Принцип относительности и инвариантность

Современная формулировка принципа относительности такова: физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно.

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета

Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой.

Специальная теория относительности

Специальная теория часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом.

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени.

В основе специальной теории относительности лежит принцип относительности и постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света.

Постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы.

Из специальной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.

Общая теория относительности

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения, - результат развития специальной теории относительности.

Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения.

При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

Если вспомнить закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном – сила гравитационного взаимодействия F. F = G* т1 * т2 / r2 где G - гравитационная постоянная.

В общей теории относительности понятие силы оказывается лишним - в поле тяготения тела движутся как бы "сами по себе" по кратчайшим путям - геодезическим линиям - в искривленном пространстве-времени.

При этом поле тяготения и есть по существу искривленное физическое пространство, создаваемое массами вещества.

Принцип инвариантности

Принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени - смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Симметрия в широком смысле означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров.

Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения.

Из сформулированного принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени.

Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

Работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений.

Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной; например сила трения.

В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии.

Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе диссипативные.

В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

Закон сохранения и превращения энергии - фундаментальный закон природы; он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем.

Энергия, по определению, - универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).