Принцип относительности. 
Пространство и время. 
Принципы относительности

Одним из первых, кто серьезно задумался над принципом относительности, был Галилей (1564−1642).

Он писал: «…в каюте корабля, движущегося равномерно и без качки, вы не обнаружите ни по одному из окружающих явлений, ни по чему-либо, что станет происходить с вами самими, движется ли корабль или стоит неподвижно» .

Принцип относительности. Для двух наблюдателей, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, наблюдаемые ими движения (с учетом разницы в начальных условиях) одинаковы.

Невозможно определить, находимся ли мы в состоянии покоя или в состоянии равномерного движения. Это означает, что не существует выделенной, привилегированной системы отсчета. Выражаясь научно, наблюдатели в различных системах отсчета (системах координат) видят одно и то же.

Инерциальная система отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив закон инерции (1 закон Ньютона): любое тело, на которое не действуют внешние силы (или сумма сил равно нулю), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Согласно принципу относительности, все ИСО равноправны, и все законы физики в них действуют одинаково.

Обсудим так называемое преобразование Галилея.

Рисунок 1. Пример преобразование Галилея.

Рассмотрим две системы координат (X, Y) и (X', Y'), и пусть при t=0 (абсолютное время) оси координат совпадали.

Затем правая система координат начала двигаться (для простоты — вдоль только одной оси) со скоростью V'.

В движущейся системе координат выполняются:

x'=x-v't, y'=y, z'=z, t'=t. (1).

Это так называемое преобразование Галилея.

2-й закон Ньютона:

Посмотрим, сохраняется ли 2-й закон Ньютона:

dx'/dt' = dx/dtv' и d2x/dt2=dx'2/dt'2 (2).

Но силы F'=F и ускорения одинаковы, поэтому уравнение Ньютона не изменяется.

Это фундаментальный физический закон, имеющий отношение к классической физике.

Свойство инерциальности можно сформулировать также как утверждение об однородности и изотропии пространства и однородности времени по отношению к такой системе отсчета. Однородность пространства и времени означает эквивалентность всех положений свободной частицы в пространстве во все моменты времени, а изотропия пространства — эквивалентность различных направлений в нем. Неизменность характера свободного движения частицы в любом направлении пространства является очевидным следствием этих свойств.

Если две системы отсчета движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно и если одна из них инерциальна, то очевидно, что и другая тоже является инерциальной: всякое свободное движение и в этой системе будет происходить с постоянной скоростью. Таким образом, имеется сколько угодно инерциальных систем отсчета, движущихся друг относительно друга с постоянными скоростями.

Все сказанное достаточно ясно свидетельствует об исключительности свойств инерциальных систем отсчета, в силу которых именно эти системы должны, как правило, использоваться при изучении механических явлений. Везде ниже, где обратное не оговорено особо, будет подразумеваться такой выбор системы отсчета.

Полная физическая эквивалентность всех инерциальных систем отсчета показывает, в то же время, что не существует никакой «абсолютной» системы, которую можно было бы предпочесть всем другим системам.

Теперь приведем простое наблюдение. Пусть вдоль оси х в системе (X, Y) движется автомобиль «Москвич2141» со скоростью v=60 км/час Пусть правая система координат двигается (для простоты — вдоль только одной оси) со скоростью 40 км/час.

v_отн=v-v'=(60−40)км/час=20 км/час Если «Москвич» развернется, то.

v_отн=v+v'=(60+40)км/час=100км/час, А теперь заменим «автомобиль» на «световой импульс». Казалось, ничего принципиально измениться не должно.

Рисунок 2. Движущаяся система координат.

В системе (X', Y') наблюдатель измеряет скорость света: для этого он измеряет время прохождения t' импульса света между точками А' и B', находящихся на расстоянии L' друг от друга. Наблюдатель определяет скорость света в движущейся системе координат с' = L'/t' (3).

И вот наблюдатель получает совершенно неожиданный результат с' = с,.

(а не с'=c-v, как было в случае с автомобилем).

Такое предположение о постоянстве скорости света было введено Эйнштейном.

Но сегодня мы должны отметить, что прямые астрономические наблюдения доказывают правильность предположения Эйнштейна. Согласно рассуждениям Эйнштейна, формула для сложения скоростей v₁ и v₂ должна иметь вид:

(4).

Эйнштейн разрабатывает специальную теорию относительности (СТО), которая описывает поведение тел, движущихся с релятивисткими скоростями (близкими к скорости света).

Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения.

Знаменитые эффекты: замедление хода времени и сокращение длины быстродвижущихся тел, существование предельной скорости движения тела (коей является скорость света), относительность понятия одновременности (два события происходят одновременно по часам в одной системе отсчета, но в разные моменты времени по часам в другой системе отсчета). 6].