Lorentz-Transformation
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Die Lorentz-Transformationen, benannt nach Hendrik Antoon Lorentz, verbinden in der speziellen Relativitätstheorie und der lorentzschen Äthertheorie die Zeit- und Ortskoordinaten, mit denen verschiedene Beobachter angeben, wann und wo Ereignisse stattfinden.
Dabei handelt es sich um geradlinig gleichförmig bewegte Beobachter und um Koordinaten, in denen kräftefreie Teilchen gerade Weltlinien durchlaufen.
Bei Lorentz-Transformationen bleibt die Lichtgeschwindigkeit
Von der Lorentztransformation betroffen sind:
- die zum Geschwindigkeitsvektor
parallelen Ortsvariablen - die zum Geschwindigkeitsvektor
senkrechten elektromagnetischen Feldkomponenten - die Zeit.
Lorentztransformation für Orte und Zeiten
Ist ein gleichförmig bewegter Beobachter mit Geschwindigkeit
mit den Koordinaten
Für eine koordinatenfreie Darstellung dieser Transformation zerlegt man den Abstand zwischen zwei Ereignissen in Komponenten parallel und senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor:[1]
mit der Abkürzung
Lorentztransformation für das elektromagnetische Feld
Auch schon bei kleinen Geschwindigkeiten
- Ein Beobachter, der eine (relativ zu ihm nicht bewegte) Ladung beobachtet, wird ein elektrisches Feld messen, jedoch aufgrund des fehlenden Stromflusses kein magnetisches Feld.
- Bewegt sich der Beobachter hingegen auf die Ladung zu- oder von ihr weg, so wird er einerseits bemerken, dass sich aufgrund der Bewegung das elektrische Feld verändert. Das bedeutet, dass der Beobachter bei gleicher Entfernung von der Ladung, aber anderer Relativgeschwindigkeit zur Ladung ein unterschiedliches E-Feld misst. Andererseits interpretiert der Beobachter die Ladung aber auch als einen Strom, der sich von ihm fort oder auf ihn zubewegt. Der Beobachter wird also zusätzlich zum elektrischen Feld ein magnetisches Feld erkennen.
Ebenso wie Orte und Zeiten müssen daher die elektromagnetischen Feldkomponenten einer Lorentztransformation unterzogen werden, wenn das Bezugssystem der Beobachtung gewechselt wird. Für die elektrischen und magnetischen Größen gilt[2]:
In nichtrelativistischer Näherung, d. h. für Geschwindigkeiten
Geschichtliche Entwicklung
- Hauptartikel: Geschichte der Lorentz-Transformation
Die Arbeiten von Woldemar Voigt (1887), Hendrik Antoon Lorentz (1895, 1899, 1904), Joseph Larmor (1897, 1900) und Henri Poincaré (1905, welcher den Lorentz-Transformationen ihren Namen gab) zeigten, dass die Lösungen der Gleichungen der Elektrodynamik durch Lorentz-Transformationen aufeinander abgebildet werden oder mit anderen Worten, dass die Lorentz-Transformationen Symmetrien der Maxwell-Gleichungen sind.
Man versuchte damals, die elektromagnetischen Phänomene durch einen hypothetischen Äther zu erklären. Als bemerkenswerteste Eigenschaft dieses Äthers stellte sich allerdings heraus, dass sich von ihm keine Spur nachweisen ließ. In seiner Äthertheorie konnte Lorentz dies dadurch erklären, dass die Längenmaßstäbe sich bei Bewegung in Bewegungsrichtung verkürzen und dass bewegte Uhren eine langsamer verlaufende Zeit anzeigen, die er Ortszeit nannte. Die von Lorentz angegebenen Transformationen der Längen und Zeiten, die von bewegten Uhren und Maßstäben angezeigt werden, bildeten eine Gruppe und waren damit mathematisch stimmig. Auch wenn in Lorentz' Äthertheorie eine gleichförmige Bewegung gegenüber dem Äther nicht nachweisbar war, hielt Lorentz an der Vorstellung eines Äthers fest, der ein absolut ruhendes, aber eben nicht nachweisbares System auszeichnete.
Einsteins spezielle Relativitätstheorie löste Newtons Mechanik und die Ätherhypothese ab. Er leitete seine Theorie aus dem Relativitätsprinzip ab, dass sich im Vakuum unter Vernachlässigung von gravitativen Effekten Ruhe nicht von gleichförmiger Bewegung unterscheiden lässt. Insbesondere hat Licht im Vakuum für jeden Beobachter dieselbe Geschwindigkeit
Herleitung
Die folgenden Überlegungen klären, wie Koordinaten zusammenhängen, die gleichförmig bewegte Beobachter zur Benennung der Zeit und des Ortes von Ereignissen verwenden.
Um das Formelbild einfach zu halten, wird als Längeneinheit die Strecke, die Licht in einer Sekunde zurücklegt, definiert. Dann haben Zeit und Länge dieselbe Maßeinheit und die dimensionslose Lichtgeschwindigkeit beträgt
Für alle gleichförmig bewegten Beobachter durchlaufen freie Teilchen gerade Weltlinien. Daher muss die Transformation Geraden auf Geraden abbilden. Mathematisch besagt dies, dass die Transformation linear inhomogen ist.
Stimmen beide Beobachter in der Wahl des Zeitnullpunkts und des räumlichen Ursprungs überein, dann ist die gesuchte Transformation linear und homogen.
Zudem muss die Differenz
Denn auf einer gleichförmig bewegten Uhr, die den Ursprung durchläuft, vergeht die Zeit
bis sie das Ereignis durchläuft, das der eine Beobachter mit
Unterstellen wir einfachheitshalber (siehe unten) dass die
Die Aufgabe vereinfacht sich durch Verwendung der binomischen Formel
und der Verwendung von
mit Koeffizienten
gilt. Ausmultiplizieren und Vergleich der Koeffizienten ergibt
Eine Lösung ist
Für die Zeit- und Raumkoordinaten
besagt dies
Die Bedeutung des Parameters
Lösen wir nach
Ziehen wir die Wurzel (die negative Wurzel würde zu einem Beobachter gehören, dessen Zeit rückwärts liefe) und erweitern wir mit
In dieser Form ist klar, dass der inverse Streckungsfaktor zur umgekehrten Geschwindigkeit gehört
und
Setzen wir dies ein, so erhalten wir die in der Einleitung angegebene Lorentz-Transformation
Dabei sind die gestrichenen Koordinaten diejenigen, die ein in
Alternative Herleitung
Mit einem Argument von Macdonald[3]
kann man die Transformationsformeln mit geringem Aufwand aus der Zeitdilatation gewinnen.
An einer Lichtfront, die sich in positiver x-Richtung bewegt, hat die
Differenzkoordinate
Analog hat an einer Lichtfront, die sich in negativer x-Richtung bewegt, die
Summenkoordinate
Addition und Subtraktion der beiden Gleichungen ergibt
Invarianz der transversalen Koordinaten
Bei Relativbewegung in x-Richtung definiert ein
Maßstab, der in y-Richtung aufgestellt ist, einen Streifen parallel zur x-Achse.
Die Beobachter im gestrichenen und ungestrichenen System können die Breite der Streifen
zu beliebig gewählten Zeitpunkten, also völlig unabhängig von der Zeit, vergleichen. Anders als bei Maßstäben in x-Richtung,
bei denen es zur Lorentzkontraktion kommt, wirkt sich die
Relativität der Gleichzeitigkeit hier nicht aus.
Da die Inertialsysteme äquivalent sind, müssen die Streifen gleiche Breite
haben, d.h.
Lorentzinvariante
Eine Größe, die sich bei Lorentztransformationen nicht ändert, heißt Lorentzinvariante. Feststehende Eigenschaften eines physikalischen Systems, die also von allen Inertialsystemen aus mit gleichem Wert beobachtet werden, muss man, sofern sie nicht einfach durch einen immer gleichen Zahlenwert wiedergegeben werden, durch Lorentzinvarianten ausdrücken können. Z. B. kann man aus einem Vierervektor nur eine einzige Lorentzinvariante bilden, seine Norm. Bei zwei Vierervektoren ist außer ihren zwei Normen auch ihr Skalarprodukt lorentzinvariant. Ein Tensor 2. Stufe hat eine lorentzinvariante Spur, etc. Entsprechende physikalische Größen sind die Masse (mc ist die Norm des Energie-Impuls-Vektors), der raumzeitliche Abstand zweier Ereignisse (Norm der Differenz der Vierervektoren der beiden Weltpunkte), Betrag des Drehimpulses (Norm des Drehimpulsvektors), etc. Weitere lorentzinvariante physikalische Größen sind etwa die Geschwindigkeit v=c, die elektrische Ladung, etc.
Poincaré- und Lorentz-Gruppe
- Hauptartikel: Lorentz-Gruppe
Die Poincaré-Gruppe ist die Menge der linear inhomogenen Transformationen,
die den Abstand zweier Vierervektoren invariant lassen. Die Untergruppe
der homogenen Transformationen
jedes Vektors
des Spaltenvektors
und der transponierten Spalte, der Zeile
Dies ist genau dann der Fall, wenn die Lorentz-Transformation die Gleichung
erfüllt.
Alle Lösungen dieser Gleichung, die die Zeitrichtung und räumliche Orientierung nicht umdrehen, sind von der Form
Dabei sind
Diese Drehungen bilden die Untergruppe SO(3) der Lorentz-Gruppe. Die Matrix
bewirkt die oben angegebene Lorentz-Transformation mit einer Geschwindigkeit
Der hier auftretende Faktor
Die Transformationen
heißen Lorentzboost. Sie transformieren auf die Koordinaten des bewegten Beobachters, der sich mit Geschwindigkeit
Lorentz-Transformationen, die das Vorzeichen der Zeitkoordinate, die Richtung der Zeit, nicht ändern,
bilden die Untergruppe der orthochronen Lorentz-Transformationen.
Wenn die räumlichen Bezugsrichtungen so wie die
Die zeit- und orientierungstreuen Lorentz-Transformationen
bilden die eigentliche Lorentz-Gruppe. Sie ist zusammenhängend: jede eigentliche Lorentz-Transformation kann durch stetige Veränderung der sechs Parameter, drei für die Drehachse und den Drehwinkel und drei für die Relativgeschwindigkeit der beiden Bezugssysteme, in die identische Abbildung übergeführt werden.
Zeit- und Raumspiegelung
Die nicht mit der
oder beide mit den Lorentz-Transformationen multipliziert, die mit der
Geschwindigkeitsaddition
- Hauptartikel: Relativistisches Additionstheorem für Geschwindigkeiten
Im folgenden gilt für die Lichtgeschwindigkeit
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): v=\frac{v_1+v_2}{1+v_1\,v_2}\,.
Man erkennt hieran sofort, dass sich die Lichtgeschwindigkeit bei Lorentz-Transformationen nicht ändert. Ist etwa
Obige Additionsformel ergibt sich aus der Transformation (siehe oben)
und also mit
Setzen wir in
Dies lässt sich leicht nach der Gesamtgeschwindigkeit
Hintereinander ausgeführte Lorentzboosts in verschiedene Richtungen ergeben normalerweise keine Lorentzboosts: die Menge der Lorentzboosts ist keine Untergruppe der Lorentz-Transformationen.
Überlagerungsgruppe
Die folgenden Überlegungen zeigen, dass die Gruppe der linearen Transformationen des zweidimensionalen, komplexen Vektorraumes
Jede hermitesche
Da sie umkehrbar eindeutig durch die vier reellen Parameter
Die Determinante
ist das Längenquadrat des Vierervektors
Multipliziert man
eine Lorentz-Transformation
Die Gruppe
Referenzen
- Charles Kittel, Walter D. Knight, Malvin A. Ruderman: Mechanik (= Berkeley Physik Kurs. Bd. 1). Vieweg, Braunschweig 1973, ISBN 3-528-08351-4, S. 232: Kap. 11.
- Norbert Dragon: Geometrie der Relativitätstheorie.
Einzelnachweise
- ↑ Klaus W. Kark: Antennen und Strahlungsfelder. Elektromagnetische Wellen auf Leitungen, im Freiraum und ihre Abstrahlung. 3., erweiterte Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0553-9, Kap. 3.7.1, S. 46
- ↑ H. Daniel: Physik. Band 2: Elektrodynamik. Relativistische Physik. Walter de Gruyter, Berlin u. a. 1997, ISBN 3-11-010232-3, S. 360–361: Kap. 4.5.1
- ↑ Alan Macdonald, Derivation of the Lorentz transformation. In: American Journal of Physics. Vol. 49, Issue 5, 1981, ISSN 0002-9505, S. 493, aktualisierte Version.