Princip relativity

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 23. října 2021; ověření vyžaduje 1 úpravu .
Symetrie ve fyzice
proměna Odpovídající
invariance 		Odpovídající
zákon
zachování
↕ Čas vysílání Jednotnost
času 		…energie
⊠ C , P , CP a T - symetrie
Časová izotropie 		... parita
↔ Vysílací prostor Homogenita
prostoru 		…impuls
↺ Rotace prostoru Izotropie
prostoru 		…
hybnost
⇆ Lorentzova skupina (posílení) Relativity
Lorentzova kovariance 		…pohyby
těžiště
~ Transformace měřidla Invariance měřidla ... nabít

Princip relativity ( Einsteinův princip relativity ) je základní fyzikální princip , jeden z principů symetrie , podle kterého všechny fyzikální procesy v inerciálních vztažných soustavách probíhají stejně, bez ohledu na to, zda je systém stacionární nebo je v stav rovnoměrného a přímočarého pohybu .

Z toho vyplývá, že všechny přírodní zákony jsou ve všech inerciálních vztažných soustavách stejné [1] .

Zvláštním případem Einsteinova principu relativity je Galileův princip relativity , který tvrdí totéž, ale ne pro všechny přírodní zákony, ale pouze pro zákony klasické mechaniky , z čehož vyplývá použitelnost Galileových transformací a nechává otevřený otázka aplikovatelnosti principu relativity na optiku a elektrodynamiku .

V moderní literatuře se princip relativity ve své aplikaci na inerciální vztažné soustavy (nejčastěji při absenci gravitace nebo při jejím zanedbání) obvykle terminologicky objevuje jako Lorentzova kovariance (nebo Lorentzova invariance).

Galileův princip relativity

Z definice zrychlení vyplývá, že pokud se pohybující se vztažná soustava pohybuje vzhledem k první bez zrychlení, tedy , pak je zrychlení tělesa vzhledem k oběma vztažným soustavám stejné.

Protože je to zrychlení, které hraje hlavní roli v newtonovské dynamice z kinematických veličin (viz druhý Newtonův zákon ), pak všechny rovnice mechaniky budou zapsány stejným způsobem v jakékoli inerciální vztažné soustavě - jinými slovy zákony mechaniky nezávisí na tom, kterou z inerciálních vztažných soustav máme, kterou studujeme, nezávisí na volbě kterékoli konkrétní inerciální vztažné soustavy jako pracovní. Také - tedy - pozorovaný pohyb těles nezávisí na takové volbě vztažné soustavy (s přihlédnutím samozřejmě k počátečním rychlostem). Toto tvrzení je známé jako Galileův princip relativity , na rozdíl od Einsteinova principu relativity.

Jinak je tento princip formulován (po Galileovi) takto:

Pokud se ve dvou uzavřených laboratořích, z nichž jedna se vůči druhé pohybuje rovnoměrně přímočaře (a translačně), provede stejný mechanický experiment, bude výsledek stejný.

Požadavek ( postulát ) principu relativity a proměna Galilea (zdánlivě intuitivně samozřejmá) do značné míry určují podobu a strukturu newtonovské mechaniky (a historicky měly také významný vliv na její formulaci). Řečeno poněkud formálněji, ukládají omezení na strukturu mechaniky, což výrazně ovlivňuje její možné formulace, které historicky velmi přispěly k jejímu vzniku.

Einsteinův princip relativity (1905)

V roce 1905 Einstein publikoval svou práci „O elektrodynamice pohybujících se těles“, ve které rozšířil Galileův princip relativity na elektrodynamické a optické zákony:

„Nejen v mechanice (podle Galilea), ale ani v elektrodynamice neodpovídají žádné vlastnosti jevů pojmu absolutního klidu, ba navíc pro všechny inerciální souřadnicové systémy, pro které platí rovnice mechaniky, platí stejná elektrodynamická a platí optické zákony“, to znamená: Pokud se ve dvou uzavřených laboratorních vztažných soustavách, z nichž jedna se vůči druhé pohybuje rovnoměrně a přímočaře (translačně), provede stejný mechanický, elektrodynamický nebo optický experiment, výsledek bude stejný.

Historie

Z historického hlediska vedl objev principu relativity k hypotéze pohybu Země, zejména její rotace kolem osy . Otázka zněla: pokud se Země otáčí, proč to tedy nepozorujeme při experimentech prováděných na jejím povrchu? Diskuse o tomto problému vedla i středověké vědce Nicholase Orema (XIV. století) a Ala ad-Din Ali al-Kushchi (XV století) k závěru, že rotace Země nemůže mít žádný vliv na žádné experimenty na jejím povrchu. Tyto myšlenky byly vyvinuty během renesance . Takže v eseji „O naučené nevědomosti“ Nikolaj Kuzansky napsal:

„Naše Země se ve skutečnosti pohybuje, i když si toho nevšimneme, pohyb vnímáme pouze ve srovnání s něčím nehybným... Každému, ať už je na Zemi, na Slunci nebo na jiné hvězdě, se bude vždy zdát, že je jakoby v nehybném středu se všechno ostatní pohybuje.“

Podobné myšlenky jsou obsaženy v dialogu Giordana Bruna „O nekonečnu, vesmíru a světech“:

„Jak si všimli praví pozorovatelé přírody, starověcí i moderní, a jak ukazuje smyslová zkušenost tisíci způsoby, pohyb můžeme vnímat pouze pomocí určitého srovnání a srovnání s nějakým nehybným tělem. Takže lidé, kteří jsou uprostřed moře na plovoucí lodi, pokud nevědí, že voda teče a nevidí břehy, nepostřehnou pohyb lodi. S ohledem na to lze pochybovat o míru a nehybnosti Země. Mohu uvažovat o tom, že kdybych byl na Slunci, Měsíci nebo na jiných hvězdách, pak by se mi vždy zdálo, že jsem ve středu nehybného světa, kolem kterého se točí všechno kolem, kolem kterého se točí tento svět kolem mě, v jehož středu jsem já jsem"

Za „otce“ principu relativity je však právem považován Galileo Galilei , který mu dal jasnou fyzikální formulaci a poznamenal, že v uzavřeném fyzikálním systému je nemožné určit, zda je tento systém v klidu nebo se pohybuje rovnoměrně. Galileo ve své knize Dialogue Concerning the Two Systems of the World formuloval princip relativity takto:

Pro předměty zachycené v rovnoměrném pohybu tento jakoby neexistuje a projevuje svůj účinek pouze na věci, které se ho neúčastní.

Galileovy myšlenky našly vývoj v Newtonově mechanice . Ve svých „ Mathematical Principles of Natural Philosophy “ (svazek I, důsledek V), Newton formuloval princip relativity takto:

"Vzájemné relativní pohyby těles, uzavřených v jakémkoli prostoru, jsou stejné, ať už je tento prostor v klidu, nebo se pohybuje rovnoměrně a přímočaře bez rotace."

V dobách Galilea a Newtona se lidé zabývali především čistě mechanickými jevy. S rozvojem elektrodynamiky se však ukázalo, že zákony elektromagnetismu a zákony mechaniky (zejména mechanická formulace principu relativity) jsou ve vzájemném rozporu, protože rovnice mechaniky v tehdejší známá forma se po Galileových transformacích nezměnila a Maxwellovy rovnice , kdy tyto transformace byly aplikovány na ně samotné nebo na jejich rozhodnutí - změnily svůj vzhled a hlavně daly jiné předpovědi (například změněnou rychlost světla). Tyto rozpory vedly k objevu Lorentzových transformací , díky nimž byl princip relativity použitelný na elektrodynamiku (udržování rychlosti světla invariantní ), a k postulaci jejich použitelnosti také na mechaniku , která byla následně použita k opravě mechaniky, která je vzala do úvahy . účet, který byl vyjádřen zejména ve vytvořené Einsteinově Speciální teorii relativity . Poté se zobecněnému principu relativity (implikujícímu aplikovatelnost jak na mechaniku, tak na elektrodynamiku, jakož i na možné nové teorie, implikující i Lorentzovy transformace pro přechod mezi inerciálními vztažnými soustavami) začal říkat „Einsteinův princip relativity“ a jeho mechanická formulace – „princip relativity Galileo“.

Princip relativity, který výslovně zahrnuje všechny elektromagnetické jevy, zjevně poprvé představil Henri Poincaré od roku 1889 (kdy poprvé navrhl základní nepozorovatelnost pohybu vzhledem k éteru) až do prací z let 1895 , 1900 , 1902 , kdy princip relativity byla formulována podrobně, prakticky v moderní podobě, včetně uvedení jejího moderního názvu a přijetí mnoha zásadních výsledků, zopakovaných později dalšími autory, jako je například podrobný rozbor relativity simultánnosti, prakticky opakován v díle Einsteina 1905 . Poincare byl také podle Lorentze osobou, která inspirovala zavedení principu relativity jako exaktního (spíše než přibližného) principu v Lorentzově práci z roku 1904 a následně provedla nezbytné opravy některých vzorců této práce, ve kterých Lorentz našel chyby.

V tomto zásadním článku Kh.A. Lorentz ( 1904 ), který obsahoval odvození Lorentzových transformací [2] a další revoluční fyzikální výsledky, v celkem ucelené podobě (s výjimkou zmíněných technických chyb, které nevyplývaly z metody opravené Poincarém), on, konkrétně napsal: „Stav věcí by bylo uspokojivé, kdyby se s pomocí určitých základních předpokladů mohlo ukázat, že mnoho elektromagnetických jevů je striktně, tedy bez jakéhokoli zanedbání pojmů vyššího řádu, nezávislých na pohyb systému ... Jediné omezení uvalené na rychlost je, že musí být menší než rychlost světla“ [3] . Poté, v práci z roku 1904, Poincare dále prohloubil výsledky Lorentze a zprostředkoval význam principu relativity poměrně širokému spektru fyziků a matematiků. K dalšímu rozvoji praktického využití principu relativity pro konstrukci nové fyzikální teorie došlo v roce 1905 v článku A. Poincarého „O dynamice elektronu“ ( 1905 ), který jej v této práci nazval „the Lorentzův postulát relativity“ a v téměř souběžném článku A. Einsteina „K elektrodynamice pohybujících se těles“ [4] .

V roce 1912 Lorentz napsal: „Einsteinova zásluha spočívá v tom, že jako první vyjádřil princip relativity ve formě univerzálního, přísně a přesně působícího zákona“ [5] . Lorentz tak vyzdvihl přednosti Einsteina a nikoli Poincarého, zřejmě kvůli tomu, že Poincaré „nešel do konce“, přičemž nadále uznával možnost a pravděpodobnou produktivitu použití éteru jako absolutního referenčního rámce [6] . Lorentz zdůraznil, že to byl Einstein, kdo přenesl princip relativity z úrovně hypotézy do úrovně základního přírodního zákona .

Ve zmíněných a dalších pracích uvedených autorů, ale i dalších, z nichž je třeba vyzdvihnout Plancka a Minkowského , aplikace principu relativity umožnila zcela přeformulovat mechaniku rychle se pohybujících těles a těles s vysokou energií. ( relativistická mechanika ), a fyzika jako celek dostaly silný impuls k rozvoji, jehož význam lze jen stěží přeceňovat. Následně se tento směr ve vývoji fyziky (vybudovaný na principu relativity ve vztahu k rovnoměrně přímočarě se pohybujícím vztažným soustavám) nazývá speciální teorie relativity .

Je zřejmé, že Einsteinův princip relativity a myšlenka časoprostorové geometrizace, která z něj vyrostla, hrály důležitou roli v rozšíření na neinerciální referenční systémy (s přihlédnutím k principu ekvivalence ), tedy při vytváření nové teorie. gravitace - Einsteinova obecná teorie relativity . I zbytek teoretické fyziky pocítil vliv principu relativity nejen přímo, ale i ve smyslu zvýšené pozornosti symetriím .

Je vidět, že i kdyby se někdy ukázalo, že princip relativity neplatí přesně, jeho obrovská konstruktivní role ve vědě své doby (trvající minimálně dosud) je tak velká, že je dokonce těžké ji srovnávat s cokoliv. Opírání se o princip relativity (a pak i o některá jeho rozšíření) umožnilo objevit, formulovat a produktivně rozvinout tolik primárních teoretických výsledků, které jsou bez jeho aplikace prakticky nemyslitelné, každopádně pokud mluvíme o skutečné cestě vývoje fyziky, že lze pojmenovat základ, na kterém je fyzika postavena.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Toto následující silnější formulace z původní slabší formulace se nemusí nutně přímo týkat modelových reprezentací jevů, které se řídí (slabým) principem relativity (například éterový model umožňuje predikci pouze jevů, které se zcela podřizují principu relativity teorie relativity, přičemž zároveň umožňuje, aby základní rovnice byly zapsány v různých formách pro různé referenční systémy a motivovány z hlediska samotného modelu); v případě, že by se někdy ukázalo, že princip relativity je skutečně splněn jen přibližně, může se toto tvrzení ukázat jako ještě smysluplnější a obecně je vhodnější slabá formulace. Dokud je však princip relativity přesně naplněn (a pokud je známo, je), máme právo používat jeho silnou formulaci, která vyžaduje stejnost samotných zákonů - tedy rovnic - v všechny inerciální vztažné soustavy, a dokonce ji považují za výhodnější, už jen kvůli její pohodlnosti; v každém případě se to v této situaci ukazuje jako zjevně správné.
  2. ↑ Termín „Lorentzova transformace“ zavedl Poincaré.
  3. ↑ Princip relativity. Sbírka děl klasiků relativismu. M., 1935. str. 19
  4. ↑ . Einstein tvrdil, a není žádný vážný důvod o tom pochybovat, že neznal dílo Lorentze a Poincarého z roku 1904 a v tomto ohledu bylo jeho dílo z roku 1905 nezávislé (Poincarého velké a podrobné dílo z roku 1905 „O dynamice elektron“ s obrovským množstvím teoretických důsledků odvozených z principu relativity byl poslán do tisku poté, co byla Einsteinova první práce odeslána do tisku, ale ještě předtím, než byla publikována; Poincarého stručná monografie z roku 1905, popisující program implementovaný ve velkém díle , a také uvádějící některé velmi významné výsledky, byla zveřejněna necelý měsíc před zveřejněním Einsteinovy ​​první práce).
  5. ↑ Princip relativity. M., 1935. str. 23
  6. ↑ Henri Poincaré. O vědě. Ed. 2. - M.: Nauka, 1990, s. 647.

Literatura

Původní prameny a historické přehledy v ruském překladu

Původní zdroje

[Ein05c] Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper , Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Přijato 30. června, publikováno 26. září 1905. Přetištěno s komentáři v [Sta89], str. 276—306 anglický překlad, s poznámkami pod čarou, které nejsou v dokumentu z roku 1905, dostupné na internetu [Ein05d] Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? , Annalen der Physik 18(1905), 639-641, přetištěno s komentáři v [Sta89], dokument 24 anglický překlad dostupný na internetu [Lor99] Lorentz, H.A. (1899) "Zjednodušená teorie elektrických a optických jevů v pohyblivých systémech", Proc. Akad. Science Amsterdam , I , 427-43. [Lor04] Lorentz, H.A. (1904) „Elektromagnetické jevy v systému pohybujícím se jakoukoli rychlostí menší než je rychlost světla“, Proc. Akad. Science Amsterdam , IV , 669-78. [Poi89] Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la lumière , Carré & C. Naud, Paříž. Částečně přetištěno v [Poi02], Ch. 12. [Poi97] Poincaré, H. (1897) "The Relativity of Space" , článek v anglickém překladu [Poi00] Poincaré, Henri (1900), La théorie de Lorentz et le principe de réaction , Archives néerlandaises des sciences exclusivees et naturelles vol . 5: 252–278 , < http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P -1900.pdf >  . Přetištěno v Poincaré, Oeuvres, tome IX, pp. 464-488. Viz také ruský překlad [Poi02] Poincaré, Henri (1902), Věda a hypotéza , Londýn a 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  Anglický překlad v Poincaré, Henri (1904), Současnost a budoucnost matematická fyzika , Bull. amer. Matematika. soc. (2000)  sv. 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 >  Přetištěno v Poincaré, Oeuvres, tome IX, s. 489-493. Viz také anglický překlad od Logunova (str. 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 >  Přetištěno v Poincaré, Oeuvres, tome IX, strany 494-550. Viz také částečný anglický překlad . [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 > 
 mechanický pohyb
referenční systém
Materiální bod
Fyzické tělo
kontinuum
Související pojmy