1.2. Принцип относительности Галилея

Из формулы для ускорений следует, что если движущаяся система отсчета движется относительно первой без ускорения, то есть если a₀₌0, то ускорениетела относительно обеих систем отсчета одинаково.

Поскольку в Ньютоновской динамике из кинематических величин именно ускорение играет роль, то, силы зависят лишь от относительного положения и скоростей физических тел окажется, что все уравнения механики запишутся одинаково в любой инерциальной системе отсчета — иначе говоря, законы механики не зависят от того, в какой из инерциальных систем отсчета мы их исследуем, не зависят от выбора в качестве рабочей какой-либо конкретной из инерциальных систем отсчета. Также — поэтому — не зависит от такого выбора системы отсчета наблюдаемое движение тел (учитывая начальные скорости). Это утверждение известно как принцип относительности Галилея, в отличие от Принципа относительности Эйнштейна. В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна, сфор­мулированные им в 1905 г.

I. Принцип относительности:никакие опыты (механические, электрические, оптичес­кие), проведенные внутри данной инерциальной системы отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной систе­мы отсчета к другой.

II. Принцип инвариантности скорости света:скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат Эйнштейна, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает, таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы от­счета совершенно равноправны, т. е. явления (механические, электродинамические, оптические и др.) во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света — фундаментальное свойство природы, которое констатируется как опытный факт.

Требование (постулат) принципа относительности вместе с преобразованиями Галилея, представляющимися достаточно интуитивно очевидными, во многом следует форма и структура ньютоновской механики. Говоря же несколько более формально, они накладывают на структуру механики ограничения, достаточно существенно влияющие на ее возможные формулировки, исторически весьма сильно способствовавшие ее оформлению.

До сих пор мы пользовались исключительно такими системами отсчета, которые движутся равномерно и прямолинейно. Теперь настало время рассмотреть это условие более детально. Прежде всего необходимо выяснить, что следует понимать под равномерным прямолинейным движением. Ведь мы давно знаем, что нет никакого смысла говорить о движении какого-либо тела самого по себе; можно говорить лишь о движении одного тела по отношению к другому. По отношению к какому же телу наши системы отсчета движутся равномерно и прямолинейно?  Вопрос этот самым тесным образом связан с законом инерции. Тело, на которое не действуют силы, движется равномерно и прямолинейно. Спрашивается, к какому телу, к какой системе отсчета надлежит относить это движение? Брошенный вверх камень относительно земной поверхности движется с переменной скоростью; однако относительно другого свободно падающего камня он движется равномерно и прямолинейно. Без указания определенной системы отсчета закон инерции не имеет смысла. Какую же систему отсчета имел в виду Ньютон, формулируя закон инерции? По этому вопросу Ньютон высказался достаточно определенно. В своих «Началах» он заявил, что существует некое «абсолютное пространство», к которому и следует относить движение всех тел. Правда, он не указал, как определить, движется или покоится данное тело относительно этого пространства. Дальнейшее развитие физики привело к отказу от представления о существовании такой «абсолютной» системы отсчета; последним ее остатком был эфир. Но как же все-таки быть с законом инерции? Опыт показывает, что все тела, освобожденные от действия внешних сил, движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Отсюда вытекает, что существуют системы отсчета, в которых закон инерции допускает ньютоновскую формулировку — свободное тело движется с постоянной скоростью. Такие системы отсчета называются инерциальными. Нетрудно понять, что две инерциальные системы отсчета движутся одна относительно другой равномерно и прямолинейно. Все другие системы отсчета будут неинерциальными, характерной их особенностью является кажущееся нарушение закона инерции. Так, например, относительно Земли Солнце движется по окружности; в то же время не существует сил, которые заставляют его отклоняться от прямолинейного движения. Стало быть, в системе отсчета, связанной с Землей, ньютоновская формулировка закона инерции теряет силу.   Конечно, закон инерции, являясь общим законом природы, выполняется всегда и всюду, независимо от того, в какой системе отсчета мы желаем рассматривать движение тел. Но математическая его формулировка зависит от системы отсчета: относительно Земли его надо формулировать иначе, чем относительно Солнца. Проще всего закон инерции, а вместе с ним и все другие физические законы формулируются именно в инерциальных системах отсчета. Поэтому такие системы играют в физике исключительно важную роль. В частности, все наши предыдущие рассмотрения проводились в инерциальных системах. Следует отдавать себе полный отчет в том, что самый факт существования инерциальных систем отсчета есть определенное свойство пространства и времени. Такие системы могут существовать не всегда и не везде. Та часть теории относительности, которая опирается на возможность существования инерциальных систем отсчета, носит название специальной или частной теории относительности. Именно эта теория и была создана к 1905 году Лоренцом, Пуанкаре и Эйнштейном. В дальнейшем, работая над уточнением закона всемирного тяготения, Эйнштейн разработал общую теорию относительности, в которой возможность построения инерциальных систем отсчета уже не предполагается.