Principiul relativității

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 23 octombrie 2021; verificarea necesită 1 editare .
Simetria în fizică
transformare Invarianța corespunzătoare
 Legea conservării corespunzătoare
↕ Ora de difuzare Uniformitatea
timpului 		…energie
⊠ C , P , CP și T - simetrii Izotropia
timpului 		... paritate
↔ Spațiu de difuzare Omogenitatea
spațiului 		…impuls
↺ Rotația spațiului Izotropia
spațiului 		…
impuls
⇆ grup Lorentz (amplificare) Covarianța relativității
Lorentz 		…mișcări ale
centrului de masă
~ Transformarea gabaritului Invarianța gabaritului ... taxa

Principiul relativității ( principiul relativității lui Einstein ) este un principiu fizic fundamental , unul dintre principiile simetriei , conform căruia toate procesele fizice din cadrele de referință inerțiale decurg în același mod, indiferent dacă sistemul este staționar sau este în o stare de mișcare uniformă și rectilinie .

Rezultă că toate legile naturii sunt aceleași în toate cadrele de referință inerțiale [1] .

Un caz special al principiului relativității lui Einstein este principiul relativității lui Galileo , care afirmă la fel, dar nu pentru toate legile naturii, ci doar pentru legile mecanicii clasice , implicând aplicabilitatea transformărilor lui Galileo și lăsând deschisă problema aplicabilităţii principiului relativităţii la optică şi electrodinamică .

În literatura modernă, principiul relativității în aplicarea sa la cadrele de referință inerțiale (cel mai adesea în absența gravitației sau când este neglijat) apare de obicei terminologic ca covarianță Lorentz (sau invarianță Lorentz).

Principiul relativității al lui Galileo

Din definiția accelerației, rezultă că dacă cadrul de referință în mișcare se mișcă în raport cu primul fără accelerație, adică , atunci accelerația corpului față de ambele cadre de referință este aceeași.

Deoarece accelerația joacă rolul principal în dinamica newtoniană din mărimi cinematice (vezi a doua lege a lui Newton ), atunci toate ecuațiile mecanicii vor fi scrise în același mod în orice cadru de referință inerțial - cu alte cuvinte, legile mecanicii nu depinde de care dintre cadrele de referință inerțiale le avem pe care le studiem, nu depind de alegerea unui anumit cadre de referință inerțiale ca unul de lucru. De asemenea - prin urmare - mișcarea observată a corpurilor nu depinde de o astfel de alegere a sistemului de referință (ținând cont, desigur, de vitezele inițiale). Această afirmație este cunoscută ca principiul relativității al lui Galileo , spre deosebire de principiul relativității al lui Einstein.

În caz contrar, acest principiu este formulat (în urma lui Galileo) după cum urmează:

Dacă în două laboratoare închise, dintre care unul se mișcă uniform în linie dreaptă (și translație) față de celălalt, se efectuează același experiment mecanic, rezultatul va fi același.

Cerința ( postulatul ) principiului relativității și transformarea lui Galileo (aparent destul de evidentă intuitiv) determină în mare măsură forma și structura mecanicii newtoniene (și istoric au avut și un impact semnificativ asupra formulării acesteia). Vorbind ceva mai formal, ei impun restricții asupra structurii mecanicii, care afectează în mod semnificativ posibilele sale formulări, care din punct de vedere istoric au contribuit foarte mult la formarea ei.

Principiul relativității al lui Einstein (1905)

În 1905, Einstein și-a publicat lucrarea „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”, în care a extins principiul relativității lui Galileo la legile electrodinamice și optice:

„Nu numai în mecanică (după Galileo), ci și în electrodinamică, nicio proprietăți ale fenomenelor nu corespund conceptului de repaus absolut și chiar, mai mult, pentru toate sistemele de coordonate inerțiale pentru care sunt valabile ecuațiile mecanicii, aceeași electrodinamică. și legile optice sunt valabile”, adică: Dacă în două cadre de referință închise de laborator, dintre care unul se mișcă uniform și rectiliniu (translațional) față de celălalt, se realizează același experiment mecanic, electrodinamic sau optic, rezultatul va fi aceeași.

Istorie

Din punct de vedere istoric, descoperirea principiului relativității a condus la ipoteza mișcării Pământului, în special a rotației acestuia în jurul axei . Întrebarea era: dacă Pământul se rotește, atunci de ce nu observăm acest lucru în experimentele efectuate pe suprafața lui? Discuția asupra acestei probleme i-a condus chiar și pe oamenii de știință medievali Nicholas Orem (secolul XIV) și Ala ad-Din Ali al-Kushchi (secolul XV) la concluzia că rotația Pământului nu poate avea niciun efect asupra niciunui experiment de pe suprafața sa. Aceste idei au fost dezvoltate în timpul Renașterii . Deci, în eseul „Despre ignoranța învățată”, Nikolai Kuzansky a scris:

„Pământul nostru se mișcă de fapt, deși nu o observăm, percepând mișcarea doar în comparație cu ceva nemișcat... Oricui, fie că se află pe Pământ, pe Soare sau pe o altă stea, i se va părea întotdeauna că este , parcă, într-un centru nemișcat, totul se mișcă.”

Gânduri similare sunt conținute în dialogul lui Giordano Bruno „Despre infinit, univers și lumi”:

„Așa cum au observat adevărații observatori ai naturii, antice și moderne, și așa cum arată experiența senzorială în mii de moduri, nu putem percepe mișcarea decât prin intermediul unei anumite comparații și comparații cu un corp imobil. Așadar, oamenii care se află în mijlocul mării pe o navă plutitoare, dacă nu știu că apa curge și nu văd țărmurile, nu vor observa mișcarea navei. Având în vedere acest lucru, se poate pune la îndoială pacea și imobilitatea Pământului. Pot considera că dacă aș fi pe Soare, Lună sau pe alte stele, atunci mi s-ar părea mereu că sunt în centrul unei lumi nemișcate, în jurul căreia se rotește totul în jur, în jurul căreia se rotește această lume din jurul meu, în centrul căruia sunt eu sunt"

Cu toate acestea, „părintele” principiului relativității este considerat pe merit Galileo Galilei , care i-a dat o formulare fizică clară, observând că, fiind într-un sistem fizic închis , este imposibil să se determine dacă acest sistem este în repaus sau se mișcă uniform. În cartea sa Dialogue Concerning the Two Systems of the World , Galileo a formulat principiul relativității după cum urmează:

Pentru obiectele prinse într-o mișcare uniformă, aceasta din urmă, așa cum ar fi, nu există și își manifestă efectul numai asupra lucrurilor care nu iau parte la ea.

Ideile lui Galileo și-au găsit dezvoltare în mecanica lui Newton . În „ Principiile matematice ale filosofiei naturale ” (volumul I, corolarul V), Newton a formulat principiul relativității astfel:

„Mișcările relative ale corpurilor unul față de celălalt, închise în orice spațiu, sunt aceleași, indiferent dacă acest spațiu este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu fără rotație.”

Pe vremea lui Galileo și Newton, oamenii se ocupau în principal de fenomene pur mecanice. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea electrodinamicii , s-a dovedit că legile electromagnetismului și legile mecanicii (în special, formularea mecanică a principiului relativității) sunt în acord slab între ele, deoarece ecuațiile mecanicii din acel moment forma cunoscută nu s-a schimbat după transformările lui Galileo și ecuațiile lui Maxwell , atunci când aceste transformări au fost aplicate lor înșiși sau deciziilor lor - și-au schimbat aspectul și, cel mai important, au dat alte predicții (de exemplu, viteza schimbată a luminii). Aceste contradicții au condus la descoperirea transformărilor Lorentz , care au făcut ca principiul relativității să fie aplicabil electrodinamicii (păstrarea invariabilă a vitezei luminii ), și la postularea aplicabilității lor și la mecanică , care a fost apoi folosită pentru a corecta mecanica luându-le în cont, care a fost exprimat, în special, în teoria specială a relativității a lui Einstein . După aceea, principiul generalizat al relativității (care implică aplicabilitate atât la mecanică, cât și la electrodinamică, precum și la posibile noi teorii, implicând și transformări Lorentz pentru tranziția între cadrele de referință inerțiale) a început să fie numit „principiul relativității lui Einstein”, iar acesta formularea mecanică – „principiul relativității Galileo”.

Principiul relativității, care include în mod explicit toate fenomenele electromagnetice, se pare că a fost introdus pentru prima dată de Henri Poincaré începând cu 1889 (când a sugerat pentru prima dată neobservabilitatea fundamentală a mișcării în raport cu eterul) până în lucrările din 1895 , 1900 , 1902 , când principiul a relativității a fost formulată în detaliu, practic în forma sa modernă, incluzând introducerea denumirii sale moderne și primirea multor rezultate fundamentale, repetate mai târziu de alți autori, cum ar fi, de exemplu, o analiză detaliată a relativității simultaneității, practic. repetat în lucrarea lui Einstein 1905 . Poincare a fost, de asemenea, conform lui Lorentz, persoana care a inspirat introducerea principiului relativității ca principiu exact (mai degrabă decât aproximativ) în lucrarea lui Lorentz din 1904 și, ulterior, a făcut corecțiile necesare unora dintre formulele acestei lucrări, în care Lorentz a găsit erori.

În acest articol fundamental , Kh.A. Lorentz ( 1904 ), care conținea derivarea transformărilor Lorentz [2] și alte rezultate fizice revoluționare, într-o formă destul de completă (cu excepția erorilor tehnice menționate care nu au rezultat din metoda corectată de Poincaré), el, în special, a scris: „Starea de lucruri ar fi satisfăcătoare dacă, cu ajutorul anumitor ipoteze de bază, s-ar putea demonstra că multe fenomene electromagnetice sunt strict, adică fără nicio neglijare a termenilor de ordin superior, independente de mișcarea sistemului... Singura restricție impusă vitezei este că aceasta trebuie să fie mai mică decât viteza luminii” [3] . Apoi, în lucrarea din 1904, Poincare a aprofundat și mai mult rezultatele lui Lorentz, transmițând sensul principiului relativității unei game destul de largă de fizicieni și matematicieni. Dezvoltarea ulterioară a utilizării practice a principiului relativității pentru construirea unei noi teorii fizice a fost în 1905 în articolul lui A. Poincaré „Despre dinamica electronului” ( 1905 ), care l-a numit în această lucrare „the Lorentz postulatul relativității”, și în articolul aproape simultan al lui A. Einstein „La electrodinamica corpurilor în mișcare” [4] .

În 1912, Lorentz scria: „Meritul lui Einstein constă în faptul că a fost primul care a exprimat principiul relativității sub forma unei legi universale, care acționează strict și precis” [5] . Lorentz a evidențiat astfel meritele lui Einstein, și nu lui Poincaré, aparent datorită faptului că Poincaré „nu a mers până la capăt”, continuând să recunoască posibilitatea și productivitatea probabilă a utilizării eterului ca cadru de referință absolut [6] . Lorentz a subliniat că Einstein a fost cel care a transferat principiul relativității de la rangul de ipoteză la rangul de lege fundamentală a naturii .

În lucrările menționate și ulterioare ale autorilor enumerați, precum și altele, printre care Planck și Minkowski ar trebui să fie evidențiați , aplicarea principiului relativității a făcut posibilă reformularea completă a mecanicii corpurilor în mișcare rapidă și a corpurilor cu energie mare. ( mecanica relativistă ) și fizica în ansamblu au primit un impuls puternic spre dezvoltare, a cărui importanță poate fi cu greu supraestimată. Ulterior, această direcție în dezvoltarea fizicii (construită pe principiul relativității în raport cu cadrele de referință care se mișcă uniform rectiliniu) este numită teoria relativității speciale .

Evident, principiul relativității lui Einstein și ideea geometrizării spațiu-timp care a apărut din el au jucat un rol important în extinderea la sistemele de referință non-inerțiale (ținând cont de principiul echivalenței ), adică în crearea unei noi teorii. a gravitației - teoria generală a relativității a lui Einstein . Restul fizicii teoretice a simțit și influența principiului relativității, nu numai direct, ci și în sensul unei atenții sporite la simetrii .

Se poate observa că , chiar dacă se dovedește vreodată că principiul relativității nu se menține întocmai, rolul său uriaș constructiv în știința vremii sale (care durează cel puțin până acum) este atât de mare încât este chiar dificil să-l compari cu orice. Bazându-se pe principiul relativității (și apoi și pe unele dintre extensiile acestuia) a făcut posibilă descoperirea, formularea și dezvoltarea productivă a atâtor rezultate teoretice primare care sunt practic de neconceput fără aplicarea lui, în orice caz, dacă vorbim despre calea reală. de dezvoltare a fizicii, că poate fi numit fundamentul pe care se construiește fizica.

Vezi și

Note

  1. ↑ Aceasta în urma unei formulări mai puternice din cea originală mai slabă nu are neapărat legătură directă cu reprezentările model ale fenomenelor care se supun principiului (slab) al relativității (de exemplu, modelul eteric permite predicția numai a fenomenelor care se supun în totalitate principiului relativitatea, permițând în același timp scrierea ecuațiilor fundamentale în forme diferite pentru sisteme de referință diferite și motivate din punctul de vedere al modelului însuși); în cazul în care principiul relativității se dovedește vreodată a fi de fapt satisfăcut doar aproximativ, această afirmație se poate dovedi a fi și mai semnificativă, iar formularea slabă este în general mai preferabilă. Totuși, atâta timp cât principiul relativității este îndeplinit întocmai (și din câte se știe, acesta este), avem dreptul să folosim formularea sa puternică, care necesită aceeași lege între ele - adică ecuațiile - în toate cadrele de referință inerțiale și chiar să-l considere preferabil, fie și doar din cauza confortului său; in orice caz, se dovedeste a fi evident corect in aceasta situatie.
  2. ↑ Termenul „Transformare Lorentz” a fost introdus de Poincaré.
  3. ↑ Principiul relativității. Culegere de lucrări ale clasicilor relativismului. M., 1935. p.19
  4. ↑ . Einstein a susținut, și nu există niciun motiv serios să ne îndoim, că nu era familiarizat cu opera lui Lorentz și Poincaré din 1904 și, în acest sens, lucrarea sa din 1905 a fost independentă (lucrarea mare și detaliată a lui Poincaré din 1905 „On the Dynamics of electronul" cu un număr imens de consecințe teoretice derivate din principiul relativității a fost trimis la tipărire după ce prima lucrare a lui Einstein a fost trimisă la tipărire, dar înainte de a fi publicată; scurtele memorii ale lui Poincaré din 1905, subliniind programul implementat într-o mare lucrare. , precum și stabilirea unor rezultate foarte semnificative, a fost publicată cu mai puțin de o lună înainte de publicarea primei lucrări a lui Einstein).
  5. ↑ Principiul relativității. M., 1935. p.23
  6. ↑ Henri Poincaré. Despre știință. Ed. al 2-lea. - M .: Nauka, 1990, p. 647.

Literatură

Surse originale și prezentări istorice în traducere rusă

Surse originale

[Ein05c] Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper , Annalen der Physik 17 (1905), 891-921. Primit la 30 iunie, publicat la 26 septembrie 1905. Retipărit cu comentarii în [Sta89], p. 276—306 Traducere în engleză, cu note de subsol care nu sunt prezente în lucrarea din 1905, disponibilă pe net [Ein05d] Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? , Annalen der Physik 18(1905), 639-641, Retipărit cu comentarii în [Sta89], Documentul 24 Traducere în engleză disponibilă pe net [Lor99] Lorentz, H.A. (1899) „Teoria simplificată a fenomenelor electrice și optice în sistemele în mișcare”, Proc. Acad. Science Amsterdam , I , 427-43. [Lor04] Lorentz, H.A. (1904) „Fenomenele electromagnetice într-un sistem care se mișcă cu orice viteză mai mică decât cea a luminii”, Proc. Acad. Science Amsterdam , IV , 669-78. [Poi89] Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la lumière , Carré & C. Naud, Paris. Retipărit parțial în [Poi02], cap. 12. [Poi97] Poincaré, H. (1897) „The Relativity of Space” , articol în traducere engleză [Poi00] Poincaré, Henri (1900), La théorie de Lorentz et le principe de réaction , Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles vol . 5: 252–278 , < http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P -1900.pdf >  . Retipărit în Poincaré, Oeuvres, tomul IX, pp. 464-488. Vezi și traducerea în limba rusă [Poi02] Poincaré, Henri (1902), Știință și ipoteză , Londra și Newcastle-on-Cyne (1905): The Walter Scott publishing Co. , < https://archive.org/details/scienceandhypoth00poinuoft >  [Poi04] Poincaré, Henri (1904), L'état actuel et l'avenir de la physique mathématique, Bulletin des sciences mathématiques vol . 28 (2): 302–324  Traducere în engleză în Poincaré, Henri (1904), Prezentul și viitorul fizică matematică , Bull. amer. Matematică. soc. (2000)  vol. 37 >http://www.ams.org/bull/2000-37-01/S0273-0979-99-00801-0/home.html, < : 25–38 7-9.de la Science"] [Poi05] Poincaré, Henri (1905), Sur la dynamique de l'électron , Comptes Rendus T. 140: 1504–1508 , < http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P-1905-1.pdf >  Retipărit în Poincaré, Oeuvres, tome IX, pp. 489-493. Vezi și traducerea în engleză de Logunov (p. 241-253) . [Poi06a] Poincaré, Henri (1906), Sur la dynamique de l'électron , Rendiconti del Circolo matematico di Palermo vol. 21: 129–176 , < http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P-1905. pdf >  Retipărit în Poincaré, Oeuvres, tomul IX, paginile 494-550. Vezi și traducerea parțială în engleză . [Poi08] Poincaré, Henri (1908), Science and Method , Londra: Nelson & Sons , < https://archive.org/details/sciencemethod00poinuoft >  [Poi13] Poincaré, Henri (1913), Last Essays , New York: Dover Publication (1963) , < https://archive.org/details/mathematicsandsc001861mbp > 
 mișcare mecanică
sistem de referință
Punct material
Corpul fizic
continuum
Concepte înrudite