В физике принцип относительности — это требование, чтобы уравнения, описывающие законы физики, имели одинаковую форму во всех допустимых системах отсчёта .
Например, в рамках специальной теории относительности уравнения Максвелла имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчёта . В рамках общей теории относительности уравнения Максвелла или уравнения поля Эйнштейна имеют одинаковую форму в произвольных системах отсчёта.
Несколько принципов теории относительности успешно применялись в науке , как неявно (как в ньютоновской механике ), так и явно (как в специальной теории относительности и общей теории относительности Альберта Эйнштейна ).
Определенные принципы относительности широко приняты в большинстве научных дисциплин. Одним из наиболее распространенных является убеждение, что любой закон природы должен быть одинаковым во все времена; и научные исследования обычно предполагают, что законы природы одинаковы независимо от того, кто их измеряет. Такого рода принципы были включены в научное исследование на самом фундаментальном уровне.
Любой принцип относительности предписывает симметрию в естественном праве: то есть законы должны выглядеть одинаково для одного наблюдателя и для другого. Согласно теоретическому результату, называемому теоремой Нётер , любая такая симметрия также будет подразумевать закон сохранения . [1] [2] Например, если два наблюдателя в разное время видят одни и те же законы, то величина, называемая энергией, будет сохраняться . В этом свете принципы относительности делают проверяемые предсказания о том, как ведет себя природа.
Согласно первому постулату специальной теории относительности: [3]
Специальный принцип относительности : Если система координат K выбрана так, что по отношению к ней физические законы справедливы в их простейшей форме, то те же законы справедливы по отношению к любой другой системе координат K', движущейся равномерно и поступательно относительно K.
— Альберт Эйнштейн: Основы общей теории относительности , часть A, §1
Этот постулат определяет инерциальную систему отсчета .
Специальный принцип относительности утверждает, что физические законы должны быть одинаковыми в каждой инерциальной системе отсчета , но могут различаться в неинерциальных. Этот принцип используется как в ньютоновской механике , так и в специальной теории относительности . Его влияние в последней настолько сильно, что Макс Планк назвал теорию в честь этого принципа. [4]
Принцип требует, чтобы физические законы были одинаковы для любого тела, движущегося с постоянной скоростью, как и для тела в состоянии покоя. Следствием этого является то, что наблюдатель в инерциальной системе отсчета не может определить абсолютную скорость или направление движения в пространстве и может говорить только о скорости или направлении относительно какого-то другого объекта.
Этот принцип не распространяется на неинерциальные системы отсчета, поскольку эти системы, по общему опыту, не подчиняются тем же законам физики. В классической физике фиктивные силы используются для описания ускорения в неинерциальных системах отсчета.
Специальный принцип относительности впервые был явно сформулирован Галилео Галилеем в 1632 году в его «Диалоге о двух главнейших системах мира» , где он использовал метафору корабля Галилея .
Ньютоновская механика добавила к специальному принципу несколько других концепций, включая законы движения, гравитацию и утверждение об абсолютном времени . Сформулированный в контексте этих законов, специальный принцип относительности утверждает, что законы механики инвариантны относительно преобразования Галилея .
Джозеф Лармор и Хендрик Лоренц обнаружили, что уравнения Максвелла , используемые в теории электромагнетизма , были инвариантны только при определенном изменении единиц времени и длины. Это вызвало некоторую путаницу среди физиков, многие из которых считали, что светоносный эфир несовместим с принципом относительности, как его определил Анри Пуанкаре :
Принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковыми как для неподвижного наблюдателя, так и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение; так что у нас нет и не может быть никаких средств различения того, совершаем ли мы такое движение или нет.
— Анри Пуанкаре, 1904 [5]
В своих работах по электродинамике 1905 года Анри Пуанкаре и Альберт Эйнштейн объяснили, что с преобразованиями Лоренца принцип относительности выполняется идеально. Эйнштейн возвел (специальный) принцип относительности в постулат теории и вывел преобразования Лоренца из этого принципа в сочетании с принципом независимости скорости света (в вакууме) от движения источника. Эти два принципа были согласованы друг с другом путем повторного изучения фундаментальных значений пространственных и временных интервалов.
Сила специальной теории относительности заключается в использовании ею простых, базовых принципов, включая инвариантность законов физики при сдвиге инерциальных систем отсчета и инвариантность скорости света в вакууме. (См. также: Лоренц-ковариантность .)
Можно вывести форму преобразований Лоренца только из принципа относительности. Используя только изотропию пространства и симметрию, подразумеваемую принципом специальной теории относительности, можно показать, что преобразования пространства-времени между инерциальными системами являются либо галилеевыми, либо лоренцевыми. Является ли преобразование на самом деле галилеевым или лоренцевым, должно быть определено с помощью физических экспериментов. Невозможно заключить, что скорость света c инвариантна только с помощью математической логики. В лоренцевом случае можно затем получить релятивистское сохранение интервала и постоянство скорости света. [6]
Общий принцип относительности гласит: [7]
Все системы отсчета эквивалентны относительно формулировки фундаментальных законов физики.
— К. Мёллер Теория относительности , стр. 220
То есть физические законы одинаковы во всех системах отсчета — инерциальных или неинерциальных. Ускоренная заряженная частица может испускать синхротронное излучение , хотя покоящаяся частица этого не делает. Если мы теперь рассмотрим ту же самую ускоренную заряженную частицу в ее неинерциальной системе покоя, то она испускает излучение в состоянии покоя.
Физика в неинерциальных системах отсчета исторически рассматривалась с помощью преобразования координат , сначала в инерциальную систему отсчета, выполняя в ней необходимые вычисления, а затем используя другое, чтобы вернуться в неинерциальную систему отсчета. В большинстве таких ситуаций можно использовать те же законы физики, если добавить в рассмотрение определенные предсказуемые фиктивные силы ; примером является равномерно вращающаяся система отсчета , которую можно рассматривать как инерциальную систему отсчета, если добавить в рассмотрение фиктивную центробежную силу и силу Кориолиса .
Проблемы, с которыми приходится сталкиваться, не всегда столь тривиальны. Специальная теория относительности предсказывает, что наблюдатель в инерциальной системе отсчета не видит объекты, которые он бы описал как движущиеся быстрее скорости света. Однако в неинерциальной системе отсчета Земли , рассматривая точку на Земле как неподвижную точку, звезды, как наблюдается, движутся по небу, совершая один оборот вокруг Земли за день. Поскольку звезды находятся на расстоянии световых лет, это наблюдение означает, что в неинерциальной системе отсчета Земли любой, кто смотрит на звезды, видит объекты, которые кажутся ему движущимися быстрее скорости света.
Поскольку неинерциальные системы отсчета не подчиняются специальному принципу относительности, такие ситуации не являются внутренне противоречивыми .
Общая теория относительности была разработана Эйнштейном в 1907-1915 годах. Общая теория относительности постулирует, что глобальная лоренц-ковариантность специальной теории относительности становится локальной лоренц-ковариантностью в присутствии материи. Присутствие материи «искривляет» пространство-время , и эта кривизна влияет на путь свободных частиц (и даже на путь света). Общая теория относительности использует математику дифференциальной геометрии и тензоры для описания гравитации как эффекта геометрии пространства - времени . Эйнштейн основал эту новую теорию на общем принципе относительности и назвал теорию в честь лежащего в ее основе принципа.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )См. ссылки по специальной теории относительности и ссылки по общей теории относительности .
