Processing math: 100%

суббота, 24 сентября 2022 г.

Преобразование объема

Как при преобразованиях Галилея и при преобразованиях Лоренца преобразуется объем? Попробуем разобраться.

В массе формул при интегрировании по объему пишут ()dxdydz для интегрирования по 3 мерному объему и, соответственно, ()cdtdxdydz при интегрировании по 4-мерному.

Можно ли взять и подставить вместо измененных при проведенных преобразованиях элементов приращений их новые значения? Теоретически да, если изменились лишь масштабные коэффициенты и нет во всех остальных случаях.

Собственно, проблема в том, что при произвольно выбранном преобразовании в общем случае между осями изменяется угол, поскольку в общем случае приращение по одной оси может зависеть от приращений по другим: dx=adx+bdy+cdz

Это как вариант.

Для того, чтобы сопоставлять малое приращение объема как элемента интегрирования с соответствующим малым приращением после преобразования, нужно использовать определитель якобиана: dv=|(x,y,x)(x,y,z)|dv и, если есть преобразование в виде матрицы (ctxyz)=A(ctxyz) с коэффициентами, не зависящими от координат, то преобразование объемов задается определителем матрицы A.

Рассмотрим преобразование Лоренца, задаваемое канонически как движение вдоль оси x: (ctxyz)=(γvcγ00vcγγ0000100001)(ctxyz) здесь v - скорость движения, c - скорость света, γ - Лоренц-фактор: γ=11v2/c2 Определитель матрицы такого преобразования равен: detA=γ2v2c2γ2=1v2/c21v2/c2=1 Соответственно, при преобразованиях Лоренца 4-мерный объем не меняется.

Если при тех же преобразованиях будем рассматривать лишь 3-мерный объем, то нужен определитель матрицы A=(γ00010001) Соответственно, его определитель равен detA=γ И поэтому при преобразованиях Лоренца, вообще говоря, 3-мерный объем меняется.

Рассмотрим преобразование Галилея, приведенное к тому же координатному пространству: (ctxyz)=(1000vc10000100001)(ctxyz) Для 4-мерного варианта определитель матрицы преобразования равен: detA=1 Соответственно, при преобразованиях Галилея для 4-мерного объема также как и для преобразования Лоренца объем инвариантен.

Но, несложно видеть, что для 3-мерного объема объем также инвариантен в отличине от преобразования Лоренца.

Для относительной полноты картины рассмотрим также преобразование вращения в плоскости: (ctxyz)=(10000cosαsinα00sinαcosα00001)(ctxyz) Независимо от угла α определитель такой матрицы равен 1. Следовательно, при преобразованиях 3-мерных вращений и 3-мерный и 4-мерный объемы инвариантны.

В случае непрерывного вращения, когда угол поворота α=ωt зависит от времени, получаем: (ctxyz)=(10000cosωtsinωt00sinωtcosωt00001)(ctxyz) При построении дифференциалов получаем: (cdtdxdydz)=(1000acosωtsinωt0bsinωtcosωt00001)(cdtdxdydz) Здесь a и b - функции от ω, t, x, y. Но определитель такой матрицы по-прежнему равен единице. Вот если бы угол вращения зависел от пространственных координат, в плоскости которых выполняется вращение, тогда, возможно, в зависимости от вида функций, объем может меняться.

Комментариев нет:

Отправить комментарий