Существование инерциальных систем отсчёта

Ньютон исходил из предположения, что инерциальные системы отсчёта существуют и среди этих систем существует наиболее предпочтительная (сам Ньютон связывал её с эфиром, заполняющим всё пространство). Дальнейшее развитие физики показало, что такой системы нет, но это привело к необходимости выйти за пределы классической физики. Более того, наличие вездесущего гравитационного поля, от которого нет защиты, исключает в принципе возможность реализации указанных в Первом законе систем отсчёта, которые остаются лишь абстракцией, принятие которой связано с сознательным допущением ошибок получаемого результата.

Эквивалентность сил инерции и гравитации

С точки зрения общей теории относительности, гравитационные силы в любой точке — это силы инерции в данной точке искривлённого пространства Эйнштейна (см. принцип эквивалентности). Различие между этими силами и силами инерции классической механики заключается в невозможности их устранения в конечной области пространства-времени переходом к любой системе отсчёта. В этом смысле глобальные или даже конечные инерциальные системы отсчёта в общей теории относительности в общем случае отсутствуют.

29

Принцип относительности

Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.

В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).

История

Отцом принципа относительности считается Галилео Галилей, который обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. Во времена Галилея люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:

Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона. В своих «Математических началах натуральной философии» (том I, следствие V) Ньютон так сформулировал принцип относительности:

Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.

Однако с развитием электродинамики оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики (в частности, механическая формулировка принципа относительности) плохо согласуются друг с другом, так как уравнения механики в известном тогда виде не менялись после преобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований к ним самим или к их решениям — меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания (например, измененную скорость света). Эти противоречия привели к открытию преобразований Лоренца, которые делали применимым принцип относительности к электродинамике (сохраняя инвариантной скорость света), и к постулированию их применимости также к механике, что затем было использовано для исправления механики с их учетом, что выразилось, в частности, в созданной Эйнштейном Специальной теории относительности. После этого обобщённый принцип относительности (подразумевающий применимость и к механике, и к электродинамике, а также к возможным новым теориям, подразумевающий также преобразования Лоренца для перехода между инерциальными системами отсчета) стал называться «принципом относительности Эйнштейна», а его механическая формулировка — «принципом относительности Галилея».

Принцип относительности, включающий явно все электродинамические и оптические явления, был, по-видимому, впервые введен Анри Пуанкаре начиная с 1889 года (когда им впервые высказано предположение о принципиальной ненаблюдаемости движения относительно эфира) до работ 1895, 1900, 1902, когда принцип относительности был сформулирован детально, практически в современном виде, в том числе введено его современное название и получены многие принципиальные результаты, повторенные позже другими авторами, такие как например детальный анализ относительности одновременности, практически повторенный в работе Эйнштейна 1905. Пуанкаре также, по признанию Лоренца, был человеком, вдохновившим введение принципа относительности как точного (а не приближённого) принципа в работе Лоренца 1904, а впоследствии внёсшим необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых у Лоренца обнаружились ошибки.

В этой принципиальной статье Х. А. Лоренца (1904 г.), содержавшей вывод преобразований Лоренца и другие революционные физические результаты в достаточно завершённой форме (за исключением упомянутых технических ошибок, не следовавших из метода, исправленных Пуанкаре), он, в частности, писал: «Положение вещей было бы удовлетворительным, если бы можно было с помощью определенных основных допущений показать, что многие электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы. … На скорость налагается только то ограничение, что она должна быть меньше скорости света». Затем, в работе 1904 года Пуанкаре дополнительно углубил результаты Лоренца, донеся значение принципа относительности до довольно широких кругов физиков и математиков. Дальнейшее развитие практического использования принципа относительности для построения новой физической теории было в 1905 г. в статье А. Пуанкаре «О динамике электрона» (1905), называвшего его в этой работе «постулатом относительности Лоренца», и в практически одновременной статье А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел».

Х. А. Лоренц писал в 1912 г.: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего строго и точно действующего закона» ^[5]. Это его утверждение, возможно, означает, что в у Эйнштейна принцип был выражен «с наибольшей резкостью», и Лоренц хотел отдать ему в этом должное, тем более что Пуанкаре после 1904 года приписывал этот принцип самому Лоренцу, очевидно, ради признания важности работ последнего вообще и работы 1904 года в частности, а Лоренц не хотел принять такой чести, считая, что его собственное понимание принципа относительности (а может быть, даже и его приятие) было недостаточным, в отличие от эйнштейновского. Лоренц выделил таким образом заслуги Эйнштейна, а не Пуанкаре, по-видимому, из-за того, что Пуанкаре «не шёл до конца», продолжая признавать возможность и вероятную продуктивность использования эфира как абсолютной системы отсчёта. Возможно также, Лоренц просто указывал на отличие отрицающего эфир подхода Эйнштейна, основывающегося целиком лишь на принципе относительности, от подхода Пуанкаре, который продолжал разделять и сам Лоренц и который базировался не только на принципе относительности, взятом в качестве необсуждаемого постулата, но и на других аргументах, хотя результаты того и другого подхода совпадали, а в будущем Пуанкаре считал возможность обнаружения нарушений принципа относительности маловероятной (хотя абсурдной саму такую возможность не считал). Лоренц подчёркивает, что именно Эйнштейн перевёл принцип относительности из ранга гипотезы в ранг фундаментального закона природы.

В упомянутых и дальнейших работах перечисленных авторов, а также и других, среди которых следует выделить Планка и Минковского, применение принципа относительности позволило полностью переформулировать механику быстро движущихся тел и тел, обладающих большой энергией (релятивистская механика), и физика в целом получила сильнейший толчок к своему развитию, значение которого трудно переоценить. Впоследствии в целом к этому направлению в развитии физики (построенном на принципе относительности в отношении равномерно прямолинейно движущихся систем отсчета) применяется название специальная теория относительности.

Очевидно, принцип относительности и выросшая из него идея геометризации пространства-времени сыграли важную роль при распространении на неинерциальные системы отсчета (учитывая принцип эквивалентности), то есть в создании новой теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна. Остальная теоретическая физика также ощутила влияние принципа относительности не только непосредственно, но и в смысле повышенного внимания к симметриям.

Можно заметить, что даже если когда-либо обнаружится, что принцип относительности не выполняется точно, его огромная конструктивная роль в науке своего времени (длящаяся по меньшей мере до сих пор) настолько велика, что ее даже трудно с чем-нибудь сравнить. Опора на принцип относительности (а потом также еще и на некоторые его расширения) позволила открыть, сформулировать и продуктивно разработать такое количество первостепенных теоретических результатов, практически не мыслимых без его применения, во всяком случае, если говорить о реальном пути развития физики, что его можно назвать основой, на которой построена физика.

30