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五:狭义相对论时空观及其简单质点动力学(带私货)

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第五讲——协变(店长推荐)
协变不是一个局限于物理学的名词。它代表方程在坐标变换之后的形式不变的特点(反正楼主是这么理解的,但仅仅是直觉上)。
看不明白?那就对了,楼主也看不明白。那么换一个讲法(摘自维基百科)
物理学中,洛伦兹协变性或洛伦兹共变性(Lorentz covariance)是时空的一个关键性质,出自于狭义相对论,适用于全域性的场合。
1. 一个物理量要称为洛伦兹协变性的(Lorentz covariant),则其是在洛伦兹群的表象下做变换。根据洛伦兹群的表象理论,这些量是以下述的量来建立的:标量、四维矢量、4-张量与旋量。其中特别是,一个标量(例如:时空间距)在洛伦兹变换下保持不变,而被称为一洛伦兹不变量(Lorentzinvariant)(亦即它们的变换是在平凡表象(trivialrepresentation))。
2. 一方程被称为洛伦兹协变性的,是以其可以洛伦兹协变量的形式来写出(有些混淆的地方是有些人在此处用“不变量”这个词)。这样的方程的关键性质为:若其可在一个惯性参考系下成立,则他们可在任何惯性参考系成立(这是“若一张量的所有分量在一参考系中为零,则它们在所有参考系皆会是零”这项事实的结果)。这个条件是相对性原理的一项要求,即在两个不同的惯性参考系中,所有非引力定律对于在同一时空事件的等同实验必须做出一样结果的预测。
洛伦兹群?表象?4-张量?这名词对楼主而言完全是高大上够不着,虽不明但觉厉,怎么可能有能力解释的清楚?(而且楼主还有一点怀疑,维基介绍的协变量都是张量——也就是多元多线性函数,那么非线性的量就不是协变量了么,也许楼主理解产生了歧义吧,望解答)
其实——协变什么的,最简单了。笔者写起来那真是天马行空,写意得很。
这个在狭义相对论中听上去最吓人的名词,实际上是个非常容易理解的概念。理解协变不需要高深的数学基础,只需要读者比较靠谱的物理直觉。本文一改二三四讲中从数学推导中窥探物理意义的行文风格,将从物理概念的角度切入,介绍协变的定义和物理含义,这一含义和数学中协变的意义是一致的。
话不多说,开坑


1楼2014-10-16 21:35回复
    5.1——以测量定义协变
    5.1.1 力学量都是【位置,时间】的间接测量量
    我们在第一讲——相对性原理中,诠释了两种最基本测量——位置测量和时间测量的意义和测量原则。为什么要如此强调这两条呢?
    回忆高中物理中我们接触过的国际单位制的七个基本单位,其中,只要三个基本单位——【米,秒,千克】就可以涵盖所有的力学量,其他非基本力学量的单位都可以有这三个单位导出。着三个单位分别对应着三个基本力学量——【位置,时间,质量】。由基本单位和导出单位之间的关系,不难想象,其他各种力学量都可以用这三个物理量的测量值来表示。
    为了便于体会,我们举几个例子增强印象。
    (1)x方向上的速度u

    【1.1 速度表式】
    这一表式代表平均速度,当然总可以通过适当的时间点选择和多次测量来逼近瞬时速度。可以看出,速度测量将完全依赖【位置,时间】的测量
    同理,加速度也可以通过这种方法测得,同样需要以多次【位置,时间】的测量值表示
    (多普勒效应也可以测量速度,此时直接测量量只有时间)
    (本讲为照顾中学生,不会出现微分)


    2楼2014-10-16 21:36
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      5.1.2 参考系的选择对间接测量量的影响
      不论是在经典时空观和狭义相对论时空观下,参考系的不同都意味着时空测量值的变化,因此,在两个时空观下,都存在着物理量,物理方程是否协变的问题。
      那么,什么是协变?
      看下面几个式子

      【1.1 速度表式】

      【1.3 加速度表式】

      【1.4 动量表式】

      【1.5 质量测量方法】


      3楼2014-10-17 16:10
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        【1.6 牛顿第二定律】

        【1.7 动量守恒,const意思为常数】
        ……
        第一组,代表了一部分间接测量量的定义或测量方法的集合;第二组则是一些实验规律或者其衍生定理的集合,也就是力学规律。第一组式子中的运动学量不必依赖力学方法,而力学量的测量如上一节所说,必须依赖力学方程,也就是第二组式子;第二组中的力学方程中的全部量,都要依赖第一组的测量结果。两组之间错综复杂的逻辑关系笔者尚无能力和精力讨论,只是确信这些式子在经典时空观的静止参考系下是自洽的(要不为什么这么多年都学这个)。
        下面我们把第一组量带入第二组,也就是把间接测量量中蕴含的直接测量量全都暴露出来,写到力学规律方程里,那么力学方程将以其直接测量意义展现出来:
        比如,牛顿第二定律

        【1.8 牛顿第二定律的直接测量式】(多元函数的符号高中也见过吧)
        这样,就可以通过实验来验证牛顿第二定律了,按需要测若干组质点在某时刻的位置,带入这一式子,看等号是否成立。从历史来看,力学体系的建立不是一气呵成,它需要各代物理学家不断地创造和总结,需要无数实验以佐证,还得理清这其中的因果关系。所以虽然是“站在巨人肩膀之上”,牛老爷子还是相当了不得的。


        4楼2014-10-17 16:11
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          这跟协变有什么关系?
          既然力学规律中的力学量全都可以用【位置,时间】表示,那么,力学方程的“直接测量形式”中将只含常数和【位置,时间】,这句话写成数学符号是这样的:

          【1.9 一般力学方程直接测量式】
          H是一个复合函数,包含了很多物理量(G1,G2,…),每个物理量G都可以用若干坐标和时间表示:G(x1,x2,…,t1,t2,…)。这样H就被写成关于位置和时间测量量的多元函数,或者说,一个“大个的”间接测量量。(比如牛顿第二定律中,把ma移到式子左边,写成H=F-ma=0,就是这个意思)。


          5楼2014-10-18 19:03
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            问题来了,我们知道,不论是经典时空观(伽利略变换),还是狭义相对论时空观(洛伦兹变换),如果选择的参考系不同(参考系A,参考系B),那么我们直接测量的时间和位置的数值可能会改变,而力学方程如前文分析正是基于这些直接测量量才能得以验证。对这一现象的思考所必然要遇上的一个问题是:
            如果换参考系,那么力学方程H(G(x,t))=0中的等号,是否依然成立?用物理概念提问相同的问题:换参考系测量后,力学规律是否不变?
            (好激动,终于碰到问题的核心了)


            6楼2014-10-18 19:03
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              这是个尖锐的问题,我们知道,位置(和时间,加括号是因为这个直测量在经典和狭相理论下有别)的测量必须依托参考系,力学规律的描述要借助这些直接测量量,按理说自然要和参考系相关。但是经验告诉我们,虽然车站和火车是相对运动的,但是车站里的牛顿定律和匀速火车里的牛顿定律,乃至人造卫星满足的牛顿定律,是同一套牛顿定律,也就是说牛顿力学规律和参考系(惯性系)的选择没啥大联系(测量精度之内)。况且笔者在高中二时代学物理总会有一个不自觉的观念——相对宇宙运动,加之当时比较懒,不爱验证参考系相关的问题,会觉得“力学定律如果在不同参考系不一样的话,那就拿大宇宙作参考系,宇宙是唯一的总参考系”,其实这种想法正是学习狭义相对论的最大阻碍。


              7楼2014-10-19 21:40
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                扯远了,回到中心问题来。我们已经用直接测量量表示了力学方程,并且知道参考系之间的坐标变换正是针对【位置和时间】这组直接测量量的。如此,协变的含义已是呼之欲出:


                8楼2014-10-20 20:33
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                  (私货)定义:在参考系A中,方程H(x,t)=0是成立的。如果换参考系B观测,方程左边的表式就变成H(x’,t’)。如果等号依然成立,那么就称“方程H(x,t)=0在【变换A到B】下协变”。如果某个间接测量量G的定义式在【变换A到B】下协变,那么称该测量量为“协变量”


                  9楼2014-10-21 21:27
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                    物理阐释:如果在参考系A中的力学规律同样可以不变形地用于参考系B,那么称这个力学规律协变。如果某个间接测量量(不一定是实数,可能是矢量,张量等数学对象)在参考系A和B(A不同于B)中都相等,那么该间接测量量为协变量。这个协变的定义未涉及何种时空观下的何种变换,是个不局限于物理学的普遍意义上的概念。


                    10楼2014-10-22 20:35
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                      以上内容私货较多,有些是楼主心血来潮即兴而作,未考虑其严谨性和正确性。楼主无比期待读者的批评指正,当然是有来有往的那种。
                      容楼主憋一天稿子,关于狭义相对论下的协变明天更新,可能会涉及少量不影响阅读连续性的数学内容,届时楼主将以较规范的表式给出,不必深究其意。


                      11楼2014-10-23 21:03
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