Relativitetsprincipen

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 oktober 2021; verifiering kräver 1 redigering .

Symmetri i fysik
omvandling	Motsvarande invarians	Motsvarande fredningslag _
↕ Sändningstid _	Tidens enhetlighet	…energi
⊠ C , P , CP och T - symmetrier	Tidsisotropi _	... paritet
↔ Sändningsutrymme _	Rymdens homogenitet	…impuls
↺ Rotation av rymden	Isotropi av rymden	… fart
⇆ Lorentz-grupp (boostar)	Relativitet Lorentz kovarians	… masscentrums rörelser
~ Mätare transformation	Mätarinvarians	... ladda

Relativitetsprincipen ( Einsteins relativitetsprincip ) är en grundläggande fysikalisk princip , en av symmetriprinciperna , enligt vilken alla fysikaliska processer i tröghetsreferensramar fortgår på samma sätt, oavsett om systemet är stationärt eller det är i ett tillstånd av enhetlig och rätlinjig rörelse .

Därav följer att alla naturlagar är desamma i alla tröghetsreferensramar [1] .

Ett specialfall av Einsteins relativitetsprincip är Galileos relativitetsprincip , som säger detsamma, men inte för alla naturlagar, utan bara för den klassiska mekanikens lagar , vilket antyder tillämpligheten av Galileos transformationer och lämnar öppen frågan om tillämpligheten av relativitetsprincipen på optik och elektrodynamik .

I modern litteratur framstår relativitetsprincipen i dess tillämpning på tröghetsreferensramar (oftast i frånvaro av gravitation eller när den försummas) vanligtvis terminologiskt som Lorentz-kovarians (eller Lorentz-invarians).

Galileos relativitetsprincip

Av definitionen av acceleration följer att om den rörliga referensramen rör sig i förhållande till den första utan acceleration, det vill säga, då är kroppens acceleration i förhållande till båda referensramarna densamma. $\a_{o}=o$ $\vec a$

Eftersom det är acceleration som spelar huvudrollen i newtonsk dynamik från kinematiska storheter (se Newtons andra lag ), så kommer alla mekanikens ekvationer att skrivas på samma sätt i vilken tröghetsreferensram som helst – med andra ord mekanikens lagar beror inte på vilken av tröghetsreferensramarna vi har dem vi studerar, inte beror på valet av någon speciell av tröghetsreferensramarna som fungerande. Också - därför - beror den observerade rörelsen hos kroppar inte på ett sådant val av referenssystem (med hänsyn till, naturligtvis, initialhastigheterna). Detta uttalande är känt som Galileos relativitetsprincip , i motsats till Einsteins relativitetsprincip.

I övrigt är denna princip formulerad (efter Galileo) enligt följande:

Om i två slutna laboratorier, varav det ena rör sig likformigt i en rät linje (och translationellt) i förhållande till det andra, samma mekaniska experiment utförs, blir resultatet detsamma.

Kravet ( postulatet ) på relativitetsprincipen och omvandlingen av Galileo (till synes intuitivt uppenbart nog) bestämmer till stor del formen och strukturen för den newtonska mekaniken (och historiskt sett hade de också en betydande inverkan på dess formulering). På något mer formellt sätt lägger de begränsningar på mekanikens struktur, vilket avsevärt påverkar dess möjliga formuleringar, vilket historiskt sett i hög grad bidragit till dess bildande.

Einsteins relativitetsprincip (1905)

År 1905 publicerade Einstein sitt verk "On the Electrodynamics of Moving Bodies", där han utvidgade Galileos relativitetsprincip till elektrodynamiska och optiska lagar:

"Inte bara inom mekaniken (enligt Galileo), utan även inom elektrodynamiken, motsvarar inga egenskaper hos fenomenen begreppet absolut vila, och till och med, för alla tröghetskoordinatsystem för vilka mekanikens ekvationer är giltiga, samma elektrodynamiska och optiska lagar är giltiga”, det vill säga: Om i två slutna laboratoriereferensramar, varav den ena rör sig enhetligt och rätlinjigt (translationsmässigt) i förhållande till den andra, genomförs samma mekaniska, elektrodynamiska eller optiska experiment, blir resultatet det samma.

Historik

Ur en historisk synvinkel ledde upptäckten av relativitetsprincipen till hypotesen om jordens rörelse, särskilt dess rotation runt axeln . Frågan var: om jorden roterar, varför observerar vi då inte detta i experiment som utförs på dess yta? Diskussionen om detta problem ledde till och med medeltida vetenskapsmän Nicholas Orem (XIV-talet) och Ala ad-Din Ali al-Kushchi (XV-talet) till slutsatsen att jordens rotation inte kan ha någon effekt på några experiment på dess yta. Dessa idéer utvecklades under renässansen . Så, i uppsatsen "Om lärd okunnighet", skrev Nikolai Kuzansky :

"Vår jord rör sig faktiskt, även om vi inte märker det, uppfattar rörelsen endast i jämförelse med något orörligt ... För alla, oavsett om han är på jorden, på solen eller på en annan stjärna, kommer det alltid att verka som att han är , så att säga, i ett orörligt centrum, allt annat rör sig."

Liknande tankar finns i Giordano Brunos dialog "On Infinity, the Universe and the Worlds":

"Som de sanna naturens observatörer, forntida och moderna, har noterat, och som sensorisk erfarenhet visar på tusen sätt, kan vi bara uppfatta rörelse genom en viss jämförelse och jämförelse med någon orörlig kropp. Så människor som befinner sig mitt i havet på ett flytande fartyg, om de inte vet att vattnet rinner och inte ser stränderna, kommer inte att märka fartygets rörelse. Med tanke på detta kan man tvivla på jordens fred och orörlighet. Jag kan tänka mig att om jag befann mig på solen, månen eller på andra stjärnor, så skulle det alltid tyckas för mig att jag är i centrum av en orörlig värld, runt vilken allt runtomkring roterar, runt vilken den här världen runt mig roterar, i mitten av vilken jag är jag är"

Men relativitetsprincipens "fader" anses välförtjänt Galileo Galilei , som gav den en tydlig fysisk formulering, och noterade att det är omöjligt att avgöra om detta system är i vila eller rör sig enhetligt , eftersom det är i ett slutet fysiskt system . I sin bok Dialogue Concerning the Two Systems of the World formulerade Galileo relativitetsprincipen enligt följande:

För föremål som fångas i en enhetlig rörelse existerar detta senare så att säga inte och visar sin effekt endast på saker som inte deltar i den.

Galileos idéer utvecklades i Newtons mekanik . I sin " Matematical Principles of Natural Philosophy " (Volym I, Corollary V), formulerade Newton relativitetsprincipen så här:

"De relativa rörelserna hos kroppar i förhållande till varandra, inneslutna i vilket utrymme som helst, är desamma, oavsett om detta utrymme är i vila eller rör sig enhetligt och rätlinjigt utan att rotera"

På Galileos och Newtons dagar sysslade människor främst med rent mekaniska fenomen. Men med utvecklingen av elektrodynamiken visade det sig att elektromagnetismens lagar och mekanikens lagar (i synnerhet den mekaniska formuleringen av relativitetsprincipen) stämmer dåligt överens med varandra, eftersom mekanikens ekvationer i dåtidens känd form förändrades inte efter Galileos transformationer, och Maxwells ekvationer , när dessa transformationer tillämpades på dem själva eller på deras beslut - de ändrade sitt utseende och, viktigast av allt, gav andra förutsägelser (till exempel den ändrade ljushastigheten). Dessa motsägelser ledde till upptäckten av Lorentz-transformationerna , som gjorde relativitetsprincipen tillämpbar på elektrodynamik (att hålla ljusets hastighet oföränderlig ), och till antagandet om deras tillämplighet även på mekanik , som sedan användes för att korrigera mekaniken med dem i redogörelse, vilket uttrycktes i synnerhet i den skapade Einsteins speciella relativitetsteori . Därefter började den generaliserade relativitetsprincipen (som antyder tillämpbarhet på både mekanik och elektrodynamik, såväl som på möjliga nya teorier, vilket också innebär Lorentz-transformationer för övergången mellan tröghetsreferensramar) att kallas "Einsteins relativitetsprincip", och dess mekanisk formulering - "relativitetsprincipen Galileo".

Relativitetsprincipen, som uttryckligen inkluderar alla elektromagnetiska fenomen, introducerades tydligen först av Henri Poincaré från 1889 (då han först föreslog den grundläggande oobserverbarheten av rörelse i förhållande till etern) fram till verken 1895 , 1900 , 1902 , då principen Relativitetsprincipen formulerades i detalj, praktiskt taget i sin moderna form, inklusive introduktionen av dess moderna namn och mottagandet av många grundläggande resultat, som senare upprepades av andra författare, såsom till exempel en detaljerad analys av relativiteten för samtidighet, praktiskt taget upprepas i Einsteins verk 1905 . Poincare var också, enligt Lorentz, den person som inspirerade introduktionen av relativitetsprincipen som en exakt (snarare än ungefärlig) princip i Lorentz verk från 1904 , och som därefter gjorde de nödvändiga korrigeringarna av några av formlerna i detta arbete, där Lorentz hittade fel.

I denna grundläggande artikel skriver Kh.A. Lorentz ( 1904 ), som innehöll härledningen av Lorentz-transformationerna [2] och andra revolutionära fysiska resultat, i en ganska fullständig form (med undantag för de nämnda tekniska felen som inte följde av metoden som Poincaré korrigerade), han, i synnerhet, skrev: "Sakens tillstånd skulle det vara tillfredsställande om det med hjälp av vissa grundläggande antaganden kunde visas att många elektromagnetiska fenomen är strikt, det vill säga utan någon försumlighet av termer av högre ordning, oberoende av systemets rörelse ... Den enda begränsningen som gäller för hastigheten är att den måste vara mindre än ljusets hastighet” [3] . Sedan, i arbetet 1904, fördjupade Poincare resultaten av Lorentz ytterligare och förmedlade innebörden av relativitetsprincipen till ett ganska brett spektrum av fysiker och matematiker. Den fortsatta utvecklingen av den praktiska användningen av relativitetsprincipen för konstruktionen av en ny fysikalisk teori var 1905 i artikeln av A. Poincaré "Om elektronens dynamik" ( 1905 ), som kallade den i detta arbete "den Lorentz relativitetspostulat", och i den nästan samtidiga artikeln av A. Einstein "To the electrodynamics of moving bodies" [4] .

1912 skrev Lorentz: "Einsteins förtjänst ligger i det faktum att han var den förste som uttryckte relativitetsprincipen i form av en universell, strikt och exakt verkande lag" [5] . Lorentz pekade alltså ut fördelarna med Einstein, och inte Poincaré, uppenbarligen på grund av det faktum att Poincaré "inte gick till slutet", och fortsatte att inse möjligheten och den troliga produktiviteten av att använda etern som en absolut referensram [6] . Lorentz betonade att det var Einstein som överförde relativitetsprincipen från rangordningen av en hypotes till rangordningen av en grundläggande naturlag .

I de nämnda och ytterligare verk av de listade författarna, såväl som andra, bland vilka Planck och Minkowski bör pekas ut , gjorde tillämpningen av relativitetsprincipen det möjligt att fullständigt omformulera mekaniken hos snabbt rörliga kroppar och kroppar med hög energi ( relativistisk mekanik ), och fysiken som helhet fick en stark drivkraft till utveckling, vars betydelse knappast kan överskattas. Därefter kallas denna riktning i fysikens utveckling (byggd på relativitetsprincipen i förhållande till likformigt rätlinjigt rörliga referensramar) den speciella relativitetsteorin .

Uppenbarligen spelade Einsteins relativitetsprincip och idén om rum- tidsgeometri som växte fram ur den en viktig roll för att utvidga till icke-tröghetsreferenssystem (med hänsyn till ekvivalensprincipen ), det vill säga för att skapa en ny teori gravitation - Einsteins allmänna relativitetsteori . Resten av teoretisk fysik kände också inflytandet av relativitetsprincipen, inte bara direkt, utan också i betydelsen av ökad uppmärksamhet på symmetrier .

Man kan se att även om det någon gång skulle visa sig att relativitetsprincipen inte håller exakt, så är dess enorma konstruktiva roll i sin tids vetenskap (som varar åtminstone tills nu) så stor att det till och med är svårt att jämföra den med något. Att förlita sig på relativitetsprincipen (och sedan även på några av dess förlängningar) gjorde det möjligt att upptäcka, formulera och produktivt utveckla så många primära teoretiska resultat som är praktiskt taget otänkbara utan dess tillämpning, i alla fall, om vi talar om den verkliga vägen av fysikens utveckling, att det kan nämnas den grund som fysiken bygger på.

Se även

Anteckningar

↑ Detta efter en starkare formulering från den ursprungliga svagare hänför sig inte nödvändigtvis direkt till modellrepresentationer av fenomen som följer den (svaga) relativitetsprincipen (exempelvis tillåter etermodellen endast förutsägelse av fenomen som helt följer principen om relativitetsteori, samtidigt som de grundläggande ekvationerna kan skrivas i olika former för olika referenssystem och motiveras ur själva modellens synvinkel); i händelse av att relativitetsprincipen någon gång visar sig bara vara ungefärlig uppfylld, kan detta uttalande visa sig vara ännu mer meningsfullt, och den svaga formuleringen är generellt sett mer att föredra. Men så länge relativitetsprincipen är uppfylld exakt (och så vitt bekant är den) har vi rätt att använda dess starka formulering, som kräver att själva lagarna - det vill säga ekvationerna - är lika i alla tröghetsreferensramar, och anser till och med att det är att föredra, om än bara på grund av dess bekvämlighet; det visar sig i alla fall vara uppenbart korrekt i detta läge.
↑ Termen "Lorentz transformation" introducerades av Poincaré.
↑ Relativitetsprincipen. Samling av verk av relativismens klassiker. M., 1935. s.19
↑ . Einstein hävdade, och det finns ingen allvarlig anledning att tvivla på det, att han inte var bekant med Lorentz och Poincarés arbete från 1904, och i detta avseende var hans arbete från 1905 oberoende (Poincarés stora och detaljerade verk från 1905 "On the Dynamics of elektronen" med ett enormt antal teoretiska konsekvenser som härrör från relativitetsprincipen skickades till tryckning efter att Einsteins första verk skickades till tryck, men innan det publicerades; Poincarés korta memoar från 1905, som beskriver programmet implementerat i ett stort verk , och även med några mycket betydande resultat, publicerades mindre än en månad före publiceringen av Einsteins första verk).
↑ Relativitetsprincipen. M., 1935. s.23
↑ Henri Poincaré. Om vetenskap. Ed. 2:a. - M .: Nauka, 1990, s. 647.

Litteratur

Landau L. D. , Lifshits E. M. Fältteori . - 7:e upplagan, reviderad. — M .: Nauka , 1988. — 512 sid. - (" Teoretisk fysik ", volym II). — ISBN 5-02-014420-7 .

Originalkällor och historiska översikter i rysk översättning

http://ivanik3.narod.ru/linksPrincipOtnositelnosty.html Relativitetsprincipen. Samling av verk av relativismens klassiker. Redigerad av V. K. Frederiks och D. D. Ivanenko . ONTI. Leningrad 1935 (pdf, ryska).
http://ivanik3.narod.ru/linksPO73.html Relativitetsprincipen. Samling av verk om den speciella relativitetsteorin. M., Atomizdat , 1973. 332 sid. ( djvu , ryska)

Originalkällor

[Ein05c] Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper , Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Inhämtad 30 juni, utgiven 26 september 1905. Omtryckt med kommentarer i [Sta89], sid. 276—306 Engelsk översättning, med fotnoter som inte finns i 1905 års tidning, tillgänglig på nätet [Ein05d] Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? , Annalen der Physik 18(1905), 639-641, Återtryckt med kommentarer i [Sta89], Dokument 24 Engelsk översättning tillgänglig på nätet [Lor99] Lorentz, H.A. (1899) "Förenklad teori om elektriska och optiska fenomen i rörliga system", Proc. Acad. Science Amsterdam , I , 427-43. [Lor04] Lorentz, H.A. (1904) "Elektromagnetiska fenomen i ett system som rör sig med vilken hastighet som helst som är mindre än ljusets", Proc. Acad. Science Amsterdam , IV , 669-78. [Poi89] Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la lumière , Carré & C. Naud, Paris. Delvis omtryckt i [Poi02], kap. 12. [Poi97] Poincaré, H. (1897) "Rymdens relativitet" , artikel i engelsk översättning [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 > . Omtryckt i Poincaré, Oeuvres, tome IX, s. 464-488. Se även den ryska översättningen [Poi02] Poincaré, Henri (1902), Science and hypothesis , London och 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 Engelsk översättning i Poincaré, Henri (1904), The present and the future of matematisk fysik , Bull. amer. Matematik. 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 > Omtryckt i Poincaré, Oeuvres, tome IX, s. 489-493. Se även den engelska översättningen av Logunov (s. 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 > Återtryckt i Poincaré, Oeuvres, tome IX, sid 494-550. Se även den delvisa engelska översättningen . [Poi08] Poincaré, Henri (1908), Science and Method , London: Nelson & Sons , < https://archive.org/details/sciencemethod00poinuoft > [Poi13] Poincaré, Henri (1913), Last Essays , New York: Dover Publication (1963) , < https://archive.org/details/mathematicsandsc001861mbp >

mekanisk rörelse
referenssystem	tröghetsreferensram Icke-inertiell referensram Sammansatt rörelse Relativitetsprincipen
Materialpunkt	Enhetlig rörelse Rätlinjig rörelse Rörelseekvation Rörelseekvationer i en icke-tröghetsreferensram Bana (väg) rör på sig Fart Acceleration ( centripetalacceleration tangentiell acceleration ) rycka
Fysisk kropp	translationell rörelse Plan-parallell rörelse ( Parallell översättning ) Sfärisk rörelse ( Roterande rörelse Cirkulär rörelse Precession nutation )
kontinuum	laminärt flöde turbulent flöde
Relaterade begrepp	Hastighetsplan Tåg dragkraft Sex frihetsgrader