Αρχή της σχετικότητας

Στη φυσική, η αρχή της σχετικότητας είναι η απαίτηση ότι οι εξισώσεις που περιγράφουν τους νόμους της φυσικής είναι ίδιες για όλα τα πλαίσια αναφοράς.

Το 300 π.Χ., ο Έλληνας φιλόσοφος Αριστοτέλης πίστευε ότι τα βαριά αντικείμενα πέφτουν ταχύτερα από τα μη βαριά. Η φυσική επιστήμη του Αριστοτέλη ήταν η πιο δημοφιλής στη δυτική σκέψη για 2.000 χρόνια.

Το 1600, ο Ιταλός αστρονόμος Galileo Galilei απέδειξε ότι όλα τα αντικείμενα πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση. Επομένως, όσο περισσότερο κινείται ένα αντικείμενο με σταθερή επιτάχυνση τόσο μεγαλύτερη είναι η τελική του ταχύτητα. Επίσης, αν διαφορετικά αντικείμενα που έχουν διαφορετική μάζα το καθένα, πέσουν από την ηρεμία (αρχική ταχύτητα μηδέν) στο ίδιο ύψος στο κενό, όλα θα χτυπήσουν στο έδαφος με την ίδια ταχύτητα, ανεξάρτητα από τη μάζα τους. Οι πειραματικές ανακαλύψεις του Γαλιλαίου και οι νόμοι της κίνησης που αναπτύχθηκαν μαθηματικά από τον Νεύτωνα γέννησαν τη σύγχρονη επιστήμη.

Η αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου αναφέρει: "Είναι αδύνατο με μηχανικά μέσα να πούμε αν κινούμαστε ή αν μένουμε σε ηρεμία". Εάν δύο τρένα κινούνται με την ίδια ταχύτητα προς την ίδια κατεύθυνση, τότε ένας επιβάτης σε οποιοδήποτε τρένο δεν θα είναι σε θέση να παρατηρήσει ότι κάποιο από τα δύο τρένα κινείται. Ωστόσο, αν ο επιβάτης λάβει ένα σταθερό πλαίσιο αναφοράς, ένα σταθερό σημείο, όπως η γη, τότε θα είναι σε θέση να παρατηρήσει την κίνηση οποιουδήποτε τρένου. Κάτι άλλο, αν κάποιος στέκεται πάνω στη γη δεν θα είναι σε θέση να δει ότι αυτή κινείται.

Η αρχή αυτή προκύπτει από την παρατήρηση. Για παράδειγμα, αν ταξιδεύουμε με αεροπλάνο με σταθερή ταχύτητα, μπορούμε να περπατήσουμε στο εσωτερικό του αεροπλάνου χωρίς να παρατηρήσουμε κάτι ιδιαίτερο.

Από πρακτική άποψη, αυτό σημαίνει ότι οι νόμοι του Νεύτωνα για την κίνηση ισχύουν σε όλα τα αδρανειακά συστήματα, δηλαδή σε εκείνα που βρίσκονται σε ηρεμία ή σε εκείνα που κινούνται με σταθερή ταχύτητα σε σχέση με ένα σύστημα που θεωρείται ότι βρίσκεται σε ηρεμία. Αυτός είναι ο νόμος της αδράνειας: ένα σώμα σε ηρεμία συνεχίζει να ηρεμεί και ένα σώμα σε κίνηση συνεχίζει να κινείται σε ευθεία γραμμή, εκτός αν επηρεαστεί από μια εξωτερική δύναμη. Ένα σύστημα συντεταγμένων του Γαλιλαίου είναι αυτό στο οποίο ισχύει ο νόμος της αδράνειας. Οι νόμοι της μηχανικής του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα ισχύουν σε ένα σύστημα συντεταγμένων του Γαλιλαίου. Αν το Κ είναι ένα σύστημα συντεταγμένων του Γαλιλαίου, τότε κάθε άλλο σύστημα Κ' είναι ένα σύστημα συντεταγμένων του Γαλιλαίου αν βρίσκεται σε ηρεμία ή κινείται σύμφωνα με το νόμο της αδράνειας σε σχέση με το Κ. Σε σχέση με το Κ', οι μηχανικοί νόμοι του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα ισχύουν το ίδιο όπως και σε σχέση με το Κ.

Με άλλα λόγια, αν μια μάζα m βρίσκεται σε ηρεμία ή κινείται με σταθερή επιτάχυνση (η σταθερή επιτάχυνση θα μπορούσε να είναι ίση με μηδέν, οπότε η ταχύτητα θα παρέμενε σταθερή) σε μια ευθεία γραμμή σε σχέση με ένα σύστημα συντεταγμένων K του Γαλιλαίου, τότε θα βρίσκεται επίσης σε ηρεμία ή θα κινείται με σταθερή επιτάχυνση σε μια ευθεία γραμμή σε σχέση με ένα δεύτερο σύστημα συντεταγμένων K', υπό την προϋπόθεση ότι ο νόμος της αδράνειας ισχύει στο σύστημα K' (με άλλα λόγια, υπό την προϋπόθεση ότι πρόκειται για ένα σύστημα συντεταγμένων του Γαλιλαίου).

Επομένως, αν θέλουμε να παρατηρήσουμε ένα φαινόμενο σε ένα κινούμενο σύστημα με σταθερή ταχύτητα, μπορούμε να εφαρμόσουμε άμεσα τους νόμους του Νεύτωνα. Αν το κινούμενο σύστημα επιταχύνει (ή εμείς επιταχύνουμε σε σχέση με αυτό, όπως κοιτάζοντας τα αστέρια από τη γη), τότε θα πρέπει να εισάγουμε φανταστικές δυνάμεις για να αντισταθμίσουμε αυτό το φαινόμενο.

Αυτές οι πλασματικές δυνάμεις ονομάζονται φυγόκεντρος δύναμη και δύναμη coriolis.

Οι νόμοι του Νεύτωνα για την κίνηση είναι μηχανικά ακριβείς για ταχύτητες που είναι αργές σε σύγκριση με την ταχύτητα του φωτός. Για ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, είναι απαραίτητο να εφαρμοστούν οι ανακαλύψεις της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Για να περιγράψουν τι συμβαίνει μηχανικά στο σύμπαν, οι φυσικοί χρησιμοποιούν τη μάζα, το μήκος και το χρόνο. Στη φυσική του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα, αυτές οι ποσότητες παραμένουν ίδιες σε όλο το σύμπαν.

Με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, αυτές οι ποσότητες μπορούν να αλλάξουν.

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ερ: Τι είναι η Αρχή της Σχετικότητας;

Ερ: Ποιος πρότεινε πρώτος αυτή την αρχή;

Ερ: Τι απέδειξε ο Γαλιλαίος Γαλιλέι;

Ερ: Πώς οι ανακαλύψεις του Γαλιλαίου γέννησαν τη σύγχρονη επιστήμη;

Ερ: Τι σημαίνει αν δύο τρένα κινούνται με την ίδια ταχύτητα προς την ίδια κατεύθυνση;

Ερ: Πώς εφαρμόζονται οι νόμοι του Νεύτωνα όταν οι ταχύτητες πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός;

Αναζήτηση με γράμμα