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
(ct′x′y′z′)=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:
(ct′x′y′z′)=(γvcγ00vcγγ0000100001)(ctxyz)
здесь v - скорость движения, c - скорость света, γ - Лоренц-фактор:
γ=1√1−v2/c2
Определитель матрицы такого преобразования равен:
detA=γ2−v2c2γ2=1−v2/c21−v2/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:
(ct′x′y′z′)=(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:
(ct′x′y′z′)=(10000cosα−sinα00sinαcosα00001)(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:
(ct′x′y′z′)=(10000cosωt−sinωt00sinωtcosωt00001)(ctxyz)
При построении дифференциалов получаем:
(cdt′dx′dy′dz′)=(1000acosωt−sinωt0bsinωtcosωt00001)(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