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閔考斯基時空じくう

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重定しげさだこう闵可おっと斯基そら



赫尔曼·闵可おっと斯基(1864-1909)发现せま义相对论ざい利用りよう闵可おっと斯基时空这一四维空间时更容易理解。

闵可おっと斯基时空(Minkowski spacetime)またしょう闵可おっと斯基そら(Minkowski space),ざい数学すうがく物理ぶつりがくちゅうゆびよしさんおう几里とくそらあずか时间组成てきよんながれがた,其中任意にんい两个事件じけん间的时空间隔あずかところあきらてき惯性けい无关。つきかん赫尔曼·闵可おっと斯基一开始是为了电磁理论的むぎかつ斯韦かたほど而发てん一理いちり论,ただし闵可おっと斯基时空てき结构却可以从せま义相对论てきおおやけ直接ちょくせつ推出。[1]

闵可おっと斯基そら间与おもね尔伯とく·爱因斯坦てきせま义相对论紧密しょう关,并且せま义相对论さい常用じょうようてき数学すうがくひょうじゅつ结构。おう几里とくそら间的单个分量ぶんりょう以及时间可能かのうかいいん长度おさむ以及时间膨胀とうこう应而发生变化,ざい闵可おっと斯基そら间中,不同ふどう参考さんこうけいちゅう两个事件じけん间的时空总距离则一致いっちてき[nb 1]过由于时间维あずか三个空间维度的处理方式仍存在不同之处,闵可おっと斯基そら间与四维欧几里德空间仍是不同的。

ざい三维欧几里德空间(如伽りゃくあい对性原理げんりなかてきそら间)ちゅうおう几里とくぐんえいEuclidean group其中てきとう距群そく以保证正则おう几里とく距离变的うつ)。它是ゆかり旋转反射はんしゃ以及ひらうつり生成せいせいてきとうしょう时间さく为第四个维度考虑在内时,时间てきたいらうつり以及とぎりゃく递升えいGalilean boost就需ようこう虑在ないよし上述じょうじゅつひさげ及的变换しょ构成てきぐんしょうさくとぎりゃくぐん所有しょゆうてきとぎりゃく变换证三维欧几里德距离不变。这个距离ただそら间上てき距离。时间则独立どくりつ于空间,どう保持ほじ变。ざいせま义相对论ちゅうそら间和时间则会互相かげ响。

闵可おっと斯基そら间对于时そらてきひょうじゅつじょ不定ふてい退化たいかそう线性形式けいしき完成かんせいてき。这一形式在下文中会依据语境不同被叫作“闵可おっと斯基规”、[2]“闵可おっと斯基范数平方へいほうある“闵可おっと斯基ない积”[nb 2]闵可おっと斯基ない积是ざい两个事件じけんてきすわ标差りょうさく为自变量时对时空间隔てい义的。[3]ざい引入这种ない积后,时空てき数学すうがく模型もけい就被さけべさく闵可おっと斯基そら间。对应于伽りゃくぐん,闵可おっと斯基时空中保なかほ证时そら间隔变的变换ぐんさけべさく庞加莱群”。

总体而言,とぎりゃく时空あずか闵可おっと斯基时空ざいさくりゅうがた时是完全かんぜんしょうどうてき们之所以ゆえん不同ふどういん为定义于其上てき结构不同ふどうてき前者ぜんしゃゆうてきおう几里とく距离,独立どくりつ于空间的时间以及よしとぎりゃく变换相互そうご关联てき惯性けい,而后しゃゆうてき闵可おっと斯基规和よしらく伦兹变换相互そうご关联てき惯性けい

历史

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四维欧几里德时空

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とおる·庞加莱ざい1905ねんいたり1906ねん间发现当はた时间さく为一个虚坐标ict(其中c光速こうそくiこれ虚数きょすう单位)并与三个表示空间的实坐标共同组成四维时空时,らく伦兹变换就可以看さく这一时空中的坐标旋转。[4]せま义相对论以保证这个量:

ざい两个惯性けい间的すわ标变换,也就らく伦兹变换,ぜんきさき保持ほじ变。

ちゅう:此处及以公式こうしき使用しようりょう几何单位せいそくれいc=1てき单位せい所以ゆえんざい这种单位せいtx,y,zりょう纲相どう

这里对于光速こうそくcあきら庞加莱的做法做了归一处理。ざいゆかり提出ていしゅつてきそら间中,すわ标空间是どおり(t, x, y, z) ↦ (x, y, z, it)构造てきらく伦兹变换ざいすわ标空间中さく为普どおりてき旋转变换

变。きさき一种表述可以让前面的表述更为容易理解[nb 3]ただし两式ちゅうtところ表示ひょうじてき不同ふどう前者ぜんしゃ表示ひょうじてき惯性けいちゅう测得てき固有こゆう时间本身ほんみきさきしゃ表示ひょうじてき时间坐标)也可能会のうかい造成ぞうせい混淆こんこう

无论ざいすわ标空间还ざい实际てき时空ちゅうざいよし两个そら间单りょう确定てき平面へいめんちゅうてき旋转就是通常つうじょう义上てき旋转。过当个平めんよし一个时间单位矢量以及一个空间单位矢量确定的时候,其中てき“旋转”しょうさくらく伦兹递升えいLorentz boostあずかおう几里とく旋转就不相似そうじりょう

赫尔曼·闵可おっと斯基もと于这一构想在四维空间中重新阐释了むぎかつ斯韦かたほど,并展示てんじりょう其在らく伦兹变换ぜんきさきてき变性。[5]また进一步在四维空间中重新表述了爱因斯坦的狭义相对论,よし此总结出时间与そら间应该做しょうどうてき处理,并提出ていしゅつりょう事件じけんざい一个统一的四维时空连续统ちゅう发生てき概念がいねん

闵可おっと斯基そら

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1908ねんざいゆう关“そら间与时间”てき讲座ちゅう,闵可おっと斯基また利用りよう另一种方式来阐释这种四维时空。[6]しょうきょてき时间坐标替换为实的时间坐标,并利用りよういち个四维实りょうそららいひょうじゅつ时空てきよん个自变量(x, y, z, t)。这个そら间中てきてんあずか时空ちゅうてき事件じけんいちいち对应。ざい这个时空ちゅう还有いち个特别的ひかりそら间中不在ふざいこう锥上てきてん以依すえ它们与こう锥的关系划分为“类空”ある“类时”。这与现今对时そらてき认知基本きほん一致いっち过那种将时间さく为虚すわ标的做法よし于某些原因げんいん仍在せま义相对论以及量子りょうし场论ゆうしょ应用。はた时间さく为实坐标的闵可おっと斯基そら间与はた时间さく为虚すわ标的四维欧几里德空间之间的转换叫作かつ转动[nb 4]

ざい闵可おっと斯基てき论文ちゅう下面かめんてい义的闵可おっと斯基规叫さく“线元素げんそ”,わたる特定とくていりょうせい交性(本人ほんにんさけべさくせい规性”)てき闵可おっと斯基ない积没ゆう命名めいめい,而闵おっと斯基范数平方へいほう则叫さく”。

闵可おっと斯基图闵可おっと斯基使用しようてきいち重要じゅうようてき工具こうぐ利用りよう这一工具来定义概念并展示了洛伦兹变换的一些性质(固有こゆう时间长度おさむ),并提供ていきょうりょううし顿力がく推广到しょう对论力学りきがくてき几何かい释。ゆう关这些话题请参看さんかんしょう关条下面かめん主要しゅよう展示てんじてき主要しゅよう利用りようよし时空りゅうがたじょうてき时空间隔变性いたてき闵可おっと斯基そら间的数学すうがく结构(闵可おっと斯基规、ゆかり它推导出てきりょう以及さく为时そら对称ぐんてき庞加莱群),包括ほうかつ具体ぐたい应用以及时空间隔变性てき推导。这个数学すうがく结构提供ていきょうりょう目前もくぜん广义しょう对论以外いがい所有しょゆうしょう对论论的背景はいけい。对于广义しょう对论,闵可おっと斯基时空仍可さく为局平坦へいたんてき弯曲时空てき发点。

闵可おっと斯基本人ほんにん对于てき这种おもしん阐释方法ほうほうゆう这样てき评价:

わがそうようざい从实验物理学りがく土壤どじょうちゅう勃发てき论)したうめおけてき时空观在さと拥有它自身じしんてき力量りきりょう。它是げき进的。此,单是そら间或时间はた没入ぼつにゅう阴影なかただゆう它们てき合体がったいざいかい维系いち独立どくりつてき现实。

——赫尔曼·闵可おっと斯基,1908-1909[6]

さら进一步的历史方面的信息,请参阅Galison (1979), Corry (1997) and Walter (1999)。

数学すうがく结构

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ほん展示てんじりょう球面きゅうめんじょうてきてんxてききりそら间。这个りょうそら间可以看さく3てきそら间。其中的矢まとやりょう则叫さく“几何きりりょう”。どう平坦へいたん时空ちゅうにん一点的切空间可以视为时空的子空间。

しも文中ぶんちゅう,时空はた赋以对应ぼう惯性けいてきすわ标系。这样就可以得いたいち个的原点げんてん。这个げん点在てんざい时空构造为矢りょうそら间的过程ちゅう重要じゅうようつきかん物理ぶつり义来说这样的いち个正则原てん(时空てき中心ちゅうしん事件じけん)并不需要じゅよう存在そんざいひと们可以构づくり具有ぐゆうさら简单结构てき时空,仿射そらただし这会添加てんか必要ひつようてき讨论,并且不能ふのう反映はんえい平坦へいたんそら间目ぜん如何いか从数がくじょう处理てき

总体而言,闵可おっと斯基そら间是一个四维实矢量空间。时空ちゅうまい个点てききりそら间上具有ぐゆう退化たいか对称そう线性形式けいしき,这里しょうさく“闵可おっと斯基ない积”,规符ごうえいmetric signature(+ − − −)ある(− + + +)まい事件じけんてききりそら间是一个具有与时空相同维度的四维矢量空间。

きりりょう

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きりそら间在实际应用ちゅう可能かのう并不かいわたる及。闵可おっと斯基そら间的きりそら间的せい质可以让じん们拥ゆう利用りよう闵可おっと斯基そら本体ほんたいさと的矢まとやりょう标示きりそら间中量的りょうてき规范方法ほうほうれい请参见Lee (2003,Proposition 3.8.)。标识てき过程通常つうじょう利用りよう数学すうがく方法ほうほう完成かんせいてき。它们以在直角ちょっかくすわ标系ちゅう表示ひょうじ为:[7]

其中きりそら间的もとてい义为:

这里てきpq任意にんいてき两个事件じけんきさき一种标示叫作平行へいこううつりだいいち种标しめせ利用りようそら间本たいちゅう的矢まとやりょうらい表示ひょうじきりそら间中量的りょうてき规范方法ほうほうきりそら间的もとかい现一阶微分符号就是因为这种标示方式。这种标示方式ほうしきとくえき于几なんきりりょう以与いち平滑へいかつ函数かんすうてき方向ほうこう导数いちいち对应。这使とくりゅうがたちゅうてききり量的りょうてきてい义不必基于n。这种てい义切りょう方式ほうしき并不唯一ゆいいつてきつう过普どおりてきnもとりょう也可以定义切りょう

はたきり量定りょうてい义为普通ふつう量的りょうてき方法ほうほう

ざい直角ちょっかくすわ标系(对应于惯せいけい),てんp处的きりりょう以定义为4 × 1てきれつりょうv。它通过洛伦兹变换ΛらむだあきらvΛらむだvざい惯性けい间变换,あずかすわxμみゅーてき变换方式ほうしきしょうどう具体ぐたいらい说,就是:

这种てい义在标准どう构下あずかうわぶん给出てきてい义等价。

pてん处的きりりょうゆう时还かいpてん处的“うつりりょう表示ひょうじあずか上面うわつら规范标示方法ほうほう基本きほんしょうどおり[8]上述じょうじゅつもと于数がく背景はいけいかい绍的りょう表示ひょうじ方法ほうほう以在Misner,Thorne & Wheeler (1970)找到它们物理ぶつりてきあるさら具体ぐたいてき几何背景はいけい

標準ひょうじゅん基底きてい

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閔可おっと斯基時空じくうてき一組常用標準基底是四個互相正交的向量的集合(e0, e1, e2, e3) 使つかいとく

這些條件じょうけん以更簡要うつしなり如下形式けいしき

其中μみゅーあずかνにゅー涵蓋てきすう值有{0, 1, 2, 3},のりじんηいーたたたえため閔可おっと斯基ぶんまわしかず值為

相對そうたいいちくみ標準ひょうじゅん基底きてい一向いっこうりょう てき分量ぶんりょう以寫さくなみ且我們使用しようあいいん斯坦標記ひょうきらいうつし分量ぶんりょうしょうさく てきるい分量ぶんりょう」(timelike component),而其さん分量ぶんりょうそくしょうさくるいそら分量ぶんりょう」(spatial components)。

以分りょうらいうつし兩個りゃんこむこうりょうあずかあいだてき內積うつしなり

而一むこうりょうてきはんすう(norm)平方へいほう值為

らく伦兹变换对称せい

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因果いんが結構けっこう

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よん維矢りょう依據いきょ它們(閔可おっと斯基)內積てき正負せいふごうらい區分くぶんよん維矢りょうあずか分類ぶんるい如下:

  • これるい(timelike),わか且唯わか
  • これるいむなし(spacelike),わか且唯わか
  • これれい(null)あるしょうるいこう(lightlike),わか且唯わか

這樣てき術語じゅつごげん相對そうたいろんちゅうたい於閔おっと斯基時空じくうてき使用しよう。閔可おっと斯基空中くうちゅう一事件所有零向量的集合構成了該事件的ひかりきり(light cone)。注意ちゅういいた這些標記ひょうきてき使用しようあずか參考さんこうけい無關むせき

こうりょうじょうしょうさくるいるいむなしあるれいじょう定義ていぎ所在しょざいてきかくてん,其所對應たいおうてきむこうりょうるいるいむなしあるれい

せき於零むこうりょういち有用ゆうようてき結果けっか:「わか兩個りゃんこれいこうりょうせい交(そくれい內積值),のり它們必定ひつじょうてい比例ひれい關係かんけいため常數じょうすう)。」

一旦いったん時間じかん方向ほうこう選定せんていりょうるいむこうりょうあずかれいこうりょう以再ぶんため各種かくしゅ類別るいべつ。以類むこうりょう(timelike vector)らいせつわが們有

  1. 未來みらい方向ほうこう(future directed)るいむこうりょう,其第いち分量ぶんりょうためただし
  2. 過去かこ方向ほうこう(past directed)るいむこうりょう,其第いち分量ぶんりょうためまけ

以零むこうりょう(null vector)らいせつ可分かぶんためさん種類しゅるいべつ

  1. じゅんれいこうりょう(zero vector),其在任ざいにんなん基底きてい所有しょゆう分量ぶんりょうみなため(0,0,0,0)
  2. 未來みらい方向ほうこうれいこうりょう,其第いち分量ぶんりょうためただし,而其あまり分量ぶんりょう为0。
  3. 過去かこ方向ほうこうれいこうりょう,其第いち分量ぶんりょうためまけ,而其あまり分量ぶんりょう为0。

うえるいそらむこうりょう全部ぜんぶ共有きょうゆうろく種類しゅるいべつ

閔可おっと斯基空中くうちゅうてきせい交歸いち基底きてい(orthonormal basis)必然ひつぜん包含ほうがん一個類時與三個類空的單位向量。わか希望きぼう以非せい交歸一基底來做運算,のりゆう其他てきむこうりょう組合くみあいれい如:以輕けんいちしゅせい交歸いち基底きていせいよしれいこうりょうしょ組成そせいしょうためれい基底きてい」(null basis)。

推广

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几何

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{{闵可おっと斯基そら间是せま义相对论ちゅうてきいち概念がいねん,它由一个时间维和三个空间维组成。ざい这个よん维时空中くうちゅう不同ふどうてき惯性参考さんこうけい间的すわ标变换可以通过洛伦兹变换らい描述。闵可おっと斯基そら间的几何义在于,它提供ていきょうりょう一种度量时空间隔的方法,这种度量どりょうどおり过闵おっと斯基规来てい义的⁴。

ざい闵可おっと斯基そら间中,时空间隔(也称为线もと保持ほじ变,そく使つかいざい不同ふどうてき惯性参考さんこうけいちゅう观察。这个变性せま义相对论ちゅうしょう对性原理げんり和光わこうそく原理げんりてき数学すうがくひょうじゅつ具体ぐたいらい说,如果ざいいち个惯せい参考さんこうけいちゅう,两个事件じけんてき时空间隔 \( ds^2 = -c^2dt^2 + dx^2 + dy^2 + dz^2 \),么在另一个惯せい参考さんこうけいちゅう,这个间隔 \( ds^2 \) 也是しょうどうてき。这表明ひょうめいりょう时间そら间是相互そうご联系てき不能ふのう单独こう虑¹²。

闵可おっと斯基そら间对わが理解りかい四维或多维空间有重要意义,它不仅简りょう对狭义相对论てき理解りかい,而且ざい物理ぶつりがくちゅう引入りょうだか维时そらてき概念がいねん,对物理学りがくてき发展产生りょうふか远影响⁵。ざい现代物理ぶつり论中,如弦论,闵可おっと斯基そら间的概念がいねん也被扩展いたさらだか维的时空ちゅう。总的らい说,闵可おっと斯基そら间是现代物理ぶつりがくちゅう一个基础且强大的工具。

註釋ちゅうしゃく

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  1. ^ 这使とく时空间隔なり为了いち个不变量。
  2. ^ 使用しよう统一的术语来表述这个双线性形式是有必要的。过由于目ぜん并没ゆう标准术语,いん而只とく使用しよう这一并不“标准”てき方式ほうしき
  3. ^ x2 + y2 + z2 + t2 = R2 > 0これ4なかてきさん维球めん以保证R2变的线性变换旋转就是反射はんしゃ
  4. ^ かつ转动以在みちみち积分ちゅう对于ざい“复时间平めんじょう利用りようとめすう定理ていり处理沿时间轴てき一些特定的积分时促进收敛。

引注

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  1. ^ Landau & Lifshitz 2002だい5ぺーじ
  2. ^ Lee 1997だい31ぺーじ
  3. ^ Schutz, John W. Independent Axioms for Minkowski Space-Time illustrated. CRC Press. 1977: 184-185 [2017-07-23]. ISBN 978-0-582-31760-4. (原始げんし内容ないようそん于2020-09-05).  Extract of page 184页面そん档备份そん互联网档あん
  4. ^ Poincaré 1905–1906だい129–176ぺーじ Wikisource translation: On the Dynamics of the Electron
  5. ^ Minkowski 1907–1908だい53–111ぺーじ *Wikisource translation: The Fundamental Equations for Electromagnetic Processes in Moving Bodies.
  6. ^ 6.0 6.1 Minkowski 1907–1909だい75–88ぺーじ Various English translations on Wikisource: "Space and Time."
  7. ^ Lee 1997だい15ぺーじ
  8. ^ Lee 2003,chapter 3

參考さんこう文獻ぶんけん

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まいり

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外部がいぶ連結れんけつ

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