伽利略变换

                     

贡献者: ACertainUser; addis

预备知识 牛顿定律,线性变换

1. 伽利略变换

图
图 1:伽利略变换示意图

   伽利略变换是经典力学中描述一个事件所发生的时间和地点,随着惯性参考系的不同而变换的规律。

\begin{equation} \begin{cases} \boldsymbol{\mathbf{r}} _{K1} &= \boldsymbol{\mathbf{r}} _{r}+ \boldsymbol{\mathbf{r}} _{K2}\\ t_{K2}&=t_{K1} \end{cases}~, \end{equation}
这样的两组坐标之间的变换,称为伽利略变换。它符合我们天生的直觉:两个参考系中同一个物体的长度仍然是一样的,时间独立于空间自由流动,所以事件发生的时间和参考系的选取无关。对伽利略变换两边求导,就能得到速度叠加原理(速度的参考系变换)。

   如 Griffiths 所言,伽利略变换是如此的简单平凡无奇,在狭义相对论的洛伦兹变换之前,甚至没有人意识到伽利略变换也是经典力学的假设之一。

   更简单的,假设有两个一维的惯性参考系 $K_1$ 和 $K_2$,其中 $K_2$ 沿着 $K_1$ 的正方向以速率 $v$ 移动。如果一个事件在 $K_1$ 的视角下,是在 $t$ 时刻发生于 $x$ 位置的,那么它在 $K_2$ 视角下,是在 $t'$ 时刻发生于 $x'$ 位置的;如果我们知道了 $x$,$t$,就可以相应地计算出 $x'$ 和 $t'$ 来:

\begin{equation} \begin{cases} x' = x - vt\\ t' = t \end{cases}~. \end{equation}
如果把 $(x, t)$ 当作一个二维的向量空间,那么伽利略变换就是向量空间之间的一个线性变换。

2. 伽利略变换(分量相加)

图
图 2:当两个参考系使用不同的基底时,伽利略原理看似不成立了。这是因为基于不同基底写出的位矢分量不能直接相加。

   如果我们要使用 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} _{K1} = \boldsymbol{\mathbf{r}} _{r}+ \boldsymbol{\mathbf{r}} _{K2}$ 的分量形式 $ \begin{cases} r_{K1,x}&=r_{r,x}+r_{K2,x}\\ r_{K1,y}&=r_{r,y}+r_{K2,y}\\ r_{K1,z}&=r_{r,z}+r_{K2,z}\\ \end{cases} $ ,那我们必须确定 $ \boldsymbol{\mathbf{r}} _{K1}, \boldsymbol{\mathbf{r}} _{K2}$ 的分量都是基于相同的基底而写出的。若这些位矢的分量是基于不同的基底,那么分量的含义就不同、直接相加分量也没有意义。这就像直接数值相加一人民币与一美元是没有意义的一样,1 人民币+1 美元=2? 这就要求我们在相加前恰当地变换基底。

   实际的问题比想象中的复杂。例如,由于相对转动的参考系无可避免的涉及(含时)基底转换问题,这就导致了科氏加速度(加速度的参考系变换)。


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