四维矢量

                     

贡献者: 叶月2_; addis

  • 本文缺少预备知识,初学者可能会遇到困难。

1. 概念

   设 $K$ 与 $K'$ 为两个坐标原点重合的惯性系。在开始计时后,$K'$ 相对 $K$ 有沿着 $x$ 轴的相对速度。从 $0$ 时刻开始,光信号沿着 x 轴运动,设其在两个参考系的时空坐标分别为 $(t,x,y,z)$ 与 $(t',x',y',z')$,由光速不变,我们有:

   $$ds^2=ct^2-x^2-y^2-z^2=ct'^2-x'^2-y'^2-z'^2~.$$

   从直观上,这看起来是坐标矢量 $(t,x,y,z)$“长度” 的平方不随惯性系的改变而改变。准确来说,是其逆变矢量和协变矢量的对偶内积。形式化这个运算,该闵氏时空下的度规为 $\eta_{\mu\nu}=diag(+1,-1,-1,-1) $,设光速为 1,我们有

\begin{equation} x^\mu x_\mu =\eta_{\mu\nu}x^\mu x^\nu=\eta_{\rho \sigma}x'^\rho x'^\sigma~, \end{equation}

   这意味着改变惯性系相当于对原坐标矢量进行保距变换,即正交线性变换,我们把这个正交线性变换称之为洛伦兹变换。设洛伦兹变换矩阵为 $\Lambda$,在矩阵下,这个线性变换表示为:$x^T x=x^T\Lambda^{-1}\Lambda x$,通常用 $\Lambda^\mu_\nu $ 的形式表示矩阵,配合指标表示法进行运算。那么把该矩阵回代式 1 我们有

\begin{equation} \Lambda^\rho_\nu x^\nu=x^\rho~, \end{equation}
\begin{equation} \eta_{\mu\nu}=\eta_{\rho \sigma}\Lambda^\rho_\nu \Lambda^\sigma_\mu~, \end{equation}

   利用坐标矢量的洛伦兹变换,我们可以把很多物理量扩展成四维形式。

习题 1 力学实例

   利用洛伦兹变换,构建内积不变的速度与动量。 提示:利用标量是洛伦兹不变的,矢量与标量相乘。

习题 2 梯度算符

   证明:梯度算符(分量为 $\partial_\mu=\frac{\partial}{\partial x^\mu}$)在洛伦兹变换下恰似一协变矢量

   如无特别说明,一般坐标矢量都是指逆变矢量,即主空间向量,指标在上侧(可视为列向量,则相应的,协变矢量是行向量)。由式 2 我们得:

\begin{equation} \Lambda^\mu_\nu=\frac{\partial x'^\mu}{\partial x^\nu}~, \end{equation}
对于逆矩阵,则有
\begin{equation} (\Lambda^{-1})^\mu_\nu=\frac{\partial x^\mu }{\partial x'_\nu}~, \end{equation}
因此,通过链式法则可求证。 相应的,对协变坐标矢量求梯度为梯度算符的逆变形式。达朗贝尔算符 $\partial_\mu\partial^u$ 为标量算符,在洛伦兹变换下不变。

2. 电动力学实例

电流密度

   任一区域内的电荷总量不随参考系的改变而改变。那么,我们写下电荷守恒定律的微分形式

\begin{equation} \frac{\partial\rho}{\partial t}+\nabla \cdot J=0~, \end{equation}
通过习题 2,我们可以知道,如果把电流密度扩展为四矢量 $(\rho,\boldsymbol{ J}$,那么上式可以写为
\begin{equation} \partial_\mu J^\mu=0~, \end{equation}
显然,这是一个洛伦兹协变方程。但这样的扩展到底是否可行呢?我们需要检验电流密度是否满足洛伦兹变换。设 $\rho_0$ 为该区域的电荷密度(以粒子为参考系),若带电粒子速度为 $v$,则 $\boldsymbol{ J}=\rho \boldsymbol{ v}$。由于转换惯性系时,线元仅在 boost 的方向上收缩,那么由于粒子运动带来的体积元变化为 $dV'=\frac{1}{\gamma}dV$,则 $\rho=\gamma\rho_0$,因此四维矢量为 $(\gamma\rho_0,\gamma\rho_0\boldsymbol{v})$,即 $\rho_0U^\mu$,标量乘以四速度矢量,显然是符合洛伦兹变换的。

矢势

   将矢势引入电磁场后,电场的旋度可以表示为

\begin{equation} \nabla \times\left(\boldsymbol{E}+\frac{\partial \boldsymbol{A}}{\partial t}\right)=0~, \end{equation}
由于对梯度函数取旋度为 0,因而可以引入一标势 $\phi$,从而将上式的括号项表示为
\begin{equation} \boldsymbol{E}+\frac{\partial \boldsymbol{A}}{\partial t}=-\nabla \varphi~, \end{equation}
能产生物理意义的是
\begin{equation} \boldsymbol{E}=-\nabla \varphi-\frac{\partial \boldsymbol{A}}{\partial t}~, \end{equation}
以及
\begin{equation} \boldsymbol{B}=\nabla \times \boldsymbol{A}~, \end{equation}
可以看到,如果做规范变换,使得
\begin{equation} \boldsymbol{A}^{\prime}=\boldsymbol{A}+\nabla \psi, \varphi^{\prime}=\varphi-\frac{\partial \psi}{\partial t}~, \end{equation}
不会产生观测上的不同结果。该规范变换可以写为任意函数的四散度项 $\partial^\mu \psi$,由于标势加的是时间项,因而提示我们该矢势的扩展为 $(\phi,\boldsymbol A)$。(如无特别说明,矢量都是指代逆变矢量)

3. 拓展:洛伦兹张量

   我们知道,张量实际上是多重线性映射,而洛伦兹张量则默认了基变换的过渡矩阵为洛伦兹矩阵。以二阶张量 $F^{\mu\nu} $ 为例,

\begin{equation} F'^{\mu\nu}=\Lambda_\rho^\mu \Lambda_\sigma^\nu F^{\rho\sigma} ~, \end{equation}
\begin{equation} F'_{\mu\nu}=(\Lambda^{-1})_\mu^\rho (\Lambda^{-1})_\nu^\sigma F_{\rho\sigma}~, \end{equation}

                     

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