Принцип относительности

Симметрия в физике
Преобразо- вания	Инвариант- ность	Закон сохранения
↕ трансляции времени	Консервативность	…энергии
↔ трансляции пространства	Однородность	…импульса
○ Вращения	Изотропия	…момента импульса
× Группа Лоренца	Относительность Лоренц-инвариантность	инвариантность интервала (и др. скаляров пространства-времени)

При́нцип относи́тельности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

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. Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона. 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 примененимости 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 приближенного) принципа работе Лоренца 1904, а впоследствии внёс необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых обнаружились ошибки. В этой принципиальной статье Х. А. Лоренца (1904 г.), содержавшей вывод преобразований Лоренца и другие революционные физические результаты в достаточно завершенной (за исключением упомянутых технических ошибок, не следовавших из метода, исправленных Пуанкаре) форме, 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 испольщования 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 в 1912 г., «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего строго и точно действующего закона» . 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. Кроме того, расшифровка этого загадочного утверждения Лоренца (ведь он знал и писал о том, что принцип относительности как точный и универсальный ввёл Пуанкаре, убедивший и самого Лоренца в необходимости его использования) состоит в ключевом слове «закон», то есть по мнению Лоренца именно Эйнштейн перевел принцип относительности из ранга гипотезы в ранг закона. И действительно, Эйнштейн сразу высказался в поддержку принципа относительности очень решительно (оговорки типа «если это положение верно» в его первых работах есть, но они выглядят скорее как дань академическому стилю, чем как реальное сомнение в принимаемом постулате). Эйнштейн как бы полностью принял на себя ответственность и «сделал ставку» на этот принцип, что вполне могло быть достаточно важным для изменения взгляда других физиков на вопрос (да и в позднем высказывании Пуанкаре о том, что по его мнению принцип относительности никогда не будет нарушен, хотя само предположение о такой возможности и не является абсурдом, вероятно, Эйнштейн внёс немало именно в первую часть мысли Пуанкаре). В конце концов, это еще был и первый после Пуанкаре крупный физик, решительно поддержавший и использовавший в своих работах принцип относительности, сделавший это (в отличие от Лоренца) охотно и уверенно, даже более уверенно, чем сам Пуанкаре, по крайней мере, если судить по форме их высказываний на эту тему. Так что, роль Эйнштейна в повороте главного течения физики этого времени действительно в определенном смысле можно назвать решающей, хотя он не был здесь ни единственным лицом, ни даже внесшим наибольший количественный вклад.

В дальнейших работах перечисленных авторов, а также и других, среди которых следует выделить Планка и Минковского, применение принципа относительности позволило полностью переформулировать механику быство 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 равномеро 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), в создании новой теории гравитации - общей теории относительности Эйнштейна. Остальная теоретическая физика также получила влияние принципа относительности не только непосредственно, но и в смысле повышенного внимания к симметриям.

Можно заметить, что даже если когда-либо обнаружтися, 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-то 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 построена физика.

Литература

• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — «Теоретическая физика», том II. — ISBN 5-02-014420-7^{о книге}

Оригинальные источники и исторические обзоры в русском переводе

• http://ivanik3.narod.ru/linksPrincipOtnositelnosty.html Принцип относительности. Сборник работ классиков релятивизма. Под редакцией В.К. Фредерикса и Д.Д. Иваненко. ОНТИ. Ленинград 1935 г. (pdf, русск.).
• http://www.krelib.com/sborniki__obzory/4413 Принцип относительности. Сборник работ по специальной теории относительности. М., Атомиздат, 1973. 332 с. (djvu, русск.)

Оригинальные источники

[Ein05c]

Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Received June 30, published September 26, 1905. Reprinted with comments in [Sta89], p. 276-306 English translation, with footnotes not present in the 1905 paper, available on the net

[Ein05d]

Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig?, Annalen der Physik 18(1905), 639-641, Reprinted with comments in [Sta89], Document 24 English translation available on the net

[Lor99]

Lorentz, H. A. (1899) "Simplified Theory of Electrical and Optical Phenomena in Moving Systems", Proc. Acad. Science Amsterdam, I, 427-43.

[Lor04]

Lorentz, H. A. (1904) "Electromagnetic Phenomena in a System Moving with Any Velocity Less Than That of Light", Proc. Acad. Science Amsterdam, IV, 669-78.

[Poi89]

Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la lumière, Carré & C. Naud, Paris. Partly reprinted in [Poi02], Ch. 12.

[Poi97]

Poincaré, H. (1897) "The Relativity of Space", article in English translation

[Poi00]

Poincaré, Henri (1900), "La théorie de Lorentz et le principe de réaction" (PDF), Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles 5: 252–278 . Reprinted in Poincaré, Oeuvres, tome IX, pp. 464-488. See also the English translation

[Poi02]

Poincaré, Henri (1902), Science and hypothesis, London and Newcastle-on-Cyne (1905): The Walter Scott publishing Co. 

[Poi04]

Poincaré, Henri (1904), "L'état actuel et l'avenir de la physique mathématique", Bulletin des sciences mathématiques 28 (2): 302–324  English translation in Poincaré, Henri (1904), "The present and the future of mathematical physics", Bull. Amer. Math. Soc. (2000) 37: 25–38  Reprinted in "The value of science" (1905a), Ch. 7-9.de la Science"]

[Poi05]

Poincaré, Henri (1905), "Sur la dynamique de l'électron" (PDF), Comptes Rendus 140: 1504–1508  Reprinted in Poincaré, Oeuvres, tome IX, S. 489-493. See also the English translation by Logunov (pp. 241-253).

[Poi06a]

Poincaré, Henri (1906), "Sur la dynamique de l'électron" (PDF), Rendiconti del Circolo matematico di Palermo 21: 129–176  Reprinted in Poincaré, Oeuvres, tome IX, pages 494-550. See also the partial English translation.

[Poi08]

Poincaré, Henri (1908), Science and Method, London: Nelson & Sons 

[Poi13]

Poincaré, Henri (1913), Last Essays, New York: Dover Publication (1963) 

См. также

• Интервал
• Преобразования Галилея
• Преобразования Лоренца
• Лоренц-ковариантность