개념완성

로렌츠 변환 (Lorentz Transformation)

표준 배치

관성 기준틀 SSSS'를 다음과 같이 설정합니다:

  • SS'SS에 대해 xx 방향으로 속도 vv로 운동
  • t=t=0t = t' = 0일 때 두 원점이 일치
  • y,zy, z 축은 평행

이를 **표준 배치(standard configuration)**라 합니다.

로렌츠 변환

정의1.4로렌츠 변환

표준 배치에서 관성 기준틀 SS의 좌표 (t,x,y,z)(t, x, y, z)SS'의 좌표 (t,x,y,z)(t', x', y', z') 사이의 **로렌츠 변환(Lorentz transformation)**은:

x=γ(xvt),y=y,z=z,t=γ ⁣(tvxc2)\boxed{x' = \gamma(x - vt), \quad y' = y, \quad z' = z, \quad t' = \gamma\!\left(t - \frac{vx}{c^2}\right)}

여기서 로렌츠 인자(Lorentz factor) γ\gamma는:

γ=11β2,β=vc\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \beta^2}}, \qquad \beta = \frac{v}{c}

역변환은 vvv \to -v로 대체하면 됩니다:

x=γ(x+vt),t=γ ⁣(t+vxc2)x = \gamma(x' + vt'), \quad t = \gamma\!\left(t' + \frac{vx'}{c^2}\right)

로렌츠 인자의 성질

정의1.5로렌츠 인자

로렌츠 인자 γ(β)\gamma(\beta)의 주요 성질:

  • γ1\gamma \geq 1 (등호는 v=0v = 0일 때)
  • vcv \ll c이면 γ1+12β2+\gamma \approx 1 + \frac{1}{2}\beta^2 + \cdots (뉴턴 극한)
  • vcv \to c이면 γ\gamma \to \infty
  • γ(β)=γ(β)\gamma(\beta) = \gamma(-\beta) (짝수 함수)

| β=v/c\beta = v/c | γ\gamma | |:-:|:-:| | 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 xμ=(ct,x,y,z)x^\mu = (ct, x, y, z)로 쓰면 행렬 형태로:

(ctxyz)=(γγβ00γβγ0000100001)(ctxyz)\begin{pmatrix} ct' \\ x' \\ y' \\ z' \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \gamma & -\gamma\beta & 0 & 0 \\ -\gamma\beta & \gamma & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} ct \\ x \\ y \\ z \end{pmatrix}

이를 간결하게 쓰면:

xμ=Λμνxνx'^\mu = \Lambda^\mu{}_\nu\, x^\nu

여기서 Λμν\Lambda^\mu{}_\nu로렌츠 변환 행렬입니다.

쌍곡선 매개변수화 (Rapidity)

정의1.6래피디티

래피디티(rapidity) ϕ\phi를 다음과 같이 정의합니다:

tanhϕ=β=vc\tanh\phi = \beta = \frac{v}{c}

그러면 γ=coshϕ\gamma = \cosh\phi, γβ=sinhϕ\gamma\beta = \sinh\phi이므로 로렌츠 부스트는:

(ctx)=(coshϕsinhϕsinhϕcoshϕ)(ctx)\begin{pmatrix} ct' \\ x' \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cosh\phi & -\sinh\phi \\ -\sinh\phi & \cosh\phi \end{pmatrix} \begin{pmatrix} ct \\ x \end{pmatrix}

이 형태는 유클리드 회전 (cosθsinθsinθcosθ)\begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix}의 쌍곡선(hyperbolic) 버전입니다.

래피디티의 장점: 같은 방향의 연속 부스트에서 래피디티는 단순히 더해집니다:

ϕtotal=ϕ1+ϕ2\phi_{\text{total}} = \phi_1 + \phi_2

뉴턴 극한

vcv \ll c (β0\beta \to 0, γ1\gamma \to 1)일 때 로렌츠 변환은 갈릴레이 변환으로 환원됩니다:

xxvt,ttx' \approx x - vt, \quad t' \approx t

vx/c2vx/c^2 항이 무시되어 t=tt' = t (절대 시간)가 복원됩니다.

예제로렌츠 변환의 직접 적용

기준틀 SS에서 사건 AA(tA,xA)=(0,0)(t_A, x_A) = (0, 0), 사건 BB(tB,xB)=(3 μs, 500 m)(t_B, x_B) = (3\ \mu\text{s},\ 500\ \text{m})에서 일어납니다. v=0.6cv = 0.6c로 운동하는 SS'에서 두 사건의 시공간 좌표는?

γ=1/10.36=1.25\gamma = 1/\sqrt{1 - 0.36} = 1.25이므로:

tB=1.25 ⁣(3×1060.6×500(3×108)2)1.25×(3×1063.33×106)4.2×107 st'_B = 1.25\!\left(3 \times 10^{-6} - \frac{0.6 \times 500}{(3 \times 10^8)^2}\right) \approx 1.25 \times (3 \times 10^{-6} - 3.33 \times 10^{-6}) \approx -4.2 \times 10^{-7}\ \text{s}

xB=1.25 ⁣(5000.6×3×108×3×106)=1.25(500540)=50 mx'_B = 1.25\!\left(500 - 0.6 \times 3 \times 10^8 \times 3 \times 10^{-6}\right) = 1.25(500 - 540) = -50\ \text{m}

주목할 점: SS에서 BBAA 이후에 발생하지만, SS'에서는 BBAA 이전에 발생합니다 — 동시성의 상대성!

참고로렌츠 변환의 군 구조

로렌츠 변환의 집합은 로렌츠 군(Lorentz group) O(1,3)O(1,3)을 형성합니다. 항등 변환을 포함하고, 시간 반전과 공간 반전을 제외한 연결 성분을 고유 정시 로렌츠 군(proper orthochronous Lorentz group) SO+(1,3)SO^+(1,3)이라 하며, 이것이 물리적으로 실현 가능한 변환들입니다. 여기에 공간 병진을 추가하면 **푸앵카레 군(Poincar'e group)**이 됩니다.