3.1: Принцип відносності
- Page ID
- 77416
Теорія відносності імені була невдалим вибором: відносність простору та часу не є найважливішою річчю, а саме незалежністю законів Природи з точки зору спостерігача.
- Арнольд Зоммерфельд
Фундаментальна наука потребує лише закритого приміщення
Звідки ти знаєш, що рухаєшся? Або в стані спокою? У машині ви робите паузу на стоп-сигналі. Ви бачите машину поруч з вами, що послаблює вперед. З шоком ви раптом розумієте, що замість цього ваш власний автомобіль котиться назад. На міжнародному рейсі ви дивитеся фільм з намальованими відтінками салону. Чи можете ви сказати, чи їде літак на мінімальній швидкості або повній швидкості? У складному жарті, чи може літак насправді сидіти на злітно-посадковій смузі, двигуни працюють? Звідки ти знаєш?
Повсякденні спостереження, такі як ці, складають основу для здогадки, яку Ейнштейн підняв до статусу постулату і поставив у центр теорії особливої відносності. Він назвав його Принципом відносності. 1 Грубо кажучи, Принцип відносності говорить, що, не дивлячись у вікно, ви не можете сказати, в якій опорній рамці ви перебуваєте або як швидко рухаєтеся.
Галілео Галілей зробив першу відому формулювання принципу відносності. Слухайте персонажів в його книзі:
SALVATIUS: Заткнися з якимось другом у головній каюті під палубами на якомусь великому кораблі, і мати з вами там кілька мух, метеликів та інших дрібних літаючих тварин. Майте велику миску з водою з деякою рибою в ній; повісьте пляшку, яка спустошує краплю за краплею в широку посудину під нею. З кораблем, що стоїть на місці, уважно спостерігайте за тим, як звірятка з однаковою швидкістю літають в усі сторони салону. Риба плаває байдуже на всі боки; краплі потрапляють в посудину під ним; і, кидаючи щось своєму другові, потрібно кидати його не сильніше в одну сторону, ніж в іншу, відстані рівні; стрибаючи ногами разом, ви проходите рівні пробіли в кожну сторону. Коли ви уважно спостерігали за всіма цими речами (хоча немає сумнівів, що коли корабель стоїть на місці, все повинно відбуватися таким чином), попросіть корабель продовжити з будь-якою швидкістю, яка вам подобається, доки рух рівномірний і не коливається таким чином і що. Ви виявите не останню зміну у всіх названих ефектах, і не могли б ви сказати від будь-якого з них, чи рухався корабель або стояв на місці. 2 Стрибаючи, ви будете проходити по підлозі ті ж простори, що і раніше, і не будете робити більші стрибки в сторону корми, ніж у бік носу, навіть якщо корабель рухається досить швидко, незважаючи на те, що за час перебування в повітрі підлога під вами буде йти в напрямку навпроти вашого стрибка. Кидаючи щось своєму супутникові, вам не буде потрібно більше сил, щоб дістатися до нього, будь він у напрямку носа або корми, при цьому ви розташовуєтеся навпроти. Краплі потраплять, як і раніше, в судно під ним, не опускаючись до корми, хоча в той час як краплі знаходяться в повітрі, корабель проходить багато прольотів. Риба в їх воді буде плавати до передньої частини їх чаші з не більше зусиль, ніж до спини, і буде йти з однаковою легкістю до приманки, розміщеної в будь-якому місці по краях чаші. Нарешті метелики та мухи продовжуватимуть свої польоти байдуже до кожної сторони, і ніколи не станеться, що вони зосереджені до корми, ніби втомилися від того, щоб йти в ногу з ходом корабля, від якого вони будуть відокремлені протягом довгих інтервалів, тримаючись у повітря.
«Мій портрет тепер закінчений, дуже гарна подоба, відмінною рукою. «— 22 вересня 1635
«Якщо коли-небудь хтось може кинути виклик, щоб бути сигнально відрізнятися своїм інтелектом від інших людей, Птолемей і Коперник були вони, які мали честь бачити найдалі в і дискурс найбільш глибоко світові системи».
«Любий Кеплер, що ми зробимо з усього цього? Будемо сміятися, чи будемо плакати?»
«Коли я перестану дивуватися?»
САГРЕДУС: Хоча мені не спало на думку випробувати ці спостереження, коли я плавав, я впевнений, що вони відбуватимуться так, як ви описуєте. На підтвердження цього я пам'ятаю, що часто опинився у своїй каюті, дивуючись, чи рухається корабель чи стоїть на місці; і іноді за примхою я припускав, що він буде йти в одну сторону, коли його рух був протилежним.
Галілеєвський принцип відносності простий у цій ранній формулюванні, але не такий простий, як це може бути. Яким чином це просто? Фізика виглядає так само, як і на кораблі, що рухається рівномірно, як і на кораблі в спокої. Відносний рівномірний рух двох кораблів не впливає на закони руху ні в одному кораблі. М'яч, що падає прямо на один корабель, з'являється з іншого корабля, щоб слідувати параболічним курсом; м'яч падає прямо вниз на цей другий корабель, також, здається, слідує параболічному курсу, коли спостерігається з першого корабля. Простота Галілеєвого принципу відносності полягає в еквівалентності двох земних кадрів та симетрії між ними.
Яким чином ця простота не така велика, як може бути? За рахунком Галілея системи відліку ще не є вільними (інерційними). 3 Щоб зробити їх таким, потрібен лише невеликий концептуальний крок; від двох рівномірно рухаються морських кораблів до двох непотужних космічних кораблів. Потім вгору і вниз, північ і південь, схід і захід, всі стають однаковими. Незайманий силою м'яч не зазнає ніякого прискорення. Його рух по відношенню до одного космічного корабля настільки ж рівномірний, як і по відношенню до іншого. Ця ідентичність закону вільного руху у всіх інерційних системах відліку - це те, що сьогодні означає Галілеєвський принцип відносності.
Галілей не міг жодним натяком уяви попросити свого слухача розмістити себе на космічному кораблі в 1632 році. Тим не менш, він міг би описати більшу простоту фізики, якщо дивитися з такої точки зору. Пляшки, краплі води та всі інші тестові об'єкти плавають у спокої або рухаються з рівномірною швидкістю. Нульове прискорення кожного прилеглого об'єкта щодо космічного корабля було б зрозумілим для Галілея всіх людей. Хто більш чітко встановив, ніж він, що щодо Землі всі прилеглі об'єкти мають загальне прискорення?
Принцип відносності Ейнштейна - це узагальнення подібних експериментів і багатьох інших видів експериментів, що включають не тільки механіку, але і електромагнетизм, ядерну фізику і так далі.
Всі закони фізики однакові в кожній вільній (інерційній) системі відліку.
Принцип відносності Ейнштейна говорить, що після того, як закони фізики були встановлені в одному фреймі з вільним плаванням, їх можна застосовувати без модифікації в будь-якому іншому кадрі з вільним плаванням. І математична форма законів фізики, і числові значення основних фізичних констант, які містять ці закони, однакові в кожному фреймі вільного плавання. Що стосується законів фізики, то всі фрі-плаваючі кадри рівнозначні.
Ми можемо сказати, де ми знаходимося на Землі, дивлячись у вікно. Де ми знаходимося в Чумацькому Шляху ми можемо сказати по конфігурації Великої Ведмедиці та інших сузір'їв. Як швидко і в якому напрямку ми проходимо через великі рамки Всесвіту, ми вимірюємо за допомогою набору мікрохвильових ріжків, спрямованих на підхоплення мікрохвильового випромінювання, що протікає через простір з усіх боків. Але тепер виключіть всю інформацію ззовні. Зніміть все випромінювання з небес. Стягніть вниз віконну тінь. Тоді проведіть будь-який експеримент з руху і зіткнення частинок і дії електричних і магнітних сил в будь-якому вільному плавучому кадрі, який нам подобається. Ми не знаходимо жодної різниці у відповідності до законів фізики між вимірами, проведеними в одному вільному кадрі, і виконаними в іншому. Ми дійдемо до принципу відносності в його негативному вигляді:
Жодна перевірка законів фізики не дає жодного способу відрізнити один фрейм від іншого.
ПРИНЦИП ВІДНОСНОСТІ СПИРАЄТЬСЯ НА ПОРОЖНЕЧУ!
У своїй роботі про особливу відносність Ейнштейн каже: «Ми піднімемо цю здогаду (чия намір відтепер буде називатися «Принципом відносності»), щоб постулювати... "Чи є принцип відносності просто постулювати? Вся особлива відносність спирається на нього. Звідки ми знаємо, що це правда? Що криється за принципом відносності?
Це питання філософське, а не наукове. У вас буде своя думка; ось наша. Ми вважаємо, що принцип відносності, який використовується в спеціальній теорії відносності, спирається на одне слово: порожнеча.
Простір порожній; в космосі немає кілометрових стовпів або мильних стовпів. Ви хочете виміряти відстань і час? Потім встановлюють решітку з метрових паличок і годинників. Відступайте від метрових паличок, синхронізуйте годинник. Використовуйте решітку- роботу для проведення ваших вимірювань. Відкрийте для себе закони фізики. Ця гратчаста робота - це ваша конструкція, а не природа. Не просіть Природу вибрати свою решіткуроботу в перевазі аналогічної гратчастої роботи, яку я побудував. Чому б і ні? Тому що простір порожній. Простір вміщує нас обох, коли ми йдемо про наші конструкції та наші дослідження. Але він не вибирає жодного з нас в перевазі іншому. Як це можна? Простір порожній. Ніщо не може відрізнити вашу решіткуроботу від моєї. Якщо ми вирішимо таємно обмінюватися гратчастимироботами. Природа ніколи не буде мудрішою! Звідси випливає, що будь-які закони фізики ви виявите, використовуючи свою решітку- робота повинна бути тими ж законами фізики, які я виявляю, використовуючи свою решітку. Те ж саме справедливо і тоді, коли наші решітки рухаються відносно один одного. Хто з нас перебуває в стані спокою? Немає можливості сказати в порожньому просторі! Це принцип відносності.
Але чи справді простір порожній? «Однозначно ні!» говорить сучасна квантова фізика. «Космос - це киплячий котел віртуальних частинок. Щоб спостерігати за цим котлом, відбирають ділянки простору набагато менше, ніж протон. Проводьте цей відбір проби в рази набагато коротше, ніж час, необхідний світлу, щоб перетнути діаметр протона». Ці слова знайомі або зовсім незрозумілі, в залежності від обсягу нашого досвіду з фізикою. У будь-якому випадку ми можемо уникнути боротьби з «киплячим котлом віртуальних частинок», спостерігаючи події, які знаходяться далеко один від одного в порівнянні з розмірами протона, події, відокремлені один від одного в рази довше порівняно з часом, який потрібен світло, щоб перетнути діаметр протона.
У царині класичної (неквантової) фізики простір дійсно порожній? «Звичайно, ні!» говорить сучасна космологія. «Космос сповнений зірок і пилу і випромінювання і нейтрино і білих карликів і нейтронних зірок і (багато хто вважає) чорних дір. Щоб спостерігати за цими структурами, вибірка областей космосу, порівнянних за розміром з площею нашої галактики. Ці структури еволюціонують і рухаються по відношенню один до одного в рази, порівнянні з мільйонами років».
Тому ми вибираємо регіони, далекі від масивних структур, уникаємо пилу, ігноруємо нейтрино та радіацію та вимірюємо події, які відбуваються близько один до одного за часом порівняно з мільйоном років.
Зверніть увагу, що для дуже маленьких, а також для дуже великих, описані «регіони» охоплюють як простір, так і час - це регіони простору-часу. «Порожнеча» відноситься до просторучасу. Тому ми повинні були сказати спочатку: «Spacetime порожній» - крім нас і нашого апарату - з обмеженнями, описаними вище.
Коротше кажучи, ми можемо знайти «ефективно порожні» області просторучасу просторової протяжності досить на кілька порядків більше і менше розмірів наших тіл і часу поширюються на кілька порядків довше і коротше, ніж раз, що описують наші рефлекси. У простору-часових регіонах цього загального розміру можна знайти порожній простор-час. У порожньому просторі/часі застосовується Принцип відносності. Там, де застосовується Принцип відносності, спеціальна відносність правильно описує Природа.
1 Принцип відносності: З намальованими відтінками ви не можете сказати свою швидкість
2 Галілей: Перша відома формулювання принципу відносності
3 Розширення міркувань Галілея від корабля до космічного корабля