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洛伦兹变换实质是什么？
光速,以太,爱因斯坦洛伦兹变换实质是什么？
发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：
问题补充： 是单纯的为了满足光速不变原理而凑出来的吗？
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
这是一个好问题，问题本身解释了为什么我们说爱因斯坦是史上最伟大的两个物理学家之一，而洛伦兹不是。
洛伦兹时代，物理学家们已经发现一个令人如丧考妣的实验事实：不管怎么测量，从那个方向什么速度的运动参考系下测量，真空光速都不变。
这个世界末日般的实验结果表明：1. 牛顿/伽利略时代的速度观在接近光速时失效。2. 以太看起来不存在，以太不存在那绝对空间就无从谈起。3. 绝对时间似乎也不是很可靠。
在牛顿大厦即将倾覆之时，洛伦兹童鞋一拍脑袋，凑出了洛伦兹变换，好歹暂时撑住了摇摇欲坠的大厦。
但恐怕没有一个物理学家包括洛伦兹自己对这个大补丁是满意的。
这时爱因斯坦出场了。
狭义相对论横空出世，对于当时的物理学家们来说，狭义相对论非常好理解（不同于之后的广义相对论），就像大家一直在苦思冥想的谜语，爱因斯坦第一个说破了。
理解狭义相对论只需要三句话：
1. 相对性！没有绝对时空，特别是没有绝对时间！这是最简单也最关键的一点，几乎所有的佯谬都在这里，几乎所有想不明白的初学者都是因为没有彻底驱散脑子中潜在的绝对时间观。这正体现了爱因斯坦的明快思维：既然绝对时空漏洞百出，那与其不停打补丁，不如直接假定相对性。
2. 在任何参考系下测量的真空光速不变。这再次体现出爱因斯坦的明快思维：既然你们实验物理学家测出来的光速不变，与其绞尽脑汁想理由，不如直接假定这就是物理规律。
3. 时间和空间在数学上不可割裂，一起构成一个4维伪欧几何（3个实轴为空间，时间是虚轴ict）。这里体现出爱因斯坦非凡的数学感觉，敏锐的意识到运动其实是个纯几何问题，并找到了最合适的数学工具来描述。
这个伪欧几何又被称为闵可夫斯基空间，数学上出奇的简单，应用在物理上更是势如破竹，比如，洛伦兹变换根本就不再需要定义了。在闵可夫斯基空间里，这是连中学生都能推导出来的必然结果。
比如我们计算时间膨胀：
当前参考系下（用本参考系的时钟和尺子）测量到一运动物体在t时间移动了距离s，则速度为v=s/t。
那么根据相对性原则，该运动物体自己的时间是其世界线长度/v，即起始时空点（0,0）到终止时空点（ict，s）的线段长度/v。
根据勾股定理，该线长度为：
√(ict)²+s²
= √-c²t²+v²t²
= vt*√1-(v/c)²
这个膨胀因子√1-(v/c)²，就是洛伦兹为了对上实验数据绞尽脑汁凑出来的变换公式，在闵可夫斯基几何里就是如此显然的数学结论。
不过为了安慰洛伦兹童鞋，物理学界还是慈悲的把这个因子命名为洛伦兹因子。
回答于 2019-09-11 08:43:50
实质就是“光速不变”，这里的“不变”当然不是指光速在真空中的速度是30万公里每秒，而是在光相对论任何参照系的速度都是光速，它不会改变！
举个简单的例子，一辆小汽车以100公里的时速形式，你（静止状态）看到车灯发出的光的速度不是光速+100公里每小时，而仍旧是光速！即使小汽车以0.999倍光速行驶，车灯发出光的速度也还是光速！
光速不变原理一开始只是爱因斯坦为了求解麦克斯韦方程组而提出的假设，不过这个假设能够让很多问题变得简单，迎刃而解，于是“光速不变原理”就被当成“公理”来使用，而公理是不需要去证明的！
直到今天，科学家们仍旧没有发现任何违反“光速不变原理”的现象存在。所以，尽管光速不变原理给人的感觉有些怪怪的，我们不知道为什么光速不变，但除非你有比“光速不变原理”能更好地解释麦克斯韦方程组的理论还有很多其他物理现象，否则请接受光速不变原理，认同它就是一个公理，就像“两点之间直线最短”这个公理一样，不需要我们去证明！
后来洛伦兹变换公式也成了爱因斯坦狭义相对论中最重要的方程式之一！
回答于 2019-09-11 08:43:50
在经典力学的伽利略变换下，任何物理现象都是协变的，也就是基本形式相同。详情请看我另外一篇文章“相对论前的热身，伽利略变换，对！斜塔扔铁球的那个伽利略“。
在19世纪后期，标志着经典动力学大获成功的麦克斯韦方程组出现了。但是这时候人们发现，麦克斯韦方程组在伽利略变换下，不满足协变性。这就相当于经典力学这座建筑的内部出现了缺陷。同时，通过麦克斯韦方程组解得的电磁波波动方程可以得出，在真空中的光速是个常数。当时的经典力学捍卫者们，使出浑身解数去解释这些现象，认为存在一个绝对静止的惯性参照系：以太。以太参照系被假想成电磁波和光的传播介质。
当时，1887年的迈克耳孙-莫雷实验测量不到地球相对于以太参照系的运动速度。这就证明了以太是根本不存在的。这时候，一个伟大的人物站了出来，他就是洛伦茨。他试图去解释迈克耳孙-莫雷实验测量结果和麦克斯韦方程组与经典力学的冲突。根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，抵消了不同方向上由于光速差异，这样就解释了迈克耳孙-莫雷实验的零结果。
洛伦茨变换
洛伦兹提出洛伦兹变换是基于以太存在的前提的，然而以太被证实是不存在的。所以，时代的局限性和学术立场让洛伦茨失去了发现相对论的机会。
洛伦茨变化的数学形式：
还记得伽利略变换吗？
对比一下，当物体运动的速度v与光速相比来说很小的话，那么洛伦茨变换中的1 - v^2/c^2近似等于1。也就是说，经典力学世界是一个相对于光速的低速运动世界，洛伦茨变换可以与伽利略变换完美的接洽上。
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