¿Podemos descomponer un impulso general de Lorentz en una rotación seguida de tres impulsos a lo largo de los ejes de coordenadas?

Para β R 3 , con 0 < | β | < 1 , denotemos el impulso de Lorentz con velocidad β por

L β ( t , X ) := ( γ t γ β X , X + γ X γ β t ) , dónde    γ := 1 1 β 2 .
Aquí X := X β β 2 β es el componente de X en la dirección de β , y X := X X . (La velocidad de la luz se normaliza a 1 ).

¿Existe una rotación espacial? R y α 1 , α 2 , α 3 ( 1 , 1 ) tal que

L β = L α 1 mi 1 L α 2 mi 2 L α 3 mi 3 R ?

Una rotación puede mover cualquier vector unitario para que coincida con cualquier eje. Entonces existe una rotación que gira β hacia mi 3 eje. Entonces sí; simplemente busque tal rotación y luego elija α 3 = | β | y α 2 = α 1 = 0 .
@Dwagg: ¿No necesita una segunda rotación después del impulso?
El conmutador de dos generadores elevadores es un generador de rotación. Y tu tienes L φ = Exp ( i φ B ) , dónde B = ( B X , B y , B z ) es una tupla de 3 de generadores de refuerzo. Tu pregunta es entonces si L φ = L α 1 mi 1 L α 2 mi 2 L α 3 mi 3 R para algunos apropiados α i y R . La respuesta es sí debido a la fórmula de Baker-Campbell-Hausdorff.
Relacionado: Matriz general Transformación de Lorentz . Por intuición hay infinitas soluciones.
¿Puede el votante negativo explicar sus razones, por favor?
Al elaborar una respuesta a su pregunta, los primeros resultados muestran que mi intuición acerca de infinitas soluciones es falsa. Podría probar que por dado β existe una y solo una tríada ( α 1 , α 2 , α 3 ) y, en consecuencia, una rotación R que satisface su ecuación.
La elaboración es tediosa y larga. Pero publicaré una respuesta en 2-3 días.

Respuestas (1)

(a) L ( β ) = R 1 L 3 ( α 3 ) L 2 ( α 2 ) L 1 ( α 1 )
(b) α 1 = β 1 , α 2 = β 2 1 β 1 2 , α 3 = β 3 1 ( β 1 2 + β 2 2 )
(C) R = rotación espacial
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Figura-01 3D

De la figura 01:

Transformación de Lorentz de S { X y z ω , ω = C t } a S 1 { X 1 y 1 z 1 ω 1 , ω 1 = C t 1 }

(01) [ X 1 y 1 z 1 ω 1 ] = [ aporrear ξ 0 0 pecado ξ 0 1 0 0 0 0 1 0 pecado ξ 0 0 aporrear ξ ] [ X y z ω ] , bronceado ξ = α 1 = tu 1 C
o
(02) W 1 = L 1 W , L 1 = [ aporrear ξ 0 0 pecado ξ 0 1 0 0 0 0 1 0 pecado ξ 0 0 aporrear ξ ]

Transformación de Lorentz de S 1 { X 1 y 1 z 1 ω 1 , ω 1 = C t 1 } a S 2 { X 2 y 2 z 2 ω 2 , ω 2 = C t 2 }

(03) [ X 2 y 2 z 2 ω 2 ] = [ 1 0 0 0 0 aporrear η 0 pecado η 0 0 1 0 0 pecado η 0 aporrear η ] [ X 1 y 1 z 1 ω 1 ] , bronceado η = α 2 = tu 2 C
o
(04) W 2 = L 2 W 1 , L 2 = [ 1 0 0 0 0 aporrear η 0 pecado η 0 0 1 0 0 pecado η 0 aporrear η ]

Transformación de Lorentz de S 2 { X 2 y 2 z 2 ω 2 , ω 2 = C t 2 } a S 3 { X 3 y 3 z 3 ω 3 , ω 3 = C t 3 }

(05) [ X 3 y 3 z 3 ω 3 ] = [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 aporrear ζ pecado ζ 0 0 pecado ζ aporrear ζ ] [ X 2 y 2 z 2 ω 2 ] , bronceado ζ = α 3 = tu 3 C
o
(06) W 3 = L 3 W 2 , L 3 = [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 aporrear ζ pecado ζ 0 0 pecado ζ aporrear ζ ]

Tenga en cuenta que, debido a las configuraciones estándar, las matrices L 1 , L 2 , L 3 son realmente simétricos.

De ecuaciones (02) , (04) y (06) tenemos

(07) W 3 = L 3 W 2 = L 3 L 2 W 1 = L 3 L 2 L 1 W W 3 = Λ W
dónde Λ la composición de las tres Transformaciones de Lorentz L 1 , L 2 , L 3
Λ = L 3 L 2 L 1 = (08) [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 aporrear ζ pecado ζ 0 0 pecado ζ aporrear ζ ] [ 1 0 0 0 0 aporrear η 0 pecado η 0 0 1 0 0 pecado η 0 aporrear η ] [ aporrear ξ 0 0 pecado ξ 0 1 0 0 0 0 1 0 pecado ξ 0 0 aporrear ξ ]
eso es
(09) Λ = L 3 L 2 L 1 = [ aporrear ξ 0 0 pecado ξ pecado η pecado ξ aporrear η 0 pecado η aporrear ξ pecado ζ aporrear η pecado ξ pecado ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ aporrear η aporrear ξ aporrear ζ aporrear η pecado ξ aporrear ζ pecado η pecado ζ aporrear ζ aporrear η aporrear ξ ]
La matriz de transformación de Lorentz Λ no es simétrico, por lo que los sistemas S , S 3 no están en la configuración estándar. Pero es razonable suponer que
(10) Λ = R L
dónde L es la matriz de transformación de Lorentz simétrica de S a un sistema intermedio S 3 en configuración estándar a él y co-moviéndose con S 3 , mientras R es una transformación puramente espacial entre S 3 y S 3 .

Ahora, nuestro objetivo sería expresar la matriz de transformación de Lorentz simétrica L en cuanto a la rapidez ξ , η , ζ ya que desde (10)

(11) R = Λ L 1

La matriz de transformación de Lorentz L , de S al sistema intermedio S 3 en la configuración estándar, es:

(12) L ( υ ) = [ 1 + ( γ 1 ) norte X 2 ( γ 1 ) norte X norte y ( γ 1 ) norte X norte z γ υ X C ( γ 1 ) norte y norte X 1 + ( γ 1 ) norte y 2 ( γ 1 ) norte y norte z γ υ y C ( γ 1 ) norte z norte X ( γ 1 ) norte z norte y 1 + ( γ 1 ) norte z 2 γ υ z C γ υ X C γ υ y C γ υ z C γ ]
En (12)
(13.1) υ C = ( υ X C , υ y C , υ z C ) = ( bronceado ξ , bronceado η aporrear ξ , bronceado ζ aporrear ξ aporrear η ) β = ( β 1 , β 2 , β 3 , ) (13.2) ( υ C ) 2 = ( υ X C ) 2 + ( υ y C ) 2 + ( υ z C ) 2 = 1 ( 1 aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ) 2 = γ 2 1 γ 2 (13.3) γ = ( 1 υ 2 C 2 ) 1 2 = aporrear ξ aporrear η aporrear ζ = γ 1 γ 2 γ 3 (13.4) norte = ( norte X , norte y , norte z ) = υ / C υ / C = ( pecado ξ aporrear η aporrear ζ , pecado η aporrear ζ , pecado ζ ) aporrear 2 ξ aporrear 2 η aporrear 2 ζ 1
dónde υ es el vector velocidad del origen O 3 ( O 3 ) con respecto a S (1) , norte el vector unitario a lo largo υ y γ el correspondiente γ factor.

Entonces la matriz L ( υ ) de ecuación (12) como función de las rapidezes ξ , η , ζ es (2)

L ( υ ) = L ( ξ , η , ζ ) = (14) [ 1 + pecado 2 ξ aporrear 2 η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η pecado η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η pecado η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 1 + pecado 2 η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 1 + pecado 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ]
mientras
L 1 ( υ ) = L ( υ ) = L ( ξ , η , ζ ) = (15) [ 1 + pecado 2 ξ aporrear 2 η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η pecado η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η pecado η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 1 + pecado 2 η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 1 + pecado 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ]

De ecuaciones (09) , (11) y (15)

R = Λ L 1 = [ aporrear ξ 0 0 pecado ξ a b pecado η pecado ξ aporrear η 0 pecado η aporrear ξ a b pecado ζ aporrear η pecado ξ pecado ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ aporrear η aporrear ξ a b aporrear ζ aporrear η pecado ξ aporrear ζ pecado η pecado ζ aporrear ζ aporrear η aporrear ξ a b ] [ 1 + pecado 2 ξ aporrear 2 η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η pecado η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η pecado η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 1 + pecado 2 η aporrear 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 1 + pecado 2 ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ζ pecado ξ aporrear η aporrear ζ pecado η aporrear ζ pecado ζ aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ] = (dieciséis) [ aporrear ξ + aporrear η aporrear ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ pecado η aporrear ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 0 pecado ξ pecado η 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear η aporrear η + aporrear ζ aporrear ξ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ aporrear ξ pecado η pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 0 pecado ξ aporrear η pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear η aporrear ζ + aporrear ξ aporrear η 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ 0 0 0 0 1 ]
(17) R = [ aporrear ξ + aporrear η aporrear ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ pecado η aporrear ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ pecado η 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear η aporrear η + aporrear ζ aporrear ξ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ aporrear ξ pecado η pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado ξ aporrear η pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ pecado η pecado ζ 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear η aporrear ζ + aporrear ξ aporrear η 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ]
(18) R = [ porque θ + ( 1 porque θ ) metro X 2 ( 1 porque θ ) metro X metro y + pecado θ metro z ( 1 porque θ ) metro X metro z pecado θ metro y ( 1 porque θ ) metro y metro X pecado θ metro z porque θ + ( 1 porque θ ) metro y 2 ( 1 porque θ ) metro y metro z + pecado θ metro X ( 1 porque θ ) metro z metro X + pecado θ metro y ( 1 porque θ ) metro z metro y pecado θ metro X porque θ + ( 1 porque θ ) metro z 2 ]
2 porque θ + 1 = t r a C mi ( R ) = ( aporrear ξ + aporrear η + aporrear ζ ) + ( aporrear ξ aporrear η + aporrear η aporrear ζ + aporrear ζ aporrear ξ ) ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ) (19) ( 1 + aporrear ξ ) ( 1 + aporrear η ) ( 1 + aporrear ζ ) ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ) ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ )
(20) porque θ = ( 1 + aporrear ξ ) ( 1 + aporrear η ) ( 1 + aporrear ζ ) 2 ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ) 2 ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ )
(21) porque 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 a b C d
(22.1) pecado θ metro X = ( 1 + aporrear ξ ) pecado η pecado ζ 2 ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ) (22.2) pecado θ metro y = + ( 1 + aporrear η ) pecado ζ pecado ξ 2 ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ ) (22.3) pecado θ metro z = ( 1 + aporrear ζ ) pecado η pecado ξ 2 ( 1 + aporrear ξ aporrear η aporrear ζ )
pecado 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 [ 0 , π ]
broncearse 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 [ 0 , π ]
metro = [ ( 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 [ 0 , π ]

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ingrese la descripción de la imagen aquí Figura-02 3D


(1) ver APÉNDICE C - Suma relativista de velocidades


(2) ver ANEXO B - La matriz L


(3) Construcción α de β


Impresionante. Eso es mucho trabajo. Me tomará un tiempo digerirlo, pero muchas gracias por su tiempo.
@Frobenius Genial! Una pequeña pregunta: ¿Qué software/paquete está utilizando para el gráfico?
@JC: GeoGebra. Una de sus ventajas es la inserción de ecuaciones en L A T mi X .