Можем ли мы разложить общий буст Лоренца на вращение, за которым следуют три буста по осям координат?

Для β е р 3 , с 0 < | β | < 1 , обозначим буст Лоренца со скоростью β к

л β ( т , Икс ) "=" ( γ т γ β Икс , Икс + γ Икс γ β т ) , где    γ "=" 1 1 β 2 .
Здесь Икс "=" Икс β β 2 β является компонентом Икс в направлении β , и Икс "=" Икс Икс . (скорость света нормирована на 1 ).

Существует ли пространственное вращение р и α 1 , α 2 , α 3 е ( 1 , 1 ) такой, что

л β "=" л α 1 е 1 л α 2 е 2 л α 3 е 3 р ?

Вращение может перемещать любой единичный вектор так, чтобы он совпадал с любой осью. Итак, существует вращение, которое вращает β к е 3 ось. Так да; просто ищите такое вращение и потом выбирайте α 3 "=" | β | и α 2 "=" α 1 "=" 0 .
@Dwagg: Разве вам не нужно второе вращение после ускорения?
Коммутатором двух бустер-генераторов является генератор вращения. И у вас есть л ф "=" опыт ( я ф Б ) , где Б "=" ( Б Икс , Б у , Б г ) представляет собой тройку импульсных генераторов. Тогда ваш вопрос, если л ф "=" л α 1 е 1 л α 2 е 2 л α 3 е 3 р для некоторых подходящих α я и р . Ответ положительный из-за формулы Бейкера-Кэмпбелла-Хаусдорфа.
Связанный: Общее матричное преобразование Лоренца . По интуиции существует бесконечно много решений.
Может ли downvoter объяснить свои причины, пожалуйста?
При разработке ответа на ваш вопрос первые результаты показывают, что моя интуиция о бесконечном множестве решений неверна. Я мог бы доказать, что для данного β существует одна и только одна триада ( α 1 , α 2 , α 3 ) и, следовательно, один оборот R, удовлетворяющий вашему уравнению.
Разработка утомительна и длительна. Но я напишу ответ через 2-3 дня.

Ответы (1)

(а) л ( β ) "=" р 1 л 3 ( α 3 ) л 2 ( α 2 ) л 1 ( α 1 )
(б) α 1 "=" β 1 , α 2 "=" β 2 1 β 1 2 , α 3 "=" β 3 1 ( β 1 2 + β 2 2 )
(с) р "=" космическое вращение
==================================================

введите описание изображения здесь

Рисунок-01 3D

Из рисунка 01:

Преобразование Лоренца из С { Икс у г ю , ю "=" с т } к С 1 { Икс 1 у 1 г 1 ю 1 , ю 1 "=" с т 1 }

(01) [ Икс 1 у 1 г 1 ю 1 ] "=" [ чушь ξ 0 0 грех ξ 0 1 0 0 0 0 1 0 грех ξ 0 0 чушь ξ ] [ Икс у г ю ] , танх ξ "=" α 1 "=" ты 1 с
или
(02) Вт 1 "=" л 1 Вт , л 1 "=" [ чушь ξ 0 0 грех ξ 0 1 0 0 0 0 1 0 грех ξ 0 0 чушь ξ ]

Преобразование Лоренца из С 1 { Икс 1 у 1 г 1 ю 1 , ю 1 "=" с т 1 } к С 2 { Икс 2 у 2 г 2 ю 2 , ю 2 "=" с т 2 }

(03) [ Икс 2 у 2 г 2 ю 2 ] "=" [ 1 0 0 0 0 чушь η 0 грех η 0 0 1 0 0 грех η 0 чушь η ] [ Икс 1 у 1 г 1 ю 1 ] , танх η "=" α 2 "=" ты 2 с
или
(04) Вт 2 "=" л 2 Вт 1 , л 2 "=" [ 1 0 0 0 0 чушь η 0 грех η 0 0 1 0 0 грех η 0 чушь η ]

Преобразование Лоренца из С 2 { Икс 2 у 2 г 2 ю 2 , ю 2 "=" с т 2 } к С 3 { Икс 3 у 3 г 3 ю 3 , ю 3 "=" с т 3 }

(05) [ Икс 3 у 3 г 3 ю 3 ] "=" [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 чушь ζ грех ζ 0 0 грех ζ чушь ζ ] [ Икс 2 у 2 г 2 ю 2 ] , танх ζ "=" α 3 "=" ты 3 с
или
(06) Вт 3 "=" л 3 Вт 2 , л 3 "=" [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 чушь ζ грех ζ 0 0 грех ζ чушь ζ ]

Обратите внимание, что из-за стандартных конфигураций матрицы л 1 , л 2 , л 3 действительно симметричны.

Из уравнений (02) , (04) и (06) у нас есть

(07) Вт 3 "=" л 3 Вт 2 "=" л 3 л 2 Вт 1 "=" л 3 л 2 л 1 Вт Вт 3 "=" Λ Вт
где Λ композиция трех преобразований Лоренца л 1 , л 2 , л 3
Λ "=" л 3 л 2 л 1 "=" (08) [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 чушь ζ грех ζ 0 0 грех ζ чушь ζ ] [ 1 0 0 0 0 чушь η 0 грех η 0 0 1 0 0 грех η 0 чушь η ] [ чушь ξ 0 0 грех ξ 0 1 0 0 0 0 1 0 грех ξ 0 0 чушь ξ ]
то есть
(09) Λ "=" л 3 л 2 л 1 "=" [ чушь ξ 0 0 грех ξ грех η грех ξ чушь η 0 грех η чушь ξ грех ζ чушь η грех ξ грех ζ грех η чушь ζ грех ζ чушь η чушь ξ чушь ζ чушь η грех ξ чушь ζ грех η грех ζ чушь ζ чушь η чушь ξ ]
Матрица преобразования Лоренца Λ несимметрична, поэтому системы С , С 3 не в стандартной конфигурации. Но разумно предположить, что
(10) Λ "=" р л
где л представляет собой симметричную матрицу преобразования Лоренца из С к промежуточной системе С 3 в стандартной комплектации к нему и совместному переезду с С 3 , пока р представляет собой чисто пространственное преобразование между С 3 и С 3 .

Теперь нашей целью было бы выразить симметричную матрицу преобразования Лоренца л с точки зрения скоростей ξ , η , ζ так как от (10)

(11) р "=" Λ л 1

Матрица преобразования Лоренца л , от С в промежуточную систему С 3 в стандартной конфигурации к нему, это:

(12) л ( υ ) "=" [ 1 + ( γ 1 ) н Икс 2 ( γ 1 ) н Икс н у ( γ 1 ) н Икс н г γ υ Икс с ( γ 1 ) н у н Икс 1 + ( γ 1 ) н у 2 ( γ 1 ) н у н г γ υ у с ( γ 1 ) н г н Икс ( γ 1 ) н г н у 1 + ( γ 1 ) н г 2 γ υ г с γ υ Икс с γ υ у с γ υ г с γ ]
В (12)
(13.1) υ с "=" ( υ Икс с , υ у с , υ г с ) "=" ( танх ξ , танх η чушь ξ , танх ζ чушь ξ чушь η ) β "=" ( β 1 , β 2 , β 3 , ) (13.2) ( υ с ) 2 "=" ( υ Икс с ) 2 + ( υ у с ) 2 + ( υ г с ) 2 "=" 1 ( 1 чушь ξ чушь η чушь ζ ) 2 "=" γ 2 1 γ 2 (13.3) γ "=" ( 1 υ 2 с 2 ) 1 2 "=" чушь ξ чушь η чушь ζ "=" γ 1 γ 2 γ 3 (13.4) н "=" ( н Икс , н у , н г ) "=" υ / с υ / с "=" ( грех ξ чушь η чушь ζ , грех η чушь ζ , грех ζ ) чушь 2 ξ чушь 2 η чушь 2 ζ 1
где υ - вектор скорости начала координат О 3 ( О 3 ) в отношении С (1) , н единичный вектор вдоль υ и γ соответствующий γ фактор.

Итак, матрица л ( υ ) уравнения (12) как функция скоростей ξ , η , ζ это (2)

л ( υ ) "=" л ( ξ , η , ζ ) "=" (14) [ 1 + грех 2 ξ чушь 2 η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η грех η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η грех η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 1 + грех 2 η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 1 + грех 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ чушь ξ чушь η чушь ζ ]
пока
л 1 ( υ ) "=" л ( υ ) "=" л ( ξ , η , ζ ) "=" (15) [ 1 + грех 2 ξ чушь 2 η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η грех η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η грех η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 1 + грех 2 η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 1 + грех 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ чушь ξ чушь η чушь ζ ]

Из уравнений (09) , (11) и (15)

р "=" Λ л 1 "=" [ чушь ξ 0 0 грех ξ а б грех η грех ξ чушь η 0 грех η чушь ξ а б грех ζ чушь η грех ξ грех ζ грех η чушь ζ грех ζ чушь η чушь ξ а б чушь ζ чушь η грех ξ чушь ζ грех η грех ζ чушь ζ чушь η чушь ξ а б ] [ 1 + грех 2 ξ чушь 2 η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η грех η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η грех η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 1 + грех 2 η чушь 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 1 + грех 2 ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ζ грех ξ чушь η чушь ζ грех η чушь ζ грех ζ чушь ξ чушь η чушь ζ ] "=" (16) [ чушь ξ + чушь η чушь ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ грех η чушь ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 0 грех ξ грех η 1 + чушь ξ чушь η чушь η чушь η + чушь ζ чушь ξ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ чушь ξ грех η грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 0 грех ξ чушь η грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь η чушь ζ + чушь ξ чушь η 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ 0 0 0 0 1 ]
(17) р "=" [ чушь ξ + чушь η чушь ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ грех η чушь ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ грех η 1 + чушь ξ чушь η чушь η чушь η + чушь ζ чушь ξ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ чушь ξ грех η грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех ξ чушь η грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ грех η грех ζ 1 + чушь ξ чушь η чушь η чушь ζ + чушь ξ чушь η 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ ]
(18) р "=" [ потому что θ + ( 1 потому что θ ) м Икс 2 ( 1 потому что θ ) м Икс м у + грех θ м г ( 1 потому что θ ) м Икс м г грех θ м у ( 1 потому что θ ) м у м Икс грех θ м г потому что θ + ( 1 потому что θ ) м у 2 ( 1 потому что θ ) м у м г + грех θ м Икс ( 1 потому что θ ) м г м Икс + грех θ м у ( 1 потому что θ ) м г м у грех θ м Икс потому что θ + ( 1 потому что θ ) м г 2 ]
2 потому что θ + 1 "=" т р а с е ( р ) "=" ( чушь ξ + чушь η + чушь ζ ) + ( чушь ξ чушь η + чушь η чушь ζ + чушь ζ чушь ξ ) ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ ) (19) ( 1 + чушь ξ ) ( 1 + чушь η ) ( 1 + чушь ζ ) ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ ) ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ )
(20) потому что θ "=" ( 1 + чушь ξ ) ( 1 + чушь η ) ( 1 + чушь ζ ) 2 ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ ) 2 ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ )
(21) потому что θ "=" ( 1 + γ 1 ) ( 1 + γ 2 ) ( 1 + γ 3 ) 2 ( 1 + γ 1 γ 2 γ 3 ) 2 ( 1 + γ 1 γ 2 γ 3 ) , γ ȷ "=" ( 1 α ȷ ) 1 2 а б с д
(22.1) грех θ м Икс "=" ( 1 + чушь ξ ) грех η грех ζ 2 ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ ) (22.2) грех θ м у "=" + ( 1 + чушь η ) грех ζ грех ξ 2 ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ ) (22.3) грех θ м г "=" ( 1 + чушь ζ ) грех η грех ξ 2 ( 1 + чушь ξ чушь η чушь ζ )
грех θ "=" ( 1 + γ 1 ) 2 ( γ 2 2 1 ) ( γ 3 2 1 ) + ( 1 + γ 2 ) 2 ( γ 3 2 1 ) ( γ 1 2 1 ) + ( 1 + γ 3 ) 2 ( γ 1 2 1 ) ( γ 2 2 1 ) 2 ( 1 + γ 1 γ 2 γ 3 ) (23) γ ȷ "=" ( 1 α ȷ ) 1 2 , θ е [ 0 , π ]
загар θ "=" ( 1 + γ 1 ) 2 ( γ 2 2 1 ) ( γ 3 2 1 ) + ( 1 + γ 2 ) 2 ( γ 3 2 1 ) ( γ 1 2 1 ) + ( 1 + γ 3 ) 2 ( γ 1 2 1 ) ( γ 2 2 1 ) ( 1 + γ 1 ) ( 1 + γ 2 ) ( 1 + γ 3 ) 2 ( 1 + γ 1 γ 2 γ 3 ) (24) γ ȷ "=" ( 1 α ȷ ) 1 2 , θ е [ 0 , π ]
м "=" [ ( 1 + γ 1 ) ( γ 2 2 1 ) 1 2 ( γ 3 2 1 ) 1 2 , ( 1 + γ 2 ) ( γ 3 2 1 ) 1 2 ( γ 1 2 1 ) 1 2 , ( 1 + γ 3 ) 2 ( γ 1 2 1 ) 1 2 ( γ 2 2 1 ) 1 2 ] ( 1 + γ 1 ) 2 ( γ 2 2 1 ) ( γ 3 2 1 ) + ( 1 + γ 2 ) 2 ( γ 3 2 1 ) ( γ 1 2 1 ) + ( 1 + γ 3 ) 2 ( γ 1 2 1 ) ( γ 2 2 1 ) (25) γ ȷ "=" ( 1 α ȷ ) 1 2 , θ е [ 0 , π ]

==================================================

введите описание изображения здесь Рисунок-02 3D


(1) см. ПРИЛОЖЕНИЕ C – Релятивистское сложение скоростей


(2) см. ПРИЛОЖЕНИЕ B – Матрица L


(3) Строительство α от β


Впечатляющий. Это много работы. Мне потребуется некоторое время, чтобы переварить это, но большое спасибо за ваше время.
@Фробениус Хорошо! Один маленький вопрос: какое программное обеспечение/пакет вы используете для графика?
@JC: ГеоГебра. Одним из его преимуществ является вставка уравнений в л А Т Е Икс .