Принцип относительности - Principle of relativity

В физика, то принцип относительности является требованием, чтобы уравнения, описывающие законы физики имеют одинаковый вид во всех допустимых системы отсчета.

Например, в рамках специальной теории относительности Уравнения Максвелла имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. В рамках общей теории относительности уравнения Максвелла или Уравнения поля Эйнштейна имеют одинаковую форму в произвольных системах отсчета.

Несколько принципов относительности успешно применялись повсюду. наука, будь то неявно (как в Ньютоновская механика ) или явно (как в Альберт Эйнштейн с специальная теория относительности и общая теория относительности ).

Базовые концепты

Некоторые принципы относительности широко используются в большинстве научных дисциплин. Одно из самых распространенных - убеждение, что любое Закон природы всегда должен быть одинаковым; а научные исследования обычно предполагают, что законы природы одинаковы, независимо от того, кто их измеряет. Подобные принципы были включены в научные исследования на самом фундаментальном уровне.

Любой принцип относительности предписывает симметрия в естественном праве: то есть законы должны выглядеть одинаково для одного наблюдателя и для другого. Согласно теоретическому результату, названному Теорема Нётер, любая такая симметрия также будет означать закон сохранения рядом.^[1]^[2] Например, если два наблюдателя в разное время видят одни и те же законы, тогда величина, называемая энергия будет консервированный. В этом свете принципы относительности делают проверяемые предсказания о поведении природы, а не просто утверждения о том, как ученые должны писать законы.

Специальный принцип относительности

Согласно первому постулату специальной теории относительности:^[3]

Специальный принцип относительности: Если система координат K выбрана так, чтобы по отношению к ней выполнялись физические законы в их простейшей форме, то одно и тоже законы остаются в силе по отношению к любой другой системе координат K ', движущейся равномерно относительно K.
— Альберт Эйнштейн: Основы общей теории относительности, Часть A, §1

Этот постулат определяет инерциальная система отсчета.

В специальный принцип относительности утверждает, что физические законы должны быть одинаковыми во всех инерциальная система отсчета, но они могут различаться в неинерциальных. Этот принцип используется как в Ньютоновская механика и теория специальная теория относительности. Его влияние в последнем настолько сильно, что Макс Планк назвал теорию в честь принципа.^[4]

Этот принцип требует, чтобы законы физики были одинаковыми для любого тела, движущегося с постоянной скоростью, 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 некоторого другого объекта.

Принцип не распространяется на неинерциальные системы отсчета потому что эти рамки, как показывает общий опыт, не подчиняются одним и тем же законам физики. В классическая физика, фиктивные силы используются для описания ускорения в неинерциальных системах отсчета.

В механике Ньютона

Особый принцип относительности был впервые явно провозглашен Галилео Галилей в 1632 г. в его Диалог о двух главных мировых системах, используя метафору Корабль Галилея.

Механика Ньютона добавила к этому особому принципу несколько других концепций, включая законы движения, гравитации и утверждение абсолютное время. Сформулированный в контексте этих законов, специальный принцип относительности утверждает, что законы механики инвариантный под Преобразование Галилея.

В специальной теории относительности

Джозеф Лармор и Хендрик Лоренц обнаружил, что Уравнения Максвелла, краеугольный камень электромагнетизм, инвариантны только при некотором изменении единиц времени и длины. Это вызвало некоторое замешательство среди физиков, многие из которых считали, что светоносный эфир несовместимо с принципом относительности в том смысле, в каком он был определен Анри Пуанкаре:

Принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковыми как для фиксированного наблюдателя, так и для наблюдателя, сопровождаемого равномерным перемещением; так что у нас не было и не могло быть никаких средств различения, увлекаемся ли мы таким движением.
— Анри Пуанкаре, 1904 год.^[5]

В своих статьях 1905 г. электродинамика, Анри Пуанкаре и Альберт Эйнштейн объяснил это Преобразования Лоренца принцип относительности полностью выполняется. Эйнштейн поднял (специальный) принцип относительности до постулат теории и выводят 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 (в трактовке Эйнштейна, но не в трактовке Пуанкаре) путем пересмотра фундаментальных значений пространственных и временных интервалов.

Сила специальной теории относительности заключается в том, что она основана на простых, основных принципах, включая инвариантность законов физики при сдвиге инерциальные системы отсчета и неизменность скорости света в вакууме. (Смотрите также: Ковариация Лоренца.)

Вид преобразований Лоренца можно вывести только из принципа относительности. Используя только изотропию пространства и симметрию, подразумеваемую принципом специальной теории относительности, можно показать, что преобразования пространства-времени между инерциальными системами отсчета являются либо галилеевыми, либо лоренцевыми. Является ли преобразование галилеевым или лоренцевым, необходимо определить с помощью физических экспериментов. Невозможно сделать вывод, что скорость света c инвариантен только математической логикой. Тогда в лоренцевом случае можно получить сохранение релятивистского интервала и постоянство скорости света.^[6]

Общий принцип относительности

В общий принцип относительности состояния:^[7]

Все системы отсчета эквивалентны в отношении формулировки основных законов физики.
— К. Мёллер Теория относительности, п. 220

То есть законы физики одинаковы в все системы отсчета - инерциальные или неинерциальные. Ускоренная заряженная частица может испускать синхротронное излучение, хотя покоящаяся частица этого не делает. Если мы теперь рассмотрим ту же ускоренную заряженную частицу в ее неинерциальной системе покоя, она испускает излучение в состоянии покоя.

Исторически физика в неинерциальных системах отсчета рассматривалась преобразование координат сначала в инерциальную систему отсчета, выполняя в ней необходимые вычисления и используя другую для возврата в неинерциальную систему отсчета. В большинстве таких ситуаций можно использовать одни и те же законы физики, если они предсказуемы. фиктивные силы добавляются к рассмотрению; пример - равномерно вращающаяся система отсчета, которую можно рассматривать как инерциальную систему отсчета, если добавить фиктивную центробежная сила и Сила Кориолиса во внимание.

Возникающие проблемы не всегда такие тривиальные. Специальная теория относительности предсказывает, что наблюдатель в инерциальной системе отсчета не видит объекты, которые он бы описал как движущиеся со скоростью, превышающей скорость света. Однако в неинерциальной системе отсчета земной шар Если рассматривать точку на Земле как фиксированную точку, можно наблюдать, как звезды 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 им кажутся движущимися со скоростью, превышающей скорость света.

Поскольку неинерциальные системы отсчета не подчиняются специальному принципу относительности, такие ситуации не являются допустимыми. противоречивый.

Общая теория относительности

Общая теория относительности была разработана Эйнштейном в 1907-1915 годах. Общая теория относительности постулирует, что Глобальный Ковариация Лоренца специальной теории относительности становится местный Ковариация Лоренца в присутствии материи. Наличие иметь значение "кривые" пространство-время, и это кривизна влияет на путь свободных частиц (и даже путь света). Общая теория относительности использует математику дифференциальная геометрия и тензоры чтобы описать гравитация в результате геометрия из пространство-время. Эйнштейн основал эту новую теорию на общем принципе относительности и назвал теорию в честь основополагающего принципа.

Смотрите также

Примечания и ссылки

^ Дериглазов, Алексей (2010). Классическая механика: гамильтониан и лагранжев формализм. Springer. п. 111. ISBN 978-3-642-14037-2. Выписка со страницы 111
^ Schwarzbach, Bertram E .; Косманн-Шварцбах, Иветт (2010). Теоремы Нётер: законы инвариантности и сохранения в двадцатом веке. Springer. п. 174. ISBN 0-387-87868-8. Отрывок страницы 174
^ Эйнштейн А., Лоренц Х. А., Минковский Х. и Вейль Х. (1952) [1923]. Арнольд Зоммерфельд (ред.). Принцип относительности: сборник оригинальных мемуаров по специальной и общей теории относительности. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. п. 111. ISBN 0-486-60081-5.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
^ Вайштейн, Галина (2015). Путь Эйнштейна к специальной теории относительности. Издательство Кембриджских ученых. п. 272. ISBN 978-1-4438-7889-0. Отрывок страницы 272
^ Пуанкаре, Анри (1904–1906). «Основы математической физики». Конгресс искусств и науки, универсальная выставка, Сент-Луис, 1904 г.. 1. Бостон и Нью-Йорк: Houghton, Mifflin and Company. С. 604–622.
^ Яаков Фридман, Физические приложения однородных шаров, Успехи математической физики 40 Биркхойзер, Бостон, 2004, страницы 1-21.
^ К. Мёллер (1952). Теория относительности (2-е изд.). Дели: Издательство Оксфордского университета. п. 220. ISBN 0-19-560539-X.

дальнейшее чтение

Увидеть ссылки на специальную теорию относительности и ссылки на общую теорию относительности.

внешняя ссылка

Викиучебники: Специальная теория относительности
Живые обзоры в теории относительности - Открытый доступ, рецензируемый, исключительно онлайн-журнал по физике, публикующий обзоры по всем направлениям исследований относительности.
MathPages - Размышления о теории относительности - Полный онлайн-курс по теории относительности.
Симулятор специальной теории относительности
Учебник по теории относительности в Калтехе - Базовое введение в концепции специальной и общей теории относительности, а также астрофизики.
Теория относительности, гравитация и космология - Краткий курс, предлагаемый в MIT.
Относительность в видеороликах и анимации из Университета Нового Южного Уэльса.
Анимационный клип визуализация эффектов специальной теории относительности на быстро движущихся объектах.
Калькулятор относительности - Изучите специальную математику относительности Математика специальной теории относительности представлена в максимально простой и всеобъемлющей форме, возможной в философском и историческом контекстах.

[1] Дериглазов, Алексей (2010). Классическая механика: гамильтониан и лагранжев формализм. Springer. п. 111. ISBN 978-3-642-14037-2. Выписка со страницы 111

[2] Schwarzbach, Bertram E .; Косманн-Шварцбах, Иветт (2010). Теоремы Нётер: законы инвариантности и сохранения в двадцатом веке. Springer. п. 174. ISBN 0-387-87868-8. Отрывок страницы 174

[Einstein-3] Эйнштейн А., Лоренц Х. А., Минковский Х. и Вейль Х. (1952) [1923]. Арнольд Зоммерфельд (ред.). Принцип относительности: сборник оригинальных мемуаров по специальной и общей теории относительности. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. п. 111. ISBN 0-486-60081-5.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[4] Вайштейн, Галина (2015). Путь Эйнштейна к специальной теории относительности. Издательство Кембриджских ученых. п. 272. ISBN 978-1-4438-7889-0. Отрывок страницы 272

[5] Пуанкаре, Анри (1904–1906). «Основы математической физики». Конгресс искусств и науки, универсальная выставка, Сент-Луис, 1904 г.. 1. Бостон и Нью-Йорк: Houghton, Mifflin and Company. С. 604–622.

[Friedman-6] Яаков Фридман, Физические приложения однородных шаров, Успехи математической физики 40 Биркхойзер, Бостон, 2004, страницы 1-21.

[Moller-7] К. Мёллер (1952). Теория относительности (2-е изд.). Дели: Издательство Оксфордского университета. п. 220. ISBN 0-19-560539-X.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]