Relativitetsprincippet

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. oktober 2021; verifikation kræver 1 redigering .

Symmetri i fysik
transformation	Tilsvarende invarians	Den tilsvarende fredningslov
↕ Sendetid _	Tidens ensartethed	…energi
⊠ C , P , CP og T - symmetrier	Tids isotropi	... paritet
↔ Udsendelsesplads _	Rummets homogenitet	…impuls
↺ Rotation af rummet	Isotropi af rummet	… momentum
⇆ Lorentz gruppe (forstærker)	Relativitet Lorentz kovarians	… bevægelser af massecentret
~ Måletransformation	Måler invarians	... opladning

Relativitetsprincippet ( Einsteins relativitetsprincip ) er et grundlæggende fysisk princip , et af symmetriprincipperne , ifølge hvilket alle fysiske processer i inertiereferencerammer forløber på samme måde, uanset om systemet er stationært eller det er i en tilstand af ensartet og retlinet bevægelse .

Det følger heraf, at alle naturlovene er ens i alle inertielle referencerammer [1] .

Et særligt tilfælde af Einsteins relativitetsprincip er Galileos relativitetsprincip , som siger det samme, men ikke for alle naturlove, men kun for lovene i klassisk mekanik , hvilket antyder anvendeligheden af Galileos transformationer og lader spørgsmål om anvendeligheden af relativitetsprincippet på optik og elektrodynamik .

I moderne litteratur optræder relativitetsprincippet i dets anvendelse på inerti-referencerammer (oftest i fravær af tyngdekraft eller når det negligeres) normalt terminologisk som Lorentz-kovarians (eller Lorentz-invarians).

Galileos relativitetsprincip

Af definitionen af acceleration følger det, at hvis den bevægelige referenceramme bevæger sig i forhold til den første uden acceleration, det vil sige , så er kroppens acceleration i forhold til begge referencerammer den samme. $\a_{o}=o$ $\vec a$

Da det er acceleration, der spiller hovedrollen i newtonsk dynamik ud fra kinematiske størrelser (se Newtons anden lov ), så vil alle mekanikkens ligninger skrives på samme måde i enhver inerti-referenceramme - med andre ord mekanikkens love ikke afhængig af, hvilken af de inertiereferencerammer, vi har dem, vi studerer, afhænger ikke af valget af en bestemt af inertiereferencerne som en fungerende. Også - derfor - afhænger den observerede bevægelse af legemer ikke af et sådant valg af referencesystem (under hensyntagen naturligvis til starthastighederne). Denne udtalelse er kendt som Galileos relativitetsprincip i modsætning til Einsteins relativitetsprincip.

Ellers er dette princip formuleret (efter Galileo) som følger:

Hvis der i to lukkede laboratorier, hvoraf det ene bevæger sig ensartet i en lige linje (og translationelt) i forhold til det andet, udføres det samme mekaniske eksperiment, vil resultatet være det samme.

Kravet ( postulatet ) om relativitetsprincippet og transformationen af Galileo (tilsyneladende intuitivt indlysende nok) bestemmer i høj grad formen og strukturen af den newtonske mekanik (og historisk set havde de også en væsentlig indflydelse på dens formulering). Når man taler noget mere formelt, pålægger de begrænsninger på mekanikkens struktur, som i væsentlig grad påvirker dens mulige formuleringer, som historisk set i høj grad har bidraget til dens dannelse.

Einsteins relativitetsprincip (1905)

I 1905 udgav Einstein sit værk "On the Electrodynamics of Moving Bodies", hvori han udvidede Galileos relativitetsprincip til elektrodynamiske og optiske love:

"Ikke kun i mekanikken (ifølge Galileo), men også i elektrodynamikken, svarer ingen egenskaber ved fænomener til begrebet absolut hvile, og endda, for alle inertikoordinatsystemer, for hvilke mekanikkens ligninger er gyldige, den samme elektrodynamiske og optiske love er gyldige”, det vil sige: Hvis der i to lukkede laboratoriereferencerammer, hvoraf den ene bevæger sig ensartet og retlinet (translationsmæssigt) i forhold til den anden, udføres det samme mekaniske, elektrodynamiske eller optiske eksperiment, vil resultatet være det samme.

Historie

Fra et historisk synspunkt førte opdagelsen af relativitetsprincippet til hypotesen om Jordens bevægelse, især dens rotation omkring aksen . Spørgsmålet var: hvis Jorden roterer, hvorfor observerer vi det så ikke i eksperimenter udført på dens overflade? Diskussionen om dette problem førte middelalderforskerne Nicholas Orem (XIV århundrede) og Ala ad-Din Ali al-Kushchi (XV århundrede) til den konklusion, at jordens rotation ikke kan have nogen effekt på nogen eksperimenter på dens overflade. Disse ideer blev udviklet under renæssancen . Så i essayet "Om tillært uvidenhed" skrev Nikolai Kuzansky :

"Vores Jord bevæger sig faktisk, selvom vi ikke bemærker det, og opfatter kun bevægelsen i sammenligning med noget ubevægeligt ... For alle, uanset om han er på Jorden, på Solen eller på en anden stjerne, vil det altid se ud til, at han er så at sige i et ubevægeligt center bevæger alt andet sig."

Lignende tanker er indeholdt i Giordano Brunos dialog "On Infinity, the Universe and the Worlds":

"Som de sande iagttagere af naturen, gamle og moderne, har bemærket, og som sanseerfaring viser på tusind måder, kan vi kun opfatte bevægelse ved hjælp af en vis sammenligning og sammenligning med en eller anden ubevægelig krop. Så folk, der er midt i havet på et flydende skib, vil ikke bemærke skibets bevægelse, hvis de ikke ved, at vandet flyder og ikke kan se kysterne. I lyset af dette kan man tvivle på jordens fred og ubevægelighed. Jeg kan tænke på, at hvis jeg var på Solen, Månen eller på andre stjerner, så ville det altid virke for mig, at jeg er i centrum af en ubevægelig verden, omkring hvilken alt omkring roterer, omkring hvilken denne verden omkring mig roterer, i centrum, som jeg er, er jeg"

Men "faderen" til relativitetsprincippet betragtes fortjent som Galileo Galilei , som gav det en klar fysisk formulering, idet han bemærkede, at det, da det er i et lukket fysisk system , er umuligt at afgøre, om dette system er i ro eller bevæger sig ensartet. I sin bog Dialogue Concerning the Two Systems of the World formulerede Galileo relativitetsprincippet som følger:

For genstande, der er fanget i en ensartet bevægelse, eksisterer sidstnævnte så at sige ikke og manifesterer sin virkning kun på ting, der ikke deltager i den.

Galileos ideer fandt udvikling i Newtons mekanik . I hans " Matematical Principles of Natural Philosophy " (bind I, konsekvens V), formulerede Newton relativitetsprincippet således:

"De relative bevægelser af kroppe i forhold til hinanden, indesluttet i ethvert rum, er de samme, uanset om dette rum er i hvile eller bevæger sig ensartet og retlinet uden rotation"

På Galileos og Newtons dage beskæftigede man sig hovedsageligt med rent mekaniske fænomener. Men med udviklingen af elektrodynamikken viste det sig, at elektromagnetismens love og mekanikkens love (især den mekaniske formulering af relativitetsprincippet) er i dårlig overensstemmelse med hinanden, da mekanikkens ligninger i datidens kendt form ændrede sig ikke efter Galileos transformationer, og Maxwells ligninger , når disse transformationer blev anvendt på dem selv eller på deres beslutninger - de ændrede deres udseende og, vigtigst af alt, gav andre forudsigelser (for eksempel den ændrede lyshastighed). Disse modsætninger førte til opdagelsen af Lorentz-transformationerne , som gjorde relativitetsprincippet anvendeligt til elektrodynamik (holde lysets hastighed invariabel ), og til postuleringen af deres anvendelighed også på mekanik , som derefter blev brugt til at korrigere mekanik, der tog dem ind i redegørelse, som især kom til udtryk i den skabte Einsteins særlige relativitetsteori . Derefter begyndte det generaliserede relativitetsprincip (hvilket antyder anvendelighed til både mekanik og elektrodynamik, såvel som på mulige nye teorier, hvilket også indebærer Lorentz-transformationer for overgangen mellem inerti-referencerammer) at blive kaldt "Einsteins relativitetsprincip", og dets mekanisk formulering - "relativitetsprincippet Galileo".

Relativitetsprincippet, som eksplicit omfatter alle elektromagnetiske fænomener, blev tilsyneladende først introduceret af Henri Poincaré fra 1889 (da han første gang foreslog den grundlæggende uobserverbarhed af bevægelse i forhold til æteren) indtil værkerne i 1895 , 1900 , 1902 , hvor princippet Relativitetsprincippet blev formuleret i detaljer, praktisk talt i sin moderne form, inklusive introduktionen af dets moderne navn og modtagelsen af mange grundlæggende resultater, gentaget senere af andre forfattere, såsom for eksempel en detaljeret analyse af relativiteten af samtidighed, praktisk talt gentaget i Einsteins arbejde 1905 . Poincare var også, ifølge Lorentz, den person, der inspirerede til introduktionen af relativitetsprincippet som et nøjagtigt (snarere end tilnærmet) princip i Lorentz ' værk fra 1904 , og som efterfølgende foretog de nødvendige rettelser til nogle af formlerne i dette værk, hvor Lorentz fandt fejl.

I denne grundlæggende artikel skriver Kh.A. Lorentz ( 1904 ), som indeholdt udledningen af Lorentz-transformationerne [2] og andre revolutionære fysiske resultater, i en ret fuldstændig form (med undtagelse af de nævnte tekniske fejl, der ikke fulgte af metoden korrigeret af Poincaré), han, især skrev: "Tingenes tilstand ville det være tilfredsstillende, hvis det ved hjælp af visse grundlæggende antagelser kunne påvises, at mange elektromagnetiske fænomener er strengt, dvs. uden nogen forsømmelse af højere ordens udtryk, uafhængige af systemets bevægelse ... Den eneste begrænsning, der pålægges hastigheden, er, at den skal være mindre end lysets hastighed” [3] . Derefter, i arbejdet i 1904, uddybede Poincare Lorentz resultater yderligere, og formidlede betydningen af relativitetsprincippet til en temmelig bred vifte af fysikere og matematikere. Den videre udvikling af den praktiske anvendelse af relativitetsprincippet til opbygningen af en ny fysisk teori var i 1905 i artiklen af A. Poincaré "Om elektronens dynamik" ( 1905 ), som i dette værk kaldte det "den Lorentz relativitetspostulat", og i den næsten samtidige artikel af A. Einstein "To the electrodynamics of moving bodies" [4] .

I 1912 skrev Lorentz: "Einsteins fortjeneste ligger i, at han var den første, der udtrykte relativitetsprincippet i form af en universel, strengt og præcist virkende lov" [5] . Lorentz fremhævede således fordelene ved Einstein, og ikke Poincaré, tilsyneladende på grund af det faktum, at Poincaré "ikke gik til enden", og fortsatte med at anerkende muligheden og den sandsynlige produktivitet ved at bruge æteren som en absolut referenceramme [6] . Lorentz understregede, at det var Einstein, der overførte relativitetsprincippet fra en hypoteses rang til en grundlæggende naturlovs rang .

I de nævnte og yderligere værker af de anførte forfattere, såvel som andre, blandt hvilke Planck og Minkowski bør fremhæves, gjorde anvendelsen af relativitetsprincippet det muligt fuldstændigt at omformulere mekanikken i hurtigt bevægende kroppe og kroppe med høj energi ( relativistisk mekanik ), og fysikken som helhed fik en stærk fremdrift til udvikling, hvis betydning næppe kan overvurderes. Efterfølgende kaldes denne retning i fysikkens udvikling (bygget på relativitetsprincippet i forhold til ensartet retlinet bevægende referencerammer) for den særlige relativitetsteori .

Det er klart, at Einsteins relativitetsprincip og idéen om rum- tidsgeometri, der voksede ud af det, spillede en vigtig rolle i at udvide til ikke-inertielle referencesystemer (under hensyntagen til ækvivalensprincippet ), det vil sige ved at skabe en ny teori tyngdekraften - Einsteins generelle relativitetsteori . Resten af teoretisk fysik følte også indflydelsen af relativitetsprincippet, ikke kun direkte, men også i betydningen øget opmærksomhed på symmetrier .

Det kan ses, at selvom det nogensinde skulle vise sig, at relativitetsprincippet ikke holder præcist, så er dets enorme konstruktive rolle i sin tids videnskab (varede i hvert fald indtil nu) så stor, at det endda er svært at sammenligne det med hvad som helst. At stole på relativitetsprincippet (og så også på nogle af dets udvidelser) gjorde det muligt at opdage, formulere og produktivt udvikle så mange primære teoretiske resultater, der i hvert fald er utænkelige uden dets anvendelse, hvis vi taler om den virkelige vej af fysikkens udvikling, at det kan nævnes det fundament, fysikken bygger på.

Se også

Noter

↑ Dette efter en stærkere formulering fra den oprindelige svagere, relaterer sig ikke nødvendigvis direkte til modelrepræsentationer af fænomener, der adlyder det (svage) relativitetsprincip (f.eks. tillader ætermodellen kun forudsigelse af fænomener, der fuldstændigt adlyder princippet om relativitetsteori, samtidig med at de tillader de grundlæggende ligninger at blive skrevet i forskellige former for forskellige referencesystemer og motiveret ud fra selve modellens synspunkt); i tilfælde af at relativitetsprincippet nogensinde viser sig faktisk kun at være tilnærmelsesvist opfyldt, kan dette udsagn vise sig at være endnu mere meningsfuldt, og den svage formulering er generelt mere at foretrække. Men så længe relativitetsprincippet er opfyldt nøjagtigt (og så vidt vides er det), har vi ret til at bruge dets stærke formulering, som kræver ensartethed af selve lovene - det vil sige ligningerne - i alle inerti-referencerammer, og anser det endda for at foretrække, om ikke andet på grund af dets bekvemmelighed; i hvert fald viser det sig at være åbenlyst korrekt i denne situation.
↑ Udtrykket "Lorentz transformation" blev introduceret af Poincaré.
↑ Relativitetsprincippet. Samling af værker af relativismens klassikere. M., 1935. s.19
↑ . Einstein hævdede, og der er ingen seriøs grund til at tvivle på det, at han ikke var bekendt med Lorentz og Poincarés arbejde fra 1904, og i denne henseende var hans arbejde fra 1905 uafhængigt (Poincarés store og detaljerede værk fra 1905 "On the Dynamics of elektronen" med et enormt antal teoretiske konsekvenser afledt af relativitetsprincippet blev sendt til tryk efter Einsteins første værk blev sendt til tryk, men før det blev udgivet; Poincarés korte erindringer fra 1905, der skitserer programmet implementeret i et stort værk , og som også angiver nogle meget væsentlige resultater, blev offentliggjort mindre end en måned før udgivelsen af Einsteins første værk).
↑ Relativitetsprincippet. M., 1935. s.23
↑ Henri Poincaré. Om videnskab. Ed. 2. - M .: Nauka, 1990, s. 647.

Litteratur

Landau L. D. , Lifshits E. M. Felteori. - 7. udgave, revideret. — M .: Nauka , 1988. — 512 s. - (" Teoretisk fysik ", bind II). — ISBN 5-02-014420-7 .

Originale kilder og historiske oversigter i russisk oversættelse

http://ivanik3.narod.ru/linksPrincipOtnositelnosty.html Relativitetsprincippet. Samling af værker af relativismens klassikere. Redigeret af V. K. Frederiks og D. D. Ivanenko . ONTI. Leningrad 1935 (pdf, russisk).
http://ivanik3.narod.ru/linksPO73.html Relativitetsprincippet. Samling af værker om den særlige relativitetsteori. M., Atomizdat , 1973. 332 s. ( djvu , russisk)

Originalkilder

[Ein05c] Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper , Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Modtaget 30. juni, udgivet 26. september 1905. Genoptrykt med kommentarer i [Sta89], s. 276—306 Engelsk oversættelse, med fodnoter, der ikke findes i avisen fra 1905, tilgængelig på nettet [Ein05d] Albert Einstein: Er Trägheit enes Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? , Annalen der Physik 18(1905), 639-641, Genoptrykt med kommentarer i [Sta89], Dokument 24 Engelsk oversættelse tilgængelig på nettet [Lor99] Lorentz, H.A. (1899) "Simplified Theory of Electrical and Optical Phenomena in Moving Systems", Proc. Acad. Science Amsterdam , I , 427-43. [Lor04] Lorentz, H.A. (1904) "Elektromagnetiske fænomener i et system, der bevæger sig med enhver hastighed, der er mindre end lysets", Proc. Acad. Science Amsterdam , IV , 669-78. [Poi89] Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la lumière , Carré & C. Naud, Paris. Delvis genoptrykt i [Poi02], Kap. 12. [Poi97] Poincaré, H. (1897) "The Relativity of Space" , artikel i engelsk oversættelse [Poi00] Poincaré, Henri (1900), La théorie de Lorentz et le principe de réaction , Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles bind 5: 252–278 , < http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P -1900.pdf > . Genoptrykt i Poincaré, Oeuvres, tome IX, s. 464-488. Se også den russiske oversættelse [Poi02] Poincaré, Henri (1902), Science and hypothesis , London og 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 bind 28 (2): 302–324 Engelsk oversættelse i Poincaré, Henri (1904), The present and the future of matematisk fysik , Bull. amer. Matematik. soc. (2000) bind 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 > Genoptrykt i Poincaré, Oeuvres, tome IX, s. 489-493. Se også den engelske oversættelse af Logunov (s. 241-253) . [Poi06a] Poincaré, Henri (1906), Sur la dynamique de l'électron , Rendiconti del Circolo matematico di Palermo bind 21: 129–176 , < http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P-1905. pdf > Genoptrykt i Poincaré, Oeuvres, tome IX, side 494-550. Se også den delvise engelske oversættelse . [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 bevægelse
referencesystem	inerti referenceramme Ikke-inertiel referenceramme Sammensat bevægelse Relativitetsprincippet
Materiale punkt	Ensartet bevægelse Retlineær bevægelse Bevægelsesligning Bevægelsesligninger i en ikke-inertiel referenceramme Bane (sti) bevæger sig Hastighed Acceleration ( centripetal acceleration tangentiel acceleration ) bindestreg
Fysisk krop	translationel bevægelse Plan-parallel bevægelse ( parallel oversættelse ) Sfærisk bevægelse ( Roterende bevægelse Cirkulær bevægelse Præcession nutation )
kontinuum	laminær strømning turbulent flow
Beslægtede begreber	Hastighedsplan Tog trækkraft Seks frihedsgrader