洛伦兹变换的推导

　　洛伦兹提出洛伦兹变换是基于以太存在的前提的，然而以太被证实是不存在的，根据光速不变原理，相对于任何惯性参考系，光速都具有相同的数值。爱因斯坦据此提出了狭义相对论。在狭义相对论中，空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，不同惯性参考系之间的变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的，即：

　　其中x、y、z、t分别是惯性坐标系S下的坐标和时间，x'、y'、z'、t'分别是惯性坐标系S'下的坐标和时间。v是S'坐标系相对于S坐标系的运动速度，方向沿X轴。

　　由狭义相对性原理，只需在上述洛伦兹变换中把v变成－v，x'、y'、z'、t'分别与x、y、z、t互换，就得到洛伦兹变换的反变换式：

　　洛伦兹变换是高速运动的宏观物体在不同惯性参考系之间进行坐标和时间变换的基本规律。当相对速度v远小于光速c时，洛伦兹变换退化为经典力学中的伽利略变换：

　　x'=x－uty'=yz'=zt'=t

　　所以，狭义相对论与经典力学并不矛盾，狭义相对论将经典力学扩展到了宏观物体在一切运动速度下的普遍情况，经典力学只是相对论在低速时（v远小于c）的近似情况。一般在处理运动速度不太高的物体时（如天体力学中计算行星的运行轨道），不需考虑到相对论效应，因为用相对论进行处理时计算往往变得非常繁琐，而结果与经典情况相差不大。当处理高速运动的物体时，比如高能加速器中的电子，则必须要考虑相对论效应对结果带来的修正。

　　设想有两个惯性坐标系S系、S'系，S'系的原点O'相对S系的原点O以速率v沿X轴正方向运动。任意一事件在S系、S'系中的时空坐标分别为（x，y，z，t）、（x'，y'，z'，t'）。t、t'分别是S系和S'系时刻。两惯性坐标系重合时，分别开始计时.

　　若x= 0，则x'+vt' =0。这是变换须满足的一个必要条件，故猜测任意一事件的坐标从S'系到S系的变换为

　　x=γ（x'+vt'） (1)

　　式中引入了常数γ，命名为洛伦兹因子。

　　引入相对性原理，即不同惯性系的物理方程的形式应相同。故上述事件坐标从S系到S'系的变换为

　　x'=γ（x－vt） (2)

　　y与y'、z与z'的变换可以直接得出，即

　　y'=y (3)

　　z'=z (4)

　　把（2）代入（1），解t'得

　　t'=γt +(1－γ2) x/γv (5)

　　在上面推导的基础上，引入光速不变原理，以寻求γ的取值。