Принцип относительности
| Специальная теория относительности |
|---|
 |
В физике принцип относительности — это требование, чтобы уравнения, описывающие законы физики, имели одинаковую форму во всех допустимых системах отсчета .
Например, в рамках специальной теории относительности уравнения Максвелла имеют один и тот же вид во всех инерциальных системах отсчета. В рамках общей теории относительности уравнения Максвелла или уравнения поля Эйнштейна имеют один и тот же вид в произвольных системах отсчета.
Некоторые принципы относительности успешно применялись в науке , будь то неявно (как в механике Ньютона ) или явно (как в Альберта Эйнштейна ) специальной теории относительности и общей теории относительности .
Основные понятия [ править ]
Определенные принципы относительности широко распространены в большинстве научных дисциплин. Одним из наиболее распространенных является убеждение, что любой закон природы должен быть одинаковым во все времена; а научные исследования обычно предполагают, что законы природы одинаковы, независимо от того, кто их измеряет. Подобные принципы были включены в научные исследования на самых фундаментальных уровнях.
Любой принцип относительности предписывает симметрию естественных законов: то есть законы должны выглядеть одинаково для одного наблюдателя, как для другого. Согласно теоретическому результату, называемому теоремой Нётер , любая такая симметрия также будет подразумевать наличие закона сохранения . [1] [2] Например, если два наблюдателя в разное время видят одни и те же законы, то величина, называемая энергией сохранится , . В этом свете принципы относительности позволяют сделать проверяемые предсказания о том, как ведет себя природа.
Специальный принцип относительности [ править ]
Согласно первому постулату специальной теории относительности: [3]
Специальный принцип относительности : если система координат К выбрана так, что по отношению к ней действуют физические законы в своей простейшей форме, то те же законы справедливы и по отношению к любой другой системе координат К', движущейся в равномерном поступлении относительно к К.
- Альберт Эйнштейн: Основы общей теории относительности , Часть A, §1
Этот постулат определяет инерциальную систему отсчета .
Специальный принцип относительности гласит, что физические законы должны быть одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета , но могут различаться в неинерциальных. Этот принцип используется как в механике Ньютона , так и в специальной теории относительности . Ее влияние в последнем настолько велико, что Макс Планк назвал теорию в честь принципа. [4]
Этот принцип требует, чтобы физические законы были одинаковыми для любого тела, движущегося с постоянной скоростью, и для тела, находящегося 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-либо другого объекта.
Этот принцип не распространяется на неинерциальные системы отсчета, потому что эти системы, по общему опыту, не подчиняются одним и тем же законам физики. В классической физике фиктивные силы используются для описания ускорения в неинерциальных системах отсчета.
В механике Ньютона [ править ]
Специальный принцип относительности был впервые явно сформулирован Галилео Галилеем в 1632 году в его «Диалоге о двух главных мировых системах» , используя метафору корабля Галилея .
Механика Ньютона добавила к специальному принципу несколько других понятий, включая законы движения, гравитацию и утверждение абсолютного времени . Специальный принцип относительности, сформулированный в контексте этих законов, утверждает, что законы механики инвариантны относительно преобразований Галилея .
В специальной теории относительности [ править ]
Джозеф Лармор и Хендрик Лоренц обнаружили, что уравнения Максвелла , используемые в теории электромагнетизма , инвариантны лишь 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, переносимого в равномерном поступательном движении; так что у нас нет и не могло быть никаких средств различить, увлекаемся ли мы таким движением или нет.
— Анри Пуанкаре, 1904 г. [5]
В своих статьях по электродинамике 1905 года Анри Пуанкаре и Альберт Эйнштейн объяснили, что при преобразованиях Лоренца принцип относительности полностью соблюдается. 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 примирены друг с другом путем пересмотра фундаментальных значений пространственных и временных интервалов.
Сила специальной теории относительности заключается в использовании простых базовых принципов, включая неизменность законов физики при сдвиге инерциальных систем отсчета и неизменность скорости света в вакууме. (См. 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 на самом деле галилеевым или лоренцевым, необходимо определить с помощью физических экспериментов. Невозможно заключить, что скорость света c инвариантна только на основе математической логики. Тогда в лоренцевом случае можно получить сохранение релятивистского интервала и постоянство скорости света. [6]
Общий принцип относительности [ править ]
Общий принцип относительности гласит: [7]
Все системы отсчета эквивалентны с точки зрения формулировки фундаментальных законов физики.
- К. Мёллер. Теория относительности , с. 220
То есть физические законы одинаковы во всех системах отсчета – инерциальных или неинерциальных. Ускоренная заряженная частица может излучать синхротронное излучение , а покоящаяся частица — нет. Если мы теперь рассмотрим ту же ускоренную заряженную частицу в ее неинерциальной системе покоя, она излучает излучение в состоянии покоя.
Физику в неинерциальных системах отсчета исторически лечили преобразованием координат сначала в инерциальную систему отсчета, производя в ней необходимые вычисления, а с помощью другой возвращаясь в неинерциальную систему отсчета. В большинстве таких ситуаций можно использовать одни и те же законы физики, если определенные предсказуемые фиктивные силы добавить во внимание ; примером является равномерно вращающаяся система отсчета , которую можно рассматривать как инерциальную систему отсчета, если добавить во внимание фиктивную центробежную силу и силу Кориолиса .
Проблемы, связанные с этим, не всегда столь тривиальны. Специальная теория относительности предсказывает, что наблюдатель в инерциальной системе отсчета не видит объектов, которые он бы описал как движущиеся со скоростью, превышающей скорость света. Однако в неинерциальной системе отсчета Земли , рассматривающей точку на Земле как фиксированную точку, звезды движутся по небу, совершая один оборот вокруг Земли в день. Поскольку звезды находятся на расстоянии нескольких световых лет, это наблюдение означает, что в неинерциальной системе отсчета Земли любой, кто смотрит на звезды, видит объекты, которые кажутся им движущимися быстрее скорости света.
Поскольку неинерциальные системы отсчета не подчиняются специальному принципу относительности, такие ситуации не являются внутренне противоречивыми .
Общая теория относительности [ править ]
Общая теория относительности была разработана Эйнштейном в 1907–1915 годах. Общая теория относительности постулирует, что глобальная лоренц-ковариация специальной теории относительности становится локальной лоренц-ковариацией в присутствии материи. Наличие 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.
См. также [ править ]
- Независимость от фона
- Сопряженные диаметры
- Космическое микроволновое фоновое излучение
- Принцип эквивалентности
- теория относительности Галилея
- Общая теория относительности , включая Введение в общую теорию относительности
- Инвариант
- Список важных публикаций по физике: Теория относительности.
- Законы Ньютона
- Предпочитаемый кадр
- Принцип ковариации
- Принцип единообразия
- Специальная теория относительности
Примечания и ссылки [ править ]
- ^ Дериглазов, Алексей (2010). Классическая механика: гамильтонов и лагранжев формализм . Спрингер. п. 111. ИСБН 978-3-642-14037-2 . Выдержка со страницы 111
- ^ Шварцбах, Бертрам Э.; Косманн-Шварцбах, Иветт (2010). Теоремы Нётер: законы инвариантности и сохранения в двадцатом веке . Спрингер. п. 174. ИСБН 978-0-387-87868-3 . Выдержка со 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. ИСБН 0-486-60081-5 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Вайштейн, Галина (2015). Путь Эйнштейна к специальной теории относительности . Издательство Кембриджских ученых. п. 272. ИСБН 978-1-4438-7889-0 . Выдержка со страницы 272
- ^ Пуанкаре, Анри (1904–1906). . Конгресс искусств и науки, универсальная выставка, Сент-Луис, 1904 год . Том. 1. Бостон и Нью-Йорк: Хоутон, Миффлин и компания. стр. 604–622.
- ^ Яаков Фридман, Физические применения однородных шаров , Прогресс в математической физике 40 Биркхойзер, Бостон, 2004, страницы 1–21.
- ^ К. Мёллер (1952). Теория относительности (2-е изд.). Дели: Издательство Оксфордского университета. п. 220. ИСБН 0-19-560539-Х .
Дальнейшее чтение [ править ]
См. ссылки по специальной теории относительности и ссылки по общей теории относительности .
Внешние ссылки [ править ]
- Wikibooks: Специальная теория относительности
- «Живые обзоры относительно относительности» — онлайн-журнал по физике с открытым доступом, рецензируемый экспертами, публикующий приглашенные обзоры, охватывающие все области исследований относительности.
- MathPages – Размышления об относительности – Полный онлайн-курс по теории относительности.
- Специальный симулятор относительности
- Учебное пособие по теории относительности в Калифорнийском технологическом институте – базовое введение в концепции специальной и общей теории относительности, а также астрофизики.
- Относительная гравитация и космология - краткий курс, предлагаемый в Массачусетском технологическом институте.
- Относительность в видеороликах и анимации Университета Нового Южного Уэльса.
- Анимационный клип , визуализирующий влияние специальной теории относительности на быстро движущиеся объекты.
- Калькулятор относительности - Изучите специальную математику относительности. Математика специальной теории относительности представлена в максимально простой и всеобъемлющей форме в философском и историческом контексте.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
