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ローレンツ変換

ローレンツ変換は、異なる慣性系間で時空座標を変換する公式です。特殊相対性理論の数学的な核心であり、時間の遅れやローレンツ収縮はすべてこの変換から導かれます。

ガリレイ変換との比較

ニュートン力学では、座標変換にガリレイ変換を使っていました。

ガリレイ変換


時間はどの座標系でも同じ。

ローレンツ変換


時間も座標系によって異なる。

ローレンツ変換では、空間座標 の変換に時間 が現れるだけでなく、時間 の変換に空間座標 が現れます。時間と空間が混ざり合うのです。

完全なローレンツ変換

座標系Sに対して、x軸方向に速度 で移動する座標系S’への変換は次のようになります。

ここで です。

逆変換

S’からSへの変換は、 を に置き換えるだけです。

これは相対性原理の帰結です。どちらの座標系も対等であり、変換の形は対称的になります。

時間の遅れの導出

座標系S’の原点()にある時計を考えます。この時計がS’で を刻む間に、Sではどれだけの時間が経過するでしょうか。

を に代入すると、

よって となり、時間の遅れの公式が得られます。

ローレンツ収縮の導出

S’で静止している長さ の棒を考えます。Sから見た長さを測るには、Sにおいて同時刻( 一定)に両端の位置を測定します。

逆変換から なので、 を固定すると です。

(固有長)、(観測される長さ)とすると、

これがローレンツ収縮の公式です。

行列表記

ローレンツ変換は行列を使うとすっきり書けます。

ここで です。この行列は「ローレンツブースト」と呼ばれ、時空における回転の一種とみなせます。