勞侖茲推進(Lorentz boost)
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當你切換到一個以定速運動的參考系時,一個事件的座標會如何改變?在牛頓物理中你只要把 x 平移 vt、時間不動(伽利略變換)。在相對論中,因為光速對每個人都相同,時間本身也必須變換。勞侖茲推進就是那條正確的規則——兩個相對運動的慣性系之間,空間與時間的類旋轉混合。
對沿 x 方向、速率為 v 的推進,令 beta = v/c、gamma = 1/sqrt(1 - beta^2),變換為:ct' = gamma(ct - beta x)、x' = gamma(x - beta ct)、y' = y、z' = z。以矩陣形式寫作 x'^mu = Lambda^mu_nu x^nu,其中 Lambda 正是由這個混合所定義。推進恰好是那些保持間隔 ds^2 不變、卻改變運動狀態的勞侖茲變換(有別於空間旋轉)。在 v << c(gamma -> 1)的極限下,它退回伽利略變換 x' = x - vt、t' = t。
相對論所有的運動學驚奇,都是推進按分量讀出的結果:時間膨脹(靜止時鐘 dt' = gamma dt)、長度收縮(一根桿的長度縮短 1/gamma)、同時的相對性(beta x 項混入 t')、以及速度加成律。推進是 (ct, x) 平面上的一次「旋轉」,但轉的是一個虛/雙曲的角——快度(rapidity)——這就是為什麼沿同一軸的推進其快度可以直接相加。要注意:沿不同軸的推進並不對易,且合成兩個不平行的推進會得到一個推進加上一個殘餘旋轉(維格納旋轉,湯瑪斯進動的來源)——推進本身並不構成子群。
一個以 v = 0.8c 運動的參考系有 gamma = 5/3。實驗室中位於 (ct = 0, x = 1 m) 的事件變換為 x' = gamma(1 - 0) = 1.67 m、ct' = gamma(0 - 0.8*1) = -1.33 m——在實驗室中是「現在」的事件,對運動觀察者而言卻在過去。
推進把一個事件的時間座標與空間座標混合在一起。
推進與旋轉不同,且兩個沿不同方向的相繼推進並非單一推進——它們的合成包含一個旋轉。這個不對易性是真實的物理(電子自旋的湯瑪斯進動),而非記帳上的假象。