Lorentz-Transformation: Drehung & Lorentz-Boost
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Lorentz-Transformation als Drehung
Eine Drehung in der Raumzeit bedeutet, dass nur der Ortsvektor \(\boldsymbol{r} = (x,y,z)\) im dreidimensionalen Raum gedreht wird, ohne die Zeit \(t\) bei der Transformation zu verändern. Diese Art der Lorentz-Transformation ist auf Inertialsysteme anwendbar, die relativ zueinander in Ruhe sind, das heißt ihre Relativgeschwindigkeit ist Null.
Die Lorentz-Transformation (Matrix \(\Lambda \)) ist von der Form:
Hierbei ist \(\mathcal{R}_{\varphi}\) die Rotationsmatrix, die die Ortskoordinate \(\boldsymbol{r}\) um den Winkel \(\varphi\) dreht.
So sieht eine zweidimensionale Rotationsmatrix \(\mathcal{R}_{\varphi}\) aus:
Die Lorentz-Matrix ist damit eine 3x3-Matrix und sieht folgendermaßen aus:
So sieht eine dreidimensionale Rotationsmatrix \(\mathcal{R}_{\varphi}\) aus, die den Ortsvektor \(\boldsymbol{r}\) um die \(x\)-Achse dreht:
Die Lorentz-Matrix ist damit eine 4x4-Matrix und beschreibt eine Drehung in der vierdimensionalen Raumzeit:
Lorentz-Transformation als Lorentz-Boost
Lorentz-Boost ist eine Lorentz-Transformation, die die Raumzeitkoordinaten eines Systems transformiert, ohne eine Drehung auszuführen.
Schauen wir uns einen Lorentz-Boost in \(x\)-Richtung an. Dazu nehmen wir zwei Inertialsysteme \(S\) und \(S'\), deren Achsen parallel zueinander liegen (das heißt: die Koordinatensysteme sind nicht gedreht relativ zueinander). \(x\) und \(x'\)-Achsen sind parallel, \(y\) und \(y'\)-Achsen sind parallel, genauso wie \(z\) und \(z'\)-Achsen.
Das Inertialsystem \(S'\) bewegt sich mit einer konstanten Relativgeschwindigkeit \(\boldsymbol{v} = v_{\text x} \, \hat{\boldsymbol{e}}_{\text x} \) in \(x\)-Richtung am Inertialsystem \(S\) vorbei und zwar so, dass zum Zeitpunkt \(t = t' = 0\) die beiden Koordinatensysteme übereinanderliegen.
Da sich \(S'\) nur in \(x\)-Richtung bewegt, bleiben alle die zur Bewegungsrichtung senkrechten Abstände \(\text{d}y = \text{d}y'\) und \(\text{d}z = \text{d}z'\) unverändert. Das heißt: In beiden Inertialsystemen ist der \(y\)- und \(z\)-Abstand zweier Punkte gleich. Foglich sind \(\text{d}y'\) und \(\text{d}z'\) unabhängig vom zeitlichen Abstand \(\text{d}t\) und Abstand \(\text{d}x\):
Die Gleichungen 5
und 6
können wir in die Matrixschreibweise übersetzen:
Die Zeitkomponente \(c\,\text{d}t'\) und die Ortskomponente \(\text{d}x'\) haben auch keine Abhängigkeit von den Abständen \(\text{d}y\) und \(\text{d}z\) senkrecht zur Bewegungsrichtung. Sie können aber voneinander abhängen:
Damit vervollständigen wir unsere Lorentz-Matrix in Gl. 7
:
Die Koeffizienten \(A\), \(B\), \(D\) und \(E\), die uns verraten wie sich die Zeit- und Ortskoordinaten transformieren, müssen noch herausgefunden werden. Dazu nutzen wir die Invarianz des Linienelements 2
aus. Das Linienelement \(\text{d}s'^2 ~=~ -c^2\,\text{d}t'^2 + \text{d}x'^2 +\text{d}y'^2 + \text{d}z'^2\) im Inertialsystem \(S'\), ausgedrückt mit Abständen des Systems \(S\), sieht folgendermaßen aus:
Stellen wir Gl. 11
in eine passendere Form um:
Gleichung 12
muss nach der Invarianz des Linienelements, gleich dem Linienelement \(\text{d}s^2 ~=~ -c^2\,\text{d}t^2 + \text{d}x^2 +\text{d}y^2 + \text{d}z^2\) sein. Gleichsetzen und Vergleichen ihrer Koeffizienten ergibt folgendes lineares Gleichungssystem mit vier Unbekannten:
E^2 ~-~ B^2 ~&=~ 1 \\\\
2DE ~-~ 2AB ~&=~ 0 \end{align} $$
Durch das Lösen dieses Gleichungssystems findest du heraus, dass \(D = B \) und \(E = A\) ist. Aus der ersten Gleichung des LGS folgt:
Setzen wir \(A := \gamma \) (übliche Notation) und drücken \(B\) mit \(\gamma \) aus: \(B := -\beta \, \gamma \):
Hierbei ist \(\beta\) eine noch zu bestimmende Konstante. Umstellen nach \(\gamma\) ergibt:
Die Konstante \(\beta\) darf natürlich nicht beliebig sein, denn physikalisch gesehen muss es dimensionslos sein, damit die Einheit stimmt. Außerdem muss für den nicht-relativistischen Fall (d.h. \(v \ll c\)) die Konstante \(\beta \) gegen Null gehen. Beide Bedingungen sind durch \( \beta = \frac{v}{c}\) erfüllt:
Die Matrix in Gl. 10
für den Lorentz-Boost in \(x\)-Richtung ist damit gegeben durch:
Lorentz-Boosts in \(y\)- und \(z\)-Richtung lassen sich analog herleiten.
Die Lorentz-Drehungen und Lorentz-Boosts können natürlich kombiniert werden, indem die entsprechenden Matrizen auf die Raumzeitkoordinaten (dargestellt als Vierervektor) eines Systems hintereinander angewendet werden.
Eine physikalische, skalare oder vektorielle Größe ist genau dann lorentzinvariant, wenn sie sich unter der Lorentztransformation \( \Lambda \) nicht ändert. Das bedeutet konkret: Die physikalische Größe hat immer den gleichen Wert - unabhängig davon, aus welchem Inertialsystem heraus sie beschrieben wird.
Beispiele für lorentzinvariante Größen: Lichtgeschwindigkeit, Ladung und Ruhemasse.