阿爾伯特·愛因斯坦在瑞士蘇黎世聯邦科技大學時期的數學老師赫爾曼·閔可夫斯基在愛因斯坦提出狹義相對論之後,於1907年將愛因斯坦與亨德里克·勞侖茲的理論結果重新表述成(3+1)維的時空,其中光速在各個慣性參考系皆為定值,這樣的時空即以其為名,稱為閔可夫斯基時空,或稱閔可夫斯基空間。
愛因斯坦一開始不認為這樣的表述有何重要性,但當他1907年開始轉往廣義相對論發展時,發現閔可夫斯基時空可說是其所要發展的理論架構的基礎,轉而對這樣的表述採取高的評價。
[编辑] 標準基底
閔可夫斯基時空的一組常用標準基底是四個互相正交的向量的集合(e0, e1, e2, e3) 使得
這些條件可以更簡要地寫成如下形式:
其中μ與ν涵蓋的數值有{0, 1, 2, 3},矩陣η稱為閔可夫斯基度規,數值為
相對於一組標準基底,一向量V 的分量可以寫作(V0,V1,V2,V3),並且我們使用愛因斯坦標記來寫。分量V0稱作V 的「類時分量」(timelike component),而其他三個分量則稱作「類空分量」(spatial components)。
以分量來寫,兩個向量V與W間的內積可寫成
- ,
而一向量V的範數(norm)平方值為
- 。
[编辑] 因果結構
四維向量依據它們(閔可夫斯基)內積的正負號來區分。四維向量U、V與W可分類如下:
- V是類時(timelike),若且唯若
- U是類空(spacelike),若且唯若
- W是零(null)或稱類光(lightlike),若且唯若
這樣的術語源自於相對論中對於閔可夫斯基時空的使用。閔可夫斯基時空中一事件所有零向量的集合構成了該事件的光錐(light cone)。注意到這些標記的使用與參考系無關。
向量場被稱作是類時、類空或零,是看場定義所在的各點,其所對應的向量是類時、類空或零。
關於零向量一個有用的結果:「若兩個零向量、正交(即:零內積值),則它們必定是呈比例關係(為常數)。」
一旦時間方向選定了,類時向量與零向量可以再分為各種類別。以類時向量(timelike vector)來說,我們有
- 未來方向(future directed)類時向量,其第一個分量為正,而
- 過去方向(past directed)類時向量,其第一個分量為負。
以零向量(null vector)來說,可分為三種類別:
- 純零向量(zero vector),其在任何基底下,所有分量皆為(0,0,0,0)。
- 未來方向零向量,其第一個分量為正,而其餘分量為0。
- 過去方向零向量,其第一個分量為負,而其餘分量為0。
加上類空向量,全部共有六種類別。
閔可夫斯基時空中的正交歸一基底(orthonormal basis)必然包含一個類時與三個類空的單位向量。若希望以非正交歸一基底來做運算,則可有其他的向量組合。例如:可以輕鬆建構一種(非正交歸一)基底,整個是由零向量所組成,稱之為「零基底」(null basis)。
[编辑] 誤解
由於閔可夫斯基時空的緣故,許多人常聽到『「空間」與時間可以組成一個四維【空間】』這樣的句子,因而誤以為時間跟空間是等價的,但事實上相對論只 描述了空間跟時間有著互相影響的特性,時間並沒有像空間一般可以自由移動的特性。上面那個句子中第一個「空間」指的是一般的空間無誤,但第二個【空間】指 的其實是閔可夫斯基時空,是數學上的【空間】,而非物理上的「空間」。
[编辑] 相關條目