现在根据这两个事实,推导坐标的变换式
设想有两个惯性坐标系分别叫S系、S'系,S'系的原点O‘相对S系的原点O以速率v沿x轴正方向运动。任意一事件在S系、S'系中的时空坐标分别为(x,y,z,t)、(x',y',z',t')。两惯性系重合时,分别开始计时
若x=0,则x'+vt'=0。这是变换须满足的一个必要条件,故猜测任意一事件的坐标从S'系到S系的变换为
x=γ(x'+vt') (1)
式中引入了常数γ,命名为洛伦兹因子 (由于这个变换是猜测的,显然需要对其推导出的结论进行实验以验证其正确性)
在此猜测上,引入相对性原理,即不同惯性系的物理方程的形式应相同。故上述事件坐标从S系到S'系的变换为
x'=γ(x-vt) (2)
y与y'、z与z'的变换可以直接得出,即 y'=y (3) z'=z (4)
把(2)代入(1),解t'得
t'=γt+(1-γ^2)x/γv (5)
在上面推导的基础上,引入光速不变原理,以寻求γ的取值
设想由重合的原点O(O')发出一束沿x轴正方向的光,设该光束的波前坐标为(X,Y,Z,T)、(X',Y',Z',T')。根据光速不变,有
X=cT (6) X’=cT' (7)
(1)(2)相乘得 xx'=γ^2( xx'-x'vt+xvt'-v^2*tt') (8)
以波前这一事件作为对象,则(8)写成
XX'=γ^2(XX'-X'VT+XVT'-V^2*TT') (9)
(6)(7)代入(9),化简得洛伦兹因子
γ=[1-(v/c) ^2]^(-1/2) (10)
(10)代入(5),化简得
t'=γ(t-vx/c^2) (11)
把(2)、(3)、(4)、(11)放在一起,即S系到S'系的洛伦兹变换
x'=γ(x-vt), y'=y, z'=z, t'=γ(t-vx/c^2) (12)
根据相对性原理,由(12)得S'系到S系的洛伦兹变换
x=γ(x'+vt'), y=y', z=z', t=γ(t'+vx'/c^2) (13)
下面求洛伦兹变换下的速度变换关系
考虑分别从S系和S'系观测一质点P的运动速度。设在S系和S'系中分别测得的速度为u(j,n,m)和u'(j',n',m')
由(12)对t'求导即得 S系到S'系的洛伦兹速度变换
j'=(j-v)/(1-vj/c^2),
n'=n/[γ(1-vj/c^2)^-1],
m'=m/[γ(1-vj/c^2)^-1] (14)
根据相对性原理,由(14)得S'系到S系的洛伦兹速度变换
j=(j'+v)/(1+vj'/c^2),
n=n'/[γ(1+vj'/c^2)^-1],
m=m'/[γ(1+vj'/c^2)^-1] (15)