Принципы относительности. Принцип относительности Галилея. СТО. ОТО

Введение

Ученые пытались найти ответ на вопросы о том, как передается гравитационное взаимодействие и как распространяется свет (позже вообще любые электромагнитные волны) еще в XVIII в.
Одной из самых известных физических моделей колебательных процессов является представление об эфире. Данная гипотеза введена была для того, чтобы объяснить теорию тяготения Ньютона, как передачу гравитационной силы через пустое пространство, то есть «действие на расстоянии». Эфир приняли за некоторое «желе» - невидимое и невесомое, передающее толчок действия от одной точки к другой. Эта среда являлась полностью нематериальной, не имеющей никаких контактных сил, однако могла передавать колебания, в том числе и световые. Тем не менее, такая модель эфира заставляла исследователей вводить большое количество произвольных допущений, домыслов при объяснении многих экспериментальных фактов. Для примера, эфир увлекается движущейся Землей, так что все лабораторные установки, с помощью которых проводятся эксперименты, всегда относительно эфира находятся в состоянии покоя, таким образом, мы как бы его можем не замечать, игнорировать. В то же время Земля свободно движется сквозь эфир, который находится в состоянии покоя относительно «неподвижных» звезд. А движущаяся материальная среда, пространство, в котором распространяется свет, увлекает за собой эфир, но уже с другой скоростью, она составляет половину скорости среды.
Наличие данных противоречий послужило толчком для поиска ответов на эти вопросы и привело в дальнейшем к разработке теории относительности. Это была первая физическая теория, которая практически ликвидировала несостыковки и противоречия физики ХХ в., радикально изменила взгляды ученых на структуру пространства, времени и движения, экспериментально подтвердилась в многочисленных опытах и исследованиях [5, С. 47]. После того, как физики отказались от представления о существовании эфира как всеобщей среды, рухнуло и представление об эталонной системе отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным.
Цель данной работы – описать принцип относительности Галилея, проанализировать основы теории относительности Эйнштейна.
В соответствии с данной целью нами определены следующие задачи:
Рассмотреть суть принципа относительности Галилея.
Раскрыть основные постулаты специальной теории относительности.
Установить особенности и базовые положения общей теории относительности.


1. Принцип относительности Галилея и понятие инвариантности
В развитии естествознания важная роль принадлежит впервые сформулированному Галилеем для механического движения, принципу относительности. Характер механического движения выявляет зависимость от системы отсчета, движение его относительно. Галилеем также было введено понятие инерциальной системы для более точного описания физических явлений [1, С. 57]. Инерциальная система отсчета – это система, в отношении к которой справедлив первый закон Ньютона. Она может находиться в состоянии покоя, или движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью системы. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.
Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета, начало координат которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд. Связанная с Землей система отсчета является неинерциальной, тем не менее, эффекты, обусловленные ее неинерциальностью, связанные с вращением вокруг Солнца и обращением вокруг собственной оси, при решении многих задач очень малы, и в этих случаях можно назвать ее инерциальной. Если системы отсчета движутся равномерно по отношению друг ко другу, прямолинейно и в одной из них признаются законы динамики Ньютона, то эти системы инерциальные. Для инерциальных систем полностью реализуется механический принцип относительности – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. Это означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой являются инвариантными по отношению к преобразованию координат, не изменяются.
Никакими механическими опытами, как заметил Галилей, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, находится она в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы, не выглянув в окно, у нас не получится определить, движется ли корабль.
А. Пуанкаре (1854-1912), французский физик и математик, применил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а   А. Эйнштейн (1879-1955) использовал его для разработки специальной теории относительности. Её постулаты были предложены ученым в 1905 г.
Нынешняя формулировка принципа относительности в общем виде выглядит так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, проще говоря, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.
Вместе с принципом относительности в физике закрепились понятия инвариантов и симметрии, инвариантности, а также связь их с законом сохранения и вообще с базовыми постулатами природы.
Понятие инвариантности означает неизменность природных свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой

. То же касается и физических величин. В специальной теории относительности признается неизменность законов природы и скорости света в вакууме. Законы природы и скорость света не изменяются в результате преобразований координат и времени, предложенных нидерландским физиком Х. Лоренцом (1853-1928) в 1904 г. (ещё до появления специальной теории относительности), - преобразований, при которых уравнения Максвелла остаются инвариантными.
Концепцию относительности, которая лежит в основе общей и специальной физической теории, не стоит путать с принципом относительности наших знаний, и в физике в том числе. Тогда как первая из них касается движения физических тел касательно разных систем отсчета, т.е. характеризует процессы, происходящие в объективном, материальном мире, то вторая относится к субъективному миру и относится к росту и развитию нашего знания, процессов изменения наших представлений об объективном мире. В том, что между этими процессами прослеживается связь, нет сомнения. Даже сами физики признают тот факт, что возникновение теории относительности изменило характер мышления ученых.

2. Специальная теория относительности: суть, основные положения и постулаты.
Специальная теория относительности – это не что иное, как современная физическую теорию пространства и времени. В ней, подобно классической механике Ньютона, озвучивается предположение, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто носит название релятивистской теории, а специфические явления, которые в ней описаны, – релятивистского эффекта.
Базу специальной теории относительности составляют два постулата Эйнштейна:
принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой; никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно;
принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Эти принципы следует рассматривать как обобщение всей совокупности опытных фактов. 

Первое положение, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что законы физики неизменны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно данному постулату все инерциальные системы отсчета абсолютно равноправны, то есть, явления механические, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.
Исходя из второго постулата постоянство скорости света в вакууме – есть фундаментальным свойством природы. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Специальная теория относительности указала на нецелесообразность уже сложившихся классических представлений о пространстве и времени, так как они вступали в противоречие с принципом постоянства скорости света. Понятие абсолютного пространства и абсолютного времени утратило свой смысл [3, С. 69].
Раньше пространство и время рассматривались отдельно от движения материальных тел, само же движение вне зависимости от систем отсчета т.е. как абсолютное, то после появления специальной теории относительности было окончательно определено:
всякое движение может описываться только относительно к других тел, которые могут приниматься за системы отсчета, имеющие связь с определенной системой координат;
пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, поскольку лишь совместно они определяют положение движущегося тела. Это причина по которой время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат;
СТО показала, что одинаковость формы законов механики для всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца.
при обобщении принципа относительности и признания его влияния в среде электромагнитных процессов постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

Следствия специальной теории относительности:
при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света;
ни одно физическое тело и ни одна частица не могут двигаться со скоростью большей скорости света;
время в движущейся системе отсчета замедляется относительно неподвижной системы;
масса и энергия взаимосвязаны.


3. Общая теория относительности. Гравитация (тяготение) и время
Общая теория относительности была опубликована в 1916 г. Иногда её называют теорией тяготения. Будучи результатом развития специальной теории относительности, она распространила её принципы на ускоренные системы или неинерциальные [2, С. 70]. Альберт Эйнштейн говорил о том, что все системы отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны когда речь идет об описании движения материальных объектов