洛倫茲不變性

洛倫茲不變性是指普遍的物理學方程在洛倫茲變換下保持不變。物理學中，洛倫茲協變性或洛倫茲共變性（Lorentz covariance）是時空的一個關鍵性質，出自於狹義相對論，適用於全域性的場合。

基本介紹

• 中文名：洛倫茲不變性
• 外文名：Lorentz covariance
• 實質：是時空的一個關鍵性質
• 來源：狹義相對論
• 適用場合：全域性的場合
• 研究領域：物理學

簡單介紹

洛侖茲不變性就是洛倫茲變換（Lorentztransformation）狹義相對論中關於不同慣性系之間物理事件時空坐標變換的基本關係式。

設兩個慣性係為S系和S′系，它們相應的笛卡爾坐標軸彼此平行，S′系相對於S系沿x方向運動，速度為v，且當t=t′=0時，S′系與S系的坐標原點重合，則事件在這兩個慣性系的時空坐標之間的洛倫茲變換為，，，，式中；c為真空中的光速。

不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。在相對論以前，H.A.洛倫茲從存在絕對靜止以太的觀念出發，考慮物體運動發生收縮的物質過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中,變換所引入的量僅僅看作是數學上的輔助手段，並不包含相對論的時空觀。愛因斯坦與洛倫茲不同，以觀察到的事實為依據，立足於兩條基本原理：相對性原理和光速不變原理，著眼於修改運動、時間、空間等基本概念，重新導出洛倫茲變換，並賦予洛倫茲變換嶄新的物理內容。在狹義相對論中，洛倫茲變換是最基本的關係式，狹義相對論的運動學結論和時空性質，如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論都卜勒效應等都可以從洛倫茲變換中直接得出。

研究意義

不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。在相對論以前，洛倫茲從存在絕對靜止以太的觀念出發，考慮物體運動發生收縮的物質過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中，變換所引入的量僅僅看作是數學上的輔助手段，並不包含相對論的時空觀。愛因斯坦與洛倫茲不同，以觀察到的事實為依據，立足於兩條基本原理：相對性原理和光速不變原理，著眼於修改運動、時間、空間等基本概念，重新導出洛倫茲變換，並賦予洛倫茲變換嶄新的物理內容。

在狹義相對論中，洛倫茲變換是最基本的關係式，狹義相對論的運動學結論和時空性質，如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論都卜勒效應等都可以從洛倫茲變換中直接得出。

發展方向

狹義相對論與量子力學能否在基本概念上交融、進而以不同於量子電動力學的方式實現更深層次上的統一？這是物理學潛在的大問題，不容忽視。近年來，圍繞洛倫茲不變性是否存在“violation”的問題，在極高能宇宙線截斷等諸多領域掀起廣泛討論，已成為研究熱點。另外，由於超弦理論的“率先垂範”，用非點粒子模型取代質點概念來尋求理論發展的方法正引領主流。因此，在這樣的背景下，考慮用量子力學的基本原理特別是測不準原理對狹義相對論——這個長期被視為不可觸動的金科玉律——做進一步的完備化改進已經勢在必行。

這項工作首先從測不準原理、時空統一性以及時間平移對稱性和三維空間球對稱性這些被普遍認可的知識出發，在夸克、輕子層次上的粒子建立一個內稟四維時空圓柱體模型。然後，利用這個模型推導出一系列既能兼容狹義相對論的老方程、同時又能滿足測不準原理要求的完備化的新方程，從而實現了狹義相對論和量子力學在基本概念層次上的融合。新方程揭示空間、時間、質量、能量等概念具有更豐富的內涵，有助於人們重新認識某些物理現象的本質並解決若干懸而未決的重要問題。新方程以及由新方程導出的結果顯示：

1.質量是速度u和無量綱的隨機漲落變數ζ的二元函式，ζ(0≤ζ≤1)是在方程推導過程中出現的一個因子，它使得存在於物理過程中的隨機性和幾率概念自動進入相對論方程；

2.當u=c時，能量並非無窮大，而是達到一個有限的最大值 E_max=1.556×10m₀c。這個結果將從根本上消除發散困難，為建立無需重整化的新量子場論奠定基礎；

3.洛倫茲不變性破缺（LIV）的存在是不可避免的，破缺係數ξ 也可以被嚴格計算，其結果顯示，速度越高|ξ|越小。對高於4×10eV 的極高能宇宙線質子算出 |ξ|<4.5×10，可見，即使有LIV效應但也因|ξ|太小而不能改變GZK截斷，這完全符合HiRes和Auger的觀測；

4.證明普朗克能量是一個洛倫茲不變數，從而為Magueijo和Smolin的“雙狹義相對論”的一個基本假設，即“普朗克能量的觀察者無關性”，提供了理論根據。同時還證明，普朗克能量並不是所有各種粒子能量的共同上限；

5.導出哈勃常數和若干基本常數之間的關係式，由這個公式直接算出哈勃常數的理論值H₀=70.937km·s·Mpc，與哈勃空間望遠鏡關鍵項目累計十年得到的最終觀測結果H₀=72(71)±4±7km·s·Mpc符合得很好。利用這個關係式還可以破解狄拉克大數之謎；

6.預言了一個新效應，並據此預計在電子儲存環RF腔下遊方向有遠高於束流能量的異常超高能電子發射，可以通過探測這種小機率事件對新方程進行實驗驗證。已經做了一個初步實驗，其結果顯示有該現象存在的跡象。