Принцип относительности Галилея (принцип инерции). Инерциальные системы отсчета

В середине XVII в. Галилео Галилей в своем знаменитом «Диалоге о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниканской» для всех известных в его время физических процессов (то есть процессов механических) сформулировал фундаментальный принцип – принцип относительности.

Он установил, что, рассматривая лишь физическое тело, никакими способами невозможно определить, находится ли тело в состоянии покоя или в состоянии равномерного прямолинейного движения, то есть движения без ускорения. Возможно определить лишь состояние относительного движения, то есть движения одного объекта (например, автомобиля) относительно другого (например, столба). При этом водитель автомобиля, движущийся вместе с ним по отношению к столбу, покоится относительно автомобиля. Другими словами, определить, движется тело или нет, можно лишь избрав систему отсчета, относительно которой рассматривается состояние тела.

Всякая система отсчета, в которой тело, не испытывающее воздействия внешних сил, может находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, называется инерциальной. Если две системы отсчета движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно и если одна из них инерциальная, то очевидно, что и вторая будет инерциальной. Таким образом, имеется сколько угодно инерциальных систем отсчета, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.

Принцип относительности Галилеягласит, чтово всех инерциальных системах отсчета все физические явления происходят одинаково.

Таким образом, равноправие инерциальных систем отсчета, устанавливаемое этим принципом, выражается в следующем:

– законы механики в инерциальных системах отсчета одинаковы. Это значит, что уравнение, описывающее некоторый закон механики, будучи выражено через координаты и время любой другой инерциальной системы отсчета, будет иметь один и тот же вид;

– по результатам механических опытов невозможно установить, покоится ли данная система отсчета или движется равномерно и прямолинейно. В силу этого ни одна из них не может быть выделена как преимущественная система, скорости движения которой мог бы быть придан абсолютный смысл. Физический смысл имеет лишь понятие относительной скорости движения систем, так что любую систему можно признать условно неподвижной, а другую – движущейся относительно нее с определенной скоростью;

– уравнения механики инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованиям координат при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. То есть одно и тоже явление можно описать в двух разных системах отсчета внешне по-разному, но физическая природа явления остается при этом неизменной.

Провозглашение Галилеем принципа относительности ознаменовало начало новой эпохи, эпохи полного разрыва физической науки и натуральной философии.

Специальная теория относительности: принцип относительности Эйнштейна, принцип постоянства скорости света, представление о едином пространстве-времени, относительность интервалов времени и расстояния в разных системах отсчета, взаимосвязь массы, энергии и скорости

Предпосылки возникновения специальной теории относительности Эйнштейна

Еще в конце XVIIв. Х. Гюйгенс, основоположник волновой оптики, в научной форме выдвинулгипотезу эфира. Он предположил, что пространство наполнено неким веществом – эфиром, в котором и распространяется световая волна. Эта гипотеза объяснила множество разных оптических явлений и предсказала такие, которые были открыты позже.

Согласно ньютоновской механике, пространство, напротив, – абсолютная пустота. Именно такое представление стало ведущим в классическом естествознании, но вопрос об эфире оставался открытым, так как не было фактов, опровергающих его наличие.

Интерес к эфиру вновь возрос в связи с созданием Максвеллом теории электромагнитного поля, которая была основана на гипотезе эфира. Именно эфир считался переносчикомэлектромагнитных взаимодействий, упругой механической средой, в которой распространяетсясветовая волна. Максвелл писал: «Несомненно, что межпланетное и межзвездное пространства не суть пространства пустые, но заняты материальной субстанцией или телом, самым обширным и, надо думать, самым однородным, какое только нам известно». Гипотеза механического эфира встретилась с трудностями: с одной стороны, высокая скорость света, который является поперечной волной, требовала, чтобы эфир обладал упругостью твердого тела; с другой стороны, эфир не должен был создавать сопротивления движению небесных тел.

В физике конца XIXв.возникло противоречие. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля, в отличие от законов механики, по отношению к различным системам отсчета несимметричны. Система уравнений, в справедливости которой никто не сомневался, давала разные решения для случаев, например, когда источник света двигается навстречу наблюдателю и когда наблюдатель двигается навстречу источнику света, что противоречило принципу относительности Галилея, в справедливости которого также никто не сомневался. Для симметрии уравнений Максвелла было необходимо, чтобы в любой инерциальной системе отсчета скорость света имела одну и ту же величину, что противоречило правилу сложения скоростей Галилея.

Из предположения, что эфир и есть ньютоновское “абсолютное пространство” следовало, что эфир должен быть абсолютно неподвижным. Если эфир неподвижен, то любой движущийся в нем предмет должен встретить “эфирный ветер”, дующий в противоположном направлении. Если свет – волновое движение в неподвижном эфире, то на скорость света, измеренную с движущегося предмета, должен влиять эфирный ветер.

Оставалось лишь поставить точный опыт для проверки этой гипотезы.

Земля несется по орбите со скоростью около 30 км/с. Чтобы измерить абсолютное движение Земли (то есть ее движение относительно неподвижного эфира), необходимо лишь измерить скорость, с которой свет проходит определенное расстояние на земной поверхноституда и обратно. Из-за эфирного ветра свет будет двигаться быстрее в одном направлении,чем в другом. Сравнив скорости света, испущенного по разным направлениям, можно было бы вычислить абсолютное направление и скорость движения Земли в любой заданный момент.

В 1887 г. американские ученые Альберт Майкельсон и Эдуард Морли провели тщательно выполненный эксперимент по определению эфирного ветрас помощью интерферометра, но ничего не обнаружили.Скорость света оказалась независимой от направления движения источника. Позже этот эксперимент повторялся и другими экспериментаторами с применением все более совершенных приборов, но результат всегда был отрицательным. Абсолютное ньютоновское пространство оказалось пустым,существование эфира как абсолютной системы отсчета было опровергнуто.

Лоренц, придерживавшийся гипотезы эфира, в 1892 г. писал: «Я думал об этих опытах долго и безуспешно и, наконец, представил только одну возможность для выхода из создавшегося положения». Ученый рассмотрел следующую гипотезу: если во время движения через эфир все тела, в том числе и установка, на которой проводил свои эксперименты Майкельсон, несколько сокращаются в направлении движения, то уловить сложение скоростей будет невозможно.

В 1904 г. Г. А. Лоренц сделал попытку распространить действие принципа относительности на электродинамические процессы. Лоренц чисто математически вывел такие преобразования координат, которые соответствовали бы симметрии уравнений Максвелла. Полученные им формулы удовлетворяли поставленным требованиям, но содержали преобразования не только координат, но и времени, и массы заряженной микрочастицы: масса движущейся частицы и темп течения времени в инерциальных системах отсчета получали зависимость от скорости движения системы относительно скорости света.

Полученные результаты настолько противоречили классическим представлениям об абсолютности размеров тел и интервалов времени, что он счел все преобразования лишенными физического смысла, утверждая тем самым неприменимость принципа относительности к электродинамическим процессам. Однако все имеющиеся опытные данные свидетельствовали в пользу принципа относительности, в том числе и опыт А. Майкельсона.