로렌츠 변환 (Lorentz Transformation)
표준 배치
관성 기준틀 와 를 다음과 같이 설정합니다:
- 는 에 대해 방향으로 속도 로 운동
- 일 때 두 원점이 일치
- 축은 평행
이를 **표준 배치(standard configuration)**라 합니다.
로렌츠 변환
표준 배치에서 관성 기준틀 의 좌표 와 의 좌표 사이의 **로렌츠 변환(Lorentz transformation)**은:
여기서 로렌츠 인자(Lorentz factor) 는:
역변환은 로 대체하면 됩니다:
로렌츠 인자의 성질
로렌츠 인자 의 주요 성질:
- (등호는 일 때)
- 이면 (뉴턴 극한)
- 이면
- (짝수 함수)
| | | |:-:|:-:| | 0 | 1 | | 0.1 | 1.005 | | 0.5 | 1.155 | | 0.9 | 2.294 | | 0.99 | 7.089 | | 0.999 | 22.37 |
행렬 표현
로렌츠 변환을 로 쓰면 행렬 형태로:
이를 간결하게 쓰면:
여기서 는 로렌츠 변환 행렬입니다.
쌍곡선 매개변수화 (Rapidity)
래피디티(rapidity) 를 다음과 같이 정의합니다:
그러면 , 이므로 로렌츠 부스트는:
이 형태는 유클리드 회전 의 쌍곡선(hyperbolic) 버전입니다.
래피디티의 장점: 같은 방향의 연속 부스트에서 래피디티는 단순히 더해집니다:
뉴턴 극한
(, )일 때 로렌츠 변환은 갈릴레이 변환으로 환원됩니다:
항이 무시되어 (절대 시간)가 복원됩니다.
기준틀 에서 사건 가 , 사건 가 에서 일어납니다. 로 운동하는 에서 두 사건의 시공간 좌표는?
이므로:
주목할 점: 에서 가 이후에 발생하지만, 에서는 가 이전에 발생합니다 — 동시성의 상대성!
로렌츠 변환의 집합은 로렌츠 군(Lorentz group) 을 형성합니다. 항등 변환을 포함하고, 시간 반전과 공간 반전을 제외한 연결 성분을 고유 정시 로렌츠 군(proper orthochronous Lorentz group) 이라 하며, 이것이 물리적으로 실현 가능한 변환들입니다. 여기에 공간 병진을 추가하면 **푸앵카레 군(Poincar'e group)**이 됩니다.