A relativitás elve

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. október 23-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .
Szimmetria a fizikában
átalakítás Megfelelő
változatlanság 		A megfelelő természetvédelmi
törvény
↕ Adásidő _
Az idő egységessége 		…energia
⊠ C , P , CP és T - szimmetriák
Idő izotrópia 		... paritás
↔ Műsorszórási tér
A tér homogenitása 		…impulzus
↺ A tér elforgatása
A tér izotrópiája 		…
lendület
⇆ Lorentz csoport (növeli) Relativitáselmélet
Lorentz-kovariancia
… a tömegközéppont mozgása
~ Mérő átalakítás Mérő invariancia ... töltés

A relativitás elve ( Einstein relativitáselve ) egy fizikai alapelv , a szimmetria egyik alapelve, amely szerint minden fizikai folyamat az inerciális vonatkoztatási rendszerben azonos módon megy végbe, függetlenül attól, hogy a rendszer stacionárius vagy egyenletes és egyenes vonalú mozgás állapota .

Ebből következik, hogy a természet minden törvénye azonos minden inercia vonatkoztatási rendszerben [1] .

Az Einstein-féle relativitáselmélet speciális esete a Galilei - féle relativitáselv , amely ugyanezt mondja ki, de nem minden természeti törvényre, hanem csak a klasszikus mechanika törvényeire , ami Galilei transzformációinak alkalmazhatóságát jelenti, és nyitva hagyja a a relativitás elvének optikára és elektrodinamikára való alkalmazhatóságának kérdése .

A modern irodalomban a relativitás elve az inerciális vonatkoztatási rendszerekre történő alkalmazásában (leggyakrabban gravitáció hiányában vagy figyelmen kívül hagyása esetén) terminológiailag általában Lorentz-kovarianciaként (vagy Lorentz-invarianciaként) jelenik meg.

Galilei relativitáselmélete

A gyorsulás definíciójából az következik, hogy ha a mozgó referenciakeret az elsőhöz képest gyorsulás nélkül mozog, azaz , akkor a test gyorsulása mindkét referenciakerethez viszonyítva azonos.

Mivel a newtoni dinamikában a kinematikai mennyiségekből a gyorsulás játssza a főszerepet (lásd Newton második törvénye ), így a mechanika összes egyenlete ugyanúgy lesz felírva bármilyen inerciarendszerben - más szóval a mechanika törvényei. nem attól függ, hogy melyik inerciális vonatkoztatási rendszerünk van, amelyet tanulmányozunk, nem függ attól, hogy az inerciális vonatkoztatási rendszerek közül melyiket választottuk működőképesnek. Szintén - tehát - a testek megfigyelt mozgása nem függ egy ilyen vonatkoztatási rendszer megválasztásától (természetesen a kezdeti sebességeket is figyelembe véve). Ezt az állítást Galilei relativitáselvének nevezik, szemben az Einstein-féle relativitáselvvel.

Egyébként ez az elv (Galileo nyomán) a következőképpen van megfogalmazva:

Ha két zárt laboratóriumban, amelyek közül az egyik egyenletesen, egyenes vonalban (és transzlációsan) mozog a másikhoz képest, ugyanazt a mechanikai kísérletet végezzük, az eredmény ugyanaz lesz.

A relativitás elvének követelménye ( posztulátuma ) és Galilei (intuitívan eléggé nyilvánvalónak tűnő) átalakulása nagymértékben meghatározza a newtoni mechanika formáját és szerkezetét (és történetileg is jelentős hatást gyakoroltak a megfogalmazására). Valamivel formálisabban szólva korlátokat szabnak a mechanika szerkezetére, ami jelentősen befolyásolja lehetséges megfogalmazásait, amelyek történetileg nagyban hozzájárultak kialakulásához.

Einstein relativitáselve (1905)

1905-ben Einstein megjelentette "A mozgó testek elektrodinamikájáról" című munkáját, amelyben Galilei relativitáselvét kiterjesztette az elektrodinamikai és optikai törvényekre:

„Nemcsak a mechanikában (Galileo szerint), hanem az elektrodinamikában sem a jelenségek egyetlen tulajdonsága sem felel meg az abszolút nyugalom fogalmának, sőt, minden tehetetlenségi koordinátarendszerre, amelyre a mechanika egyenletei érvényesek, ugyanaz az elektrodinamikai és optikai törvények érvényesek”, vagyis: Ha két zárt laboratóriumi vonatkoztatási rendszerben, amelyek közül az egyik egyenletesen és egyenesen (transzlációsan) mozog a másikhoz képest, ugyanazt a mechanikai, elektrodinamikai vagy optikai kísérletet hajtjuk végre, az eredmény ugyanaz.

Történelem

Történelmi szempontból a relativitás elvének felfedezése a Föld mozgásának, különösen a tengely körüli forgásának hipotéziséhez vezetett . A kérdés az volt: ha a Föld forog, akkor ezt miért nem figyeljük meg a felszínén végzett kísérletekben? Ennek a problémának a megvitatása vezette a középkori tudósokat Nicholas Orem (XIV. század) és Ala ad-Din Ali al-Kushchi (XV. század) arra a következtetésre, hogy a Föld forgása semmilyen hatással nem lehet a felszínén végzett kísérletekre. Ezek az ötletek a reneszánsz idején alakultak ki . Tehát Nikolai Kuzansky „A tanult tudatlanságról” című esszében ezt írta:

„Földünk valójában mozog, bár nem vesszük észre, csak valami mozdulatlanhoz képest érzékeljük a mozgást... Mindenki számára, legyen az a Földön, a Napon vagy egy másik csillagon, mindig úgy fog tűnni, hogy ő Mintha egy mozdulatlan központban minden más mozogna."

Hasonló gondolatokat tartalmaz Giordano Bruno „A végtelenségről, az Univerzumról és a világokról” című párbeszéde:

„Amint a természet valódi megfigyelői, az ősi és a mai, megjegyezték, és amint az érzékszervi tapasztalat ezerféleképpen mutatja, a mozgást csak egy bizonyos összehasonlítás és egy mozdíthatatlan testtel való összehasonlítás útján tudjuk érzékelni. Tehát azok az emberek, akik a tenger közepén vannak egy úszó hajón, ha nem tudják, hogy folyik a víz, és nem látják a partokat, nem veszik észre a hajó mozgását. Ennek fényében kételkedhetünk a Föld békéjében és mozdulatlanságában. Megfontolhatom, hogy ha a Napon, a Holdon vagy más csillagokon lennék, akkor mindig úgy tűnhet számomra, hogy egy mozdulatlan világ közepén vagyok, amely körül minden forog, amely körül forog ez a körülöttem lévő világ, amelynek középpontjában én vagyok

A relativitáselv "atyjának" azonban méltán tekintik Galileo Galileit , aki egyértelmű fizikai megfogalmazást adott neki, megjegyezve, hogy zárt fizikai rendszerben nem lehet megállapítani, hogy ez a rendszer nyugalomban van-e vagy egyenletesen mozog. Galilei Dialogue Concerning the Two Systems of the World című könyvében a következőképpen fogalmazta meg a relativitás elvét:

Az egyenletes mozgásba fogott tárgyak esetében ez utóbbi úgymond nem létezik, és csak azokon a dolgokon fejti ki hatását, amelyek nem vesznek részt benne.

Galilei ötletei Newton mechanikájában fejlődtek ki . Newton " A természetfilozófia matematikai alapelvei " című művében (I. kötet, V. következmény) így fogalmazta meg a relativitás elvét:

"A testek egymáshoz viszonyított relatív mozgása bármely térben bezárva azonos, akár nyugalomban van, akár egyenletesen és egyenesen mozog, forgás nélkül."

Galilei és Newton korában az emberek főleg tisztán mechanikai jelenségekkel foglalkoztak. Az elektrodinamika fejlődésével azonban kiderült, hogy az elektromágnesesség törvényei és a mechanika törvényei (különösen a relativitáselv mechanikai megfogalmazása) rossz összhangban vannak egymással, mivel a mechanika egyenletei az akkori Az ismert forma nem változott a Galilei-féle transzformációk és a Maxwell-egyenletek után, amikor ezeket a transzformációkat magukra vagy döntéseikre alkalmazták - megváltoztatták a megjelenésüket, és ami a legfontosabb, más előrejelzéseket adtak (például a megváltozott fénysebességre). Ezek az ellentmondások vezettek a Lorentz-transzformációk felfedezéséhez , amelyek a relativitás elvét az elektrodinamikára is alkalmazhatóvá tették (a fénysebesség invariáns tartása ), valamint a mechanikára is alkalmazhatóságuk feltételezéséhez , amelyet aztán a mechanika korrekciójára használtak. Einstein speciális relativitáselméletében . Ezt követően az általánosított relativitáselvet (amely magában foglalja mind a mechanikára, mind az elektrodinamikára, valamint a lehetséges új elméletekre, Lorentz-transzformációkat is magában foglalva az inerciális referenciakeretek közötti átmenetre) "Einstein relativitáselvének" kezdték nevezni. mechanikus megfogalmazás - "a relativitás elve Galileo".

A relativitás elvét, amely kifejezetten magában foglal minden elektromágneses jelenséget, láthatóan Henri Poincaré vezette be először 1889 - től kezdve (amikor először javasolta a mozgás alapvető megfigyelhetetlenségét az éterhez képest) egészen 1895 , 1900 , 1902 munkáiig , amikor is az elvet. A relativitáselmélet részletesen, gyakorlatilag a modern formájában fogalmazódott meg, beleértve a modern elnevezés bevezetését és számos alapvető eredményt, amelyeket később más szerzők is megismételtek, mint például az egyidejűség relativitásának részletes elemzése, gyakorlatilag megismételve Einstein 1905 művében . Lorentz szerint Poincare volt az a személy is, aki Lorentz 1904 -es munkájában a relativitás elvének mint egzakt (nem pedig közelítő) elvnek a bevezetését inspirálta , és ezt követően elvégezte a szükséges korrekciókat e munka egyes képleteiben. amelyben Lorentz hibákat talált.

Ebben az alapvető cikkben a Kh.A. Lorentz ( 1904 ), amely a Lorentz-transzformációk [2] levezetését és más forradalmi fizikai eredményeket tartalmazta, meglehetősen teljes formában (kivéve az említett technikai hibákat, amelyek nem a Poincaré által korrigált módszerből következtek), ő, különösen ezt írta: „A dolgok állása az lenne kielégítő, ha bizonyos alapfeltevések segítségével kimutatható lenne, hogy sok elektromágneses jelenség szigorúan, vagyis a magasabb rendű fogalmak figyelmen kívül hagyása nélkül független a a rendszer mozgása ... A sebességre vonatkozó egyetlen korlátozás az, hogy kisebbnek kell lennie, mint a fénysebesség” [3] . Ezután 1904 -es munkájában Poincare tovább mélyítette Lorentz eredményeit, és a fizikusok és matematikusok meglehetősen széles köre számára eljuttatta a relativitás elvének értelmét. A relativitáselv gyakorlati alkalmazásának továbbfejlesztése egy új fizikai elmélet felépítésére 1905 -ben A. Poincaré "Az elektron dinamikájáról" ( 1905 ) című cikkében szerepelt , aki ebben a munkában "a Lorentz relativitáselmélet posztulátuma", és A. Einstein szinte egyidejű cikkében "A mozgó testek elektrodinamikájához" [4] .

1912-ben Lorentz ezt írta: "Einstein érdeme abban rejlik, hogy ő volt az első, aki a relativitás elvét univerzális, szigorúan és pontosan ható törvény formájában fejezte ki" [5] . Lorentz tehát Einstein érdemeit emelte ki, és nem Poincaréét, nyilván annak a ténynek köszönhető, hogy Poincaré "nem ment a végére", továbbra is elismerte az éter abszolút referenciakeretként való használatának lehetőségét és várható termelékenységét [ 6 ] . Lorentz hangsúlyozta, hogy Einstein volt az, aki a relativitás elvét a hipotézis rangjáról a természet alapvető törvényei közé helyezte .

A felsorolt ​​szerzők említett és további munkáiban, valamint más munkáiban, amelyek közül Planck és Minkowski külön kiemelendő , a relativitás elvének alkalmazása lehetővé tette a gyorsan mozgó és nagy energiájú testek mechanikájának teljes újrafogalmazását. ( relativisztikus mechanika ), a fizika pedig összességében erős lendületet kapott a fejlődésnek, melynek jelentőségét aligha lehet túlbecsülni. Ezt követően a fizika fejlődésének ezt az irányát (amely a relativitás elvén épül fel az egyenletesen egyenesen mozgó vonatkoztatási rendszerekkel kapcsolatban) speciális relativitáselméletnek nevezik .

Nyilvánvalóan az Einstein-féle relativitáselv és az abból kifejlődött tér-idő geometrizáció gondolata fontos szerepet játszott a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekre való kiterjesztésében ( az ekvivalencia elvét figyelembe véve ), vagyis egy új elmélet megalkotásában. gravitáció – Einstein általános relativitáselmélete . Az elméleti fizika többi része is érezte a relativitáselv hatását, nemcsak közvetlenül, hanem a szimmetriákra való fokozott figyelem értelmében is .

Látható, hogy még ha kiderül is, hogy a relativitás elve nem egészen állja meg a helyét, óriási (legalábbis máig tartó) konstruktív szerepe a kor tudományában akkora, hogy még összehasonlítani is nehéz. bármi. A relativitás elvére támaszkodva (majd annak egyes kiterjesztéseire is) olyan sok olyan elsődleges elméleti eredmény felfedezését, megfogalmazását és produktív kidolgozását tette lehetővé, amelyek alkalmazása nélkül gyakorlatilag elképzelhetetlen, mindenesetre, ha a valódi útról beszélünk. a fizika fejlődéséről, hogy ez lehet az alap, amelyre a fizika épül.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Ez az eredeti gyengébbtől erősebb megfogalmazást követve nem feltétlenül kapcsolódik közvetlenül a (gyenge) relativitás elvének engedelmeskedő jelenségek modellreprezentációihoz (például az étermodell csak olyan jelenségek előrejelzését teszi lehetővé, amelyek teljes mértékben engedelmeskednek a relativitás elvének). relativitáselmélet, ugyanakkor lehetővé teszi az alapvető egyenletek különböző formában történő felírását a különböző referenciarendszerekhez, és a modell szempontjából motivált); Abban az esetben, ha a relativitás elve valójában csak megközelítőleg teljesül, ez az állítás még értelmesebbnek bizonyulhat, és általában a gyenge megfogalmazás előnyösebb. Mindaddig azonban, amíg a relativitás elve pontosan teljesül (és amennyire ismeretes, az is), jogunk van annak erős megfogalmazását alkalmazni, amely megköveteli maguknak a törvényeknek - vagyis az egyenleteknek - az azonosságát. minden inerciális vonatkoztatási rendszert, sőt előnyösebbnek tartják, már csak kényelme miatt is; mindenesetre ebben a helyzetben nyilvánvalóan helyesnek bizonyul.
  2. ↑ A "Lorentz-transzformáció" kifejezést Poincaré vezette be.
  3. ↑ A relativitás elve. A relativizmus klasszikusainak műveinek gyűjteménye. M., 1935. 19. o
  4. ↑ . Einstein azt állította, és ebben nincs komoly ok kétségbe vonni, hogy nem ismerte Lorentz és Poincaré 1904-es munkáját, és ebből a szempontból 1905-ös munkája független volt (Poincaré 1905-ös nagy és részletes munkája "On the Dynamics of az elektron" a relativitáselvből levezethető nagyszámú elméleti konzekvenciával Einstein első művének nyomtatása után, de megjelenése előtt került nyomtatásra; Poincaré 1905-ös rövid visszaemlékezése, amely felvázolja a nagy műben megvalósított programot , és néhány igen jelentős eredményt is felvázol, kevesebb mint egy hónappal Einstein első művének megjelenése előtt jelent meg).
  5. ↑ A relativitás elve. M., 1935. 23. o
  6. ↑ Henri Poincaré. A tudományról. Szerk. 2. - M .: Nauka, 1990, 647. o.

Irodalom

Eredeti források és történelmi áttekintések orosz fordításban

Eredeti források

[Ein05c] Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper , Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Érkezett június 30-án, közzététele: 1905. szeptember 26. Megjegyzésekkel együtt újranyomva a [Sta89]-ben, p. 276-306 angol fordítás, lábjegyzetekkel, amelyek nem szerepelnek az 1905-ös dolgozatban, elérhető a neten [Ein05d] Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? , Annalen der Physik 18(1905), 639-641, Újranyomva megjegyzésekkel a [Sta89]-ben, 24. dokumentum Az angol fordítás elérhető a neten [Lor99] Lorentz, H.A. (1899): "Moving Systems elektromos és optikai jelenségeinek egyszerűsített elmélete", Proc. Acad. Science Amsterdam , I , 427-43. [Lor04] Lorentz, H.A. (1904): Elektromágneses jelenségek a fénynél kisebb sebességgel mozgó rendszerben, Proc. Acad. Science Amsterdam , IV , 669-78. [Poi89] Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la Lumière , Carré & C. Naud, Párizs. Részben újranyomva [Poi02], Ch. 12. [Poi97] Poincaré, H. (1897) "A tér relativitása" , cikk angol fordításban [Poi00] Poincaré, Henri (1900), La théorie de Lorentz et le principe de réaction , Archives néerlandaises des sciences specifices et naturelles vol . 5: 252–278 , < http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P -1900.pdf >  . Újranyomva: Poincaré, Oeuvres, IX. kötet, pp. 464-488. Lásd még az orosz fordítást [Poi02] Poincaré, Henri (1902), Science and hypothesis , London és 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 28 (2): 302–324  angol fordítás: Poincaré, Henri (1904), A jelen és a jövő matematikai fizika , Bull. amer. Math. szoc. (2000)  37. kötet >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 >  Újranyomva: Poincaré, Oeuvres, IX. kötet, 489-493. Lásd még Logunov angol fordítását (241-253. oldal) . [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 >  Újranyomva: Poincaré, Oeuvres, IX. kötet, 494-550. oldal. Lásd még a részleges angol fordítást . [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 > 
 mechanikus mozgás
referenciarendszer
Anyagi pont
Fizikai test
folytonosság
Kapcsolódó fogalmak