суббота, 8 января 2022 г.

Как вывести матрицу преобразования Лоренца?

В гиперкомплексных числах преобразование Лоренца задается как произведение слева и справа на полуоператоры, взаимно сопряженные друг другу. Следовательно, получающийся результат есть линейная форма по компонентам преобразуемого вектора. Следовательно, такое преобразование может быть представлено в виде умножения матричного оператора на вектор. Как найти эту матрицу? Попробуем разобраться.

Преобразование Лоренца в бикватернионах выглядит как произведение $$ X'=AX\overline{A}^* $$ Полуоператор справа есть скалярно-векторно сопряженный к левому. При скалярном сопряжении меняется знак у компонент, в образовании которых участвует единица $I$, и при векторном сопряжении у помпонентов, в образовании мнимых единиц которых участвуют единицы $i$, $j$, $k$.

Для преобразования Лоренца используется экспонента от полярной величины, также называемой быстротой: $$ \psi = Ii\psi_1+Ij\psi_2+Ik\psi_3 $$ Поскольку это строго полярная величина, при скалярно-векторном сопряжении она остается неизменной: $$ \overline{\psi}^*=\psi $$ При скалярно-векторном сопряжении в силу их линейности экспонента от сопряженной величины равна сопряженной от экспоненты несопряженной величины: $$ \overline{e^{\psi}}^*=e^{\overline{\psi}^*}=e^{\psi} $$ В итоговом полуоператоре в показателе экспоненты стоит половина быстроты: $$ X'=e^{\psi/2}Xe^{\psi/2} $$ Совместно с 3-мерными вращениями преобразования Лоренца образуют группу. Более детально это преобразование рассматривалось в других работах, перейдем к получению матричного представления из бикватернионного.

Выразим полуоператор в компонентах: $$ e^{\psi/2}=\mathrm{ch}\psi/2+\frac{Ii\psi_1+Ij\psi_2+Ik\psi_3} {\sqrt{\psi_1^2+\psi_2^2+\psi_3^2}}\mathrm{sh}\psi/2 $$ Здесь в числителе и знаменателе дроби вынесли и сократили на $1/2$. И величина, представляющая дробь, есть единичный полярный вектор. Соответственно, поскольку при любых значениях $\psi$ $$ \mathrm{ch}\psi\neq \mathrm{sh}\psi $$ то такая экспонента никогда не равна по абсолютной величине нулю и не является делителем нуля.

Поскольку векторное произведение полярных и векторное произведение аксиальных векторов дает аксиальный вектор, для простоты перейдем к выражениями через аксиальные векторы: $$ e^{\psi/2}=\mathrm{ch}\psi/2+Ia\mathrm{sh}\psi/2 $$ $$ a=\frac{i\psi_1+j\psi_2+k\psi_3} {\sqrt{\psi_1^2+\psi_2^2+\psi_3^2}} $$ $$ X=x_0+Ix $$ Итого: $$ X'=(\mathrm{ch}\psi/2+Ia\mathrm{sh}\psi/2)(x_0+Ix)(\mathrm{ch}\psi/2+Ia\mathrm{sh}\psi/2) $$ Для раскрытия используем правила операций с векторами.

Скалярное произведение: $$ (a,b)=a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $$ $$ (a,b)=(b,a) $$ $$ (a,a)=|a|^2 $$ Векторное произведение: $$ [a,b]=\left( \begin{array}{c} a_3b_2 - a_2b_3 \\ a_1b_3 - a_3b_1 \\ a_2b_1 - a_1b_2 \end{array} \right) $$ $$ [a,b]=-[b,a] $$ $$ [a,a]=0 $$ Результат векторного произведения перпендикулярен и первому и второму аргументу, а скалярное произведение перпендикулярных векторов равно нулю: $$ ([a,b],a)=0 $$ $$ ([a,b],b)=0 $$ Для перехода от кватернионного произведения к векторным величинам также нужно раскрыть кватернионное произведение: $$ ab=-(a,b)+[a,b] $$ Также нужно учитывать, что использованная псевдоскалярная мнимая единица $I$ в квадрате: $$ I^2=-1 $$ Кроме того, понадобится также правило раскрытия двойного векторного произведения: $$ [a,[b,c]]=b(a,c)-c(a,b) $$ Раскрытие произведения для $X'$ начнем со второго: $$ \begin{array}{c} X'=(\mathrm{ch}\psi/2+Ia\mathrm{sh}\psi/2)(x_0\mathrm{ch}\psi/2+ \\ +Ix_0a\mathrm{sh}\psi/2+Ix\mathrm{ch}\psi/2+(x,a)\mathrm{sh}\psi/2-[x,a]\mathrm{sh}\psi/2) \end{array} $$ Здесь мы учли, что $I^2=-1$. И раскрываем первое произведение: $$ \begin{array}{c} X'=x_0\mathrm{ch}^2\psi/2+Ix_0a\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}s\psi/2+\\ +Ix\mathrm{ch}^2\psi/2+(x,a)\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2- \\ -[x,a]\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2+Iax_0\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2- \\ -a^2x_0\mathrm{sh}^2\psi/2+(a,x)\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2- \\ -[a,x]\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}psi/2+Ia(x,a)\mathrm{sh}^2\psi/2- \\ -I\{-(a,[x,a])+[a,[x,a]]\}\mathrm{sh}^2\psi/2 \end{array} $$ Здесь произведем следующие упрощения. Поскольку по исходному выбору величина $a$ единица, то $$ a^2=-(a,a)+[a,a]=-1+0=-1 $$ Следовательно, $$ x_0\mathrm{ch}^2\psi/2-a^2x_0\mathrm{sh}^2\psi/2=x_0\mathrm{ch}\psi $$ В силу антикоммутативности векторного произведения сумма $$ -[x,a]\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2-[a,x]\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2=0 $$ Еще одна сумма упрощается в силу коммутативности скалярного произведения: $$ (x,a)\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2+(a,x)\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2=(x,a)\mathrm{sh}\psi $$ В силу ортогональности векторного произведения любому его аргументу равно нулю и следующее: $$ (a,[x,a])=0 $$ И после проведенных сокращений и упрощений получаем промежуточный результат: $$ \begin{array}{c} X'=x_0\mathrm{ch}\psi+Ix_0a\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2+ \\ +Ix\mathrm{ch}^2\psi/2+(x,a)\mathrm{sh}\psi+ \\ +Iax_0\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2+Ia(x,a)\mathrm{sh}^2\psi/2- \\ -I[a,[x,a]]\mathrm{sh}^2\psi/2 \end{array} $$ Здесь можем провести упрощение $$ 2Ix_0\mathrm{sh}\psi/2\mathrm{ch}\psi/2=Ix_0a\mathrm{sh}\psi $$ И раскроем двойное векторное произведение: $$ [a,[x,a]]=x(a,a)-a(a,x) $$ И учтем, что величина вектора $a$ (по его получению) единица $$ (a,a)=1 $$ $$ \begin{array}{c} X'=x_0\mathrm{ch}\psi+Ix_0a\mathrm{sh}\psi+Ix\mathrm{ch}^2\psi/2+ \\ +(x,a)\mathrm{sh}\psi+Ia(x,a)\mathrm{sh}^2\psi/2 - \\ -Ix\mathrm{sh}^2\psi/2+Ia(a,x)\mathrm{sh}^2\psi/2 \end{array} $$ Здесь можем учесть, что $$ Ix\mathrm{ch}^2\psi/2-Ix\mathrm{sh}^2\psi/2=Ix $$ $$ \begin{array}{c} X'=x_0\mathrm{ch}\psi+Ix_0a\mathrm{sh}\psi+(x,a)\mathrm{sh}\psi+\\ +Ix+2Ia(x,a)\mathrm{sh}^2\psi/2 \end{array} $$ Далее мы можем учесть соотношение для гиперболического косинуса двойного аргумента: $$ \mathrm{ch}2x=1+2\mathrm{sh}^2x $$ откуда следует, что $$ 2\mathrm{sh}^2\psi/2=\mathrm{ch}\psi-1 $$ Итого, получаем: $$ X'=x_0\mathrm{ch}\psi+Ix_0a\mathrm{sh}\psi+(x,a)\mathrm{sh}\psi+Ix+Ia(x,a) (\mathrm{ch}\psi-1) $$ Или, 4-мерный вектор есть сумма произведений 5-ти матриц на 4-мерный вектор.

Первый элемент $$ x_0\mathrm{ch}\psi $$ есть произведение скаляра $x_0$ и результат есть вклад в скаляр $x'_0$: $$ \left( \begin{array}{cccc} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array} \right)\mathrm{ch}\psi \left( \begin{array}{c} x_0 \\ x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array} \right) $$ Второй элемент суммы есть произведение вектора на скаляр $x_0$ и результат есть вклад в полярную часть результата: $$ \left( \begin{array}{cccc} 0 & 0 & 0 & 0 \\ a_1 & 0 & 0 & 0 \\ a_2 & 0 & 0 & 0 \\ a_3 & 0 & 0 & 0 \end{array} \right)\mathrm{sh}\psi \left( \begin{array}{c} x_0 \\ x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array} \right) $$ Третий элемент есть вклад в скаляр $x'_0$ в виде линейной формы от компонент $x_i$: $$ \left( \begin{array}{cccc} 0 & a_1 & a_2 & a_3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array} \right)\mathrm{sh}\psi \left( \begin{array}{c} x_0 \\ x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array} \right) $$ Четвертый элемент есть вклад в векторную часть $x'$ самой векторной части $x$ : $$ \left( \begin{array}{cccc} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array} \right) \left( \begin{array}{c} x_0 \\ x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array} \right) $$ И пятый элемент есть линейная форма от векторной части $x$ и вклад в векторную часть результата: $$ \left( \begin{array}{cccc} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & a_1a_1 & a_1a_2 & a_1a_3 \\ 0 & a_2a_1 & a_2a_2 & a_2a_3 \\ 0 & a_3a_1 & a_3a_2 & a_3a_3 \end{array} \right)(\mathrm{ch}\psi-1) \left( \begin{array}{c} x_0 \\ x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array} \right) $$ И если представить общий результат $$ X'=L(\psi)X $$ то матрица $L(\psi)$ есть сумма этих пяти полученных матриц.

Величина быстроты $\psi$ определяется через скорость движения $v$ как: $$ \mathrm{th}\psi=v/c $$ $$ \mathrm{ch}\psi=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}} $$ $$ \mathrm{sh}\psi=\frac{v/c}{\sqrt{1-v^2/c^2}} $$ и вектор $a$ - единичный вектор направления движения $v$.

Комментариев нет:

Отправить комментарий