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闵氏几何与狭义相对论

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有人说:“人生几何?何必拼命学几何?学了几何有何用?不学几何奈我何?”
老梁说:“不学几何,无奈你何。一提相对论,保证差得多,概念一出错,理解难深刻。若想砍柴快,劝君把刀磨!”
这里的“磨刀”自然是指学习几何。狭义相对论的背景时空是闵氏时空,其对应的闵氏几何自然成为剖析狭义相对论的重要工具。
废话不多说,直接进入主题,先来一些基础概念,如下:
1、 时空图
时空图是由时间坐标t,和空间坐标x组成,但空间应该是三维的,用数学上的笛卡尔坐标系表示的话,应该是x,y,z,而整个时空用坐标表示的话,记为{t,x,y,z},一般把时间维t放在第一。而画在图上时,三个空间维只画成一个x。因为顶多只能画出三个维度,而时间维又必须显示出来,所以干脆就把三个空间维压缩成一维,还是用x表示。这种处理,正好对应于洛伦茨变换中的y'=y,z'=z的情况,即只讨论x轴方向上的运动,默认在y,z轴方向上无相对运动。时空图如下图1


IP属地:江苏1楼2014-07-10 22:49回复
    2、世界线
    一个质点的全部历史由一系列事件组成,因此对应于时空中的一条曲线,称为该点的世界线。在时空图上每一点都代表着一个事件,每一条由事件组成的世界线,都是这个质点的历史轨迹。由定义可知,世界线是随时间变化的。
    比如一个静止在x轴A处的质点P,经历了一段时间,这句话如何用几何描述?如图2,直线L就是P点的世界线——→随时间t增大,而空间位置A没有变化,所以称为静止于A点。


    IP属地:江苏2楼2014-07-10 22:57
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      现在在A点有另一个质点Q,以一定速度做匀速直线运动了一段时间,如何表示?如图3,这里稍加讨论。直线AC就是Q点的世界线!。在AC上任意一点的速度都相同,如何得出的呢?既然Q点做匀速直线运动,那质点Q的路程是AB段(别想当然地认为是AC段,路程是单纯的空间量,即世界线投影在x轴上的线段),而时间量就是BC段,即C点的速度V(C)=AB/BC,同理,V(E)=AG/GE,V(D)=AF/FD,这几个比值显然相等,即直线AC上任意一点的速度都相同——→匀速直线运动的世界线是斜直线,其速度大小与直线的斜率有密切关系。


      IP属地:江苏3楼2014-07-10 23:10
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        若质点做加速运动,又该如何表示呢?如图4,直线L就是加速运动的质点的世界线。因为线上任意一点的切线的斜率都不同,所以其速度也时刻在变化——→加速运动的质点的世界线是曲线。


        IP属地:江苏4楼2014-07-10 23:13
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          现有两个质点P和Q,P静止于空间A点,Q绕A点做匀速圆周运动。如图5:
          直线不用说当然是P的世界线。
          类似正弦曲线M是质点Q的世界线。
          平面圆周上的a,b,c,d对应于曲线上的a,b,c,d (圆周运动,同时又随时间变化,所以就像弹簧一样拉伸,成了正弦曲线)


          IP属地:江苏5楼2014-07-10 23:19
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            光子的运动轨迹,即光子世界线
            光子的世界线如何表示?如图6。闵氏几何中采用几何单位制,即光速C=1。(V光=x/t=1——→x=t)即45°过原点O的斜直线。
            如上面的光作为正程的话,则反程光C=-1,即135°过原点O的斜直线。(用正反程光子世界线组成的线簇可以用来作为基准,衡量时空图上各个惯性坐标系的刻度)
            正反程光子世界线,把时空图分为三个区域。
            ①A,B称为“类时区域”;②C,D称为“类空区域”;③两条光子世界线的线上,称为“类光区域”


            IP属地:江苏6楼2014-07-10 23:32
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              现在把“人为因素”去掉(即撤销坐标系),只保留时空本质。如图7
              这个沙漏状的图形就叫光锥,相信大家非常熟悉。两根交叉的线就是正反程光子世界线;上下两端的椭圆,叫波前阵面,即在某时间点上的所有事件集合。(时间是无限增大的,但图示有限,画不出无限大的圆锥,所以用任意一时间截面代替无限远)
              L是代表任意运动状态的质点的世界线。但因为光速的限制,L是跑不出A,B区域的,即质点的世界线总在它自身的“类时区域”内。


              IP属地:江苏7楼2014-07-10 23:40
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                3、惯性正交坐标系
                时空图上的各种惯性参考系都是正交的。现在有两个惯性参考系O和O',它们之间有相对速度。在图上如何描述?如图8:
                O系是静止于读者,O‘系与读者有相对速度。不管O系还是O’系,它们自身都是正交的。只不过O‘系视觉不正交而已。
                时空图上的两个惯性参考系。现有一事件P,从O系看,P的空间位置在a点,时间刻度在b点;从O’系看,P的空间位置在c点,时间刻度在d点。——→所以说,同一个事件,在不同的参考系下,其空间位置和时间刻度都不一样——→这正是尺缩钟慢的内在原因。


                IP属地:江苏8楼2014-07-10 23:52
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                  若是以O‘系为基准,看O系,是如何表示?(所有惯性系都平权,不单是静止读者的O系才有权享受“视觉正交”)
                  所有惯性系必须自身正交,且两轴对称于光子世界线。
                  第二幅图画法错误。原因是光速不变,C=1恒定。在光子世界线上取一点,发现其比值不为1。


                  IP属地:江苏9楼2014-07-10 23:57
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                    4、闵氏几何
                    闵氏几何又称伪欧几何,因为它与欧氏几何很相似,都是平直的几何。但在根源上有差异,那就是度规的不同。
                    度规在本质上是一种张量,用表示所有的一般性的度规。不同的几何都有各自不同的度规,欧氏几何对应欧氏度规,同理,闵氏几何有闵氏度规
                    不管时空是何种,平直还是弯曲,两点之间的线元ds,总满足下面这个张量等式:

                    欲谈闵氏几何,还是先来谈谈最最熟悉不过的欧氏几何吧。
                    欧氏度规的四维矩阵形式:,这是个简单的单位矩阵,主对角线元素都是1,其余部分都是0。
                    三维形式:;二维形式


                    IP属地:江苏11楼2014-07-11 00:21
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                      下面以四维为例子,看看线元表达式是否是我们熟悉的样子。

                      上式遵从爱因斯坦求和约定,对μ,ν指标求和,而省略求和号(意思是μ和ν各自跑遍0,1,2,3)
                      时,右式中的与矩阵的主对角线中的四个1对应相乘。
                      当μ≠ν时,与矩阵中的十二个0相乘,结果当然为0,不用写出。
                      所以,线元形式为:
                      这里中的0,1,2,3不是幂指数,而是指标。意思是第“0”号x,第“1”号x,第“2”号x,第“3”号x


                      IP属地:江苏12楼2014-07-11 00:40
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                        太晚了。。。明天再更吧,估计是没人看的


                        IP属地:江苏13楼2014-07-11 00:42
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                          (接上贴)。那么物理学家就把伽利略坐标系分别对应入座:
                          那么四维线元形式(物理上):
                          退化为二维线元:对应二阶的矩阵

                          上式的线元公式对应(这是一个圆)
                          意思是在欧氏几何中由于存在欧氏度规,其线元的几何意义是:定点到定长的集合是圆


                          IP属地:江苏本楼含有高级字体19楼2014-07-12 01:23
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                            下面来看看闵氏几何。
                            闵氏度规记为
                            其对应的四阶矩阵形式是
                            三阶矩阵是
                            二 阶矩阵是
                            两种度规最大的不同之处就是前面我所说的根源,即第一项,欧氏为”+1“,闵氏为”-1“。
                            那么,闵氏线元的四维形式(数学上)是:
                            同理,物理学家还是把伽利略坐标系对应入座,其四维线元形式(物理上)是:
                            退化为二维,即二维的闵氏度规所对应的二阶矩阵是
                            那么,二维闵氏线元是
                            上式对应于公式
                            这是一个双曲线。


                            IP属地:江苏21楼2014-07-12 01:49
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                              在闵氏几何中,由于存在闵氏度规
                              其线元的几何意义是:定点到定长距离的集合是双曲线。
                              欧氏几何是圆,而闵氏几何是双曲线!

                              |OA|=|OB|=|OC|<|OD|
                              定点O与双曲线上任意一点的距离都相等。(这结论当然是在闵氏几何中,若这是欧氏几何,这结论就应该改为楼上那贴中所说的”圆“)


                              IP属地:江苏22楼2014-07-12 02:06
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