[科普中国]-洛伦兹不变性

简单介绍

洛仑兹不变性就是洛伦兹变换（Lorentztransformation）狭义相对论中关于不同惯性系之间物理事件时空坐标变换的基本关系式。

设两个惯性系为S系和S′系，它们相应的笛卡尔坐标轴彼此平行，S′系相对于S系沿x方向运动，速度为v，且当t=t′=0时，S′系与S系的坐标原点重合，则事件在这两个惯性系的时空坐标之间的洛伦兹变换为，，，，式中；c为真空中的光速。1

不同惯性系中的物理定律必须在洛伦兹变换下保持形式不变。在相对论以前，H.A.洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发，考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换。在洛伦兹理论中,变换所引入的量仅仅看作是数学上的辅助手段，并不包含相对论的时空观。爱因斯坦与洛伦兹不同，以观察到的事实为依据，立足于两条基本原理：相对性原理和光速不变原理，着眼于修改运动、时间、空间等基本概念，重新导出洛伦兹变换，并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容。在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式，狭义相对论的运动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出。2

研究意义不同惯性系中的物理定律必须在洛伦兹变换下保持形式不变。在相对论以前，洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发，考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换。在洛伦兹理论中，变换所引入的量仅仅看作是数学上的辅助手段，并不包含相对论的时空观。爱因斯坦与洛伦兹不同，以观察到的事实为依据，立足于两条基本原理：相对性原理和光速不变原理，着眼于修改运动、时间、空间等基本概念，重新导出洛伦兹变换，并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容。2

在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式，狭义相对论的运动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出。

发展方向狭义相对论与量子力学能否在基本概念上交融、进而以不同于量子电动力学的方式实现更深层次上的统一？这是物理学潜在的大问题，不容忽视。近年来，围绕洛伦兹不变性是否存在“violation”的问题，在极高能宇宙线截断等诸多领域掀起广泛讨论，已成为研究热点。另外，由于超弦理论的“率先垂范”，用非点粒子模型取代质点概念来寻求理论发展的方法正引领主流。因此，在这样的背景下，考虑用量子力学的基本原理特别是测不准原理对狭义相对论——这个长期被视为不可触动的金科玉律——做进一步的完备化改进已经势在必行。

这项工作首先从测不准原理、时空统一性以及时间平移对称性和三维空间球对称性这些被普遍认可的知识出发，在夸克、轻子层次上的粒子建立一个内禀四维时空圆柱体模型。然后，利用这个模型推导出一系列既能兼容狭义相对论的老方程、同时又能满足测不准原理要求的完备化的新方程，从而实现了狭义相对论和量子力学在基本概念层次上的融合。新方程揭示空间、时间、质量、能量等概念具有更丰富的内涵，有助于人们重新认识某些物理现象的本质并解决若干悬而未决的重要问题。新方程以及由新方程导出的结果显示：

1.质量是速度u和无量纲的随机涨落变量ζ的二元函数，ζ(0≤ζ≤1)是在方程推导过程中出现的一个因子，它使得存在于物理过程中的随机性和几率概念自动进入相对论方程；

2.当u=c时，能量并非无穷大，而是达到一个有限的最大值 Emax=1.556×10m0c。这个结果将从根本上消除发散困难，为建立无需重整化的新量子场论奠定基础；

3.洛伦兹不变性破缺（LIV）的存在是不可避免的，破缺系数ξ 也可以被严格计算，其结果显示，速度越高|ξ|越小。对高于4×10eV 的极高能宇宙线质子算出 |ξ|