的數學表達式,其中(
x,
y,
z,
t)和(
x′,
y′,
z′,
t′)分別為同一個事件在兩個座標系S和S'中的座標。兩個座標系以相對均速運行(
速度為
v),運行方向為
x和
x′,原點在時間為t=t'=0時重合。
[1]
x'=x-vt;
z'=z;
t'=t。
最後一條方程式意味着時間是不受觀測者的相對運動影響的。
利用
線性代數的術語來説,這種變換是個
錯切,是矩陣對向量進行變換的一個過程。當參考系只沿着
x軸移動時,伽利略變換隻作用於兩個分量:
雖然在伽利略變換中沒有必要用到矩陣表達法,但是用了矩陣就可以和狹義相對論中的變換法進行比較。
伽利略變換三種伽利略變換
運動物體上的光線也發生了彎曲
伽利略變換可以唯一寫成由
時空的
旋轉、
平移和均速運動
複合而成的函數。設
x為三維空間中的一點,
t為一維時間中的一點。時空當中的任何一點可以表達為
有序對(
x,
t)。速度為
v的均速運動表達為:
(X,t)→(X+tv,t),其中v在R3內。
平移表達為:
(X,t)→(X+a,t+b),其中a在R3內,b在R內。
旋轉表達為:
(
X,
t)→(
GX,
t),其中
G:
R3 →
R3為某
正交變換。作為一個李羣,伽利略變換的
維度為10。
伽利略變換變換的侷限
伽利略變換與
牛頓的
絕對時間、
絕對空間的概念有關。這裏所謂絕對是指長度的
量度與時間的量度均與參考系的運動或參考系的選擇無關。
現代物理學中,
電、磁、
光學現象所符合的
相對性原理與伽利略變換髮生了尖鋭的矛盾,因此在狹義相對論中修改了絕對時空的概念,空間和時間遵從
洛倫茲變換。這時長度與時間的量度都與參考系的速度有關。不過在運動速度遠小於光的速度時,洛倫茲變換近似等於伽利略變換
[2]
。
伽利略變換伽利略羣的中心擴張
這裏我們只考慮伽利略羣的
李代數。結果能夠輕易延伸到李羣。L的李代數由H、P
i、C
i和L
ij張成(
反對稱張量),並能夠受
交換子的作用,其中
我們可以對H'、P'
i、C'
i、L'
ij(反對稱張量)、M所張成的李羣進行中心擴張,使得M與一切都可交換(位於
中心,“中心擴張”因此得名):
- 參考資料
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1.
Hoffmann, Banesh, Relativity and Its Roots, Scientific American Books, 1983
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2.
詞條作者:朱照宣.《中國大百科全書》74卷(第二版) 詞條:伽利略變換:中國大百科全書出版社,2009-07:256頁