Invarianța legilor fizice - Cadre de referință inerțiale

Să presupunem că vrei să calculezi ipotenuza unui triunghi dreptunghic având în vedere unghiurile de bază și laturile adiacente. Calculezi ipotenuza cu una dintre laturi și cosinusul unghiului de bază, sau din teorema lui Pitagora; rezultatele ar trebui să fie în acord. Predicțiile bazate pe diferite principii ale fizicii trebuie să fie de asemenea în acord, fie că le considerăm principii ale mecanicii sau principii ale electromagnetismului.

Albert Einstein s-a gândit la un dezacord între predicțiile bazate pe electromagnetism și ipotezele făcute în mecanica clasică. În mod specific, să presupunem că un observator măsoară viteza unui impuls de lumină în cadrul de repaus al observatorului; adică în cadrul de referință în care observatorul se află în repaus. Conform ipotezelor considerate de mult timp evidente în mecanica clasică, dacă un observator măsoară o viteză u⃗ într-un cadru de referință și acel cadru de referință se mișcă cu viteza v⃗ față de un al doilea cadru de referință, un observator din al doilea cadru măsoară viteza inițială. ca u′^→ = u⃗ + v⃗ . Această sumă de viteze este adesea denumită relativitate galileană. Dacă acest principiu este corect, pulsul de lumină pe care observatorul îl măsoară în timp ce se deplasează cu viteza c se deplasează cu viteza c + v măsurată în cadrul celui de-al doilea observator. Dacă presupunem în mod rezonabil că legile electrodinamicii sunt aceleași în ambele cadre de referință, atunci viteza prezisă a luminii (în vid) în ambele cadre ar trebui să fie c = 1/√ε₀μ₀. Fiecare observator ar trebui să măsoare aceeași viteză a pulsului de lumină în raport cu propriul cadru de repaus al observatorului. Pentru a reconcilia dificultățile de acest gen, Einstein a construit teoria specială a relativității, care a introdus idei radical noi despre timp și spațiu, care de atunci au fost confirmate experimental.

Cadre inerțiale

Toate vitezele sunt măsurate în raport cu un cadru de referință. De exemplu, mișcarea unei mașini este măsurată în raport cu poziția sa de pornire pe drumul pe care circulă; mișcarea unui proiectil este măsurată în raport cu suprafața de pe care este lansat; iar mișcarea orbitală a unei planete este măsurată în raport cu steaua pe care o orbitează. Cadrele de referință în care mecanica ia cea mai simplă formă sunt cele care nu accelerează. Prima lege a lui Newton, legea inerției, este valabilă exact într-un astfel de cadru.

CADRUL DE REFERINȚĂ INERȚIAL

Un cadru de referință inerțial este un cadru de referință în care un corp în repaus rămâne în repaus și un corp în mișcare se mișcă cu o viteză constantă în linie dreaptă, dacă nu este acționat de o forță exterioară.

De exemplu, pentru un pasager din interiorul unui avion care zboară cu viteză constantă și altitudine constantă, fizica pare să funcționeze exact la fel ca atunci când pasagerul stă pe suprafața Pământului. Când avionul decolează însă, lucrurile sunt ceva mai complicate. În acest caz, pasagerul în repaus în interiorul avionului concluzionează că o forță netă F asupra unui obiect nu este egală cu produsul dintre masă și accelerație, ma. În schimb, F este egal cu ma plus o forță fictivă. Această situație nu este la fel de simplă ca într-un cadru inerțial. Relativitatea specială tratează cadrele accelerate ca o constantă și vitezele în raport cu observatorul. Relativitatea generală tratează atât viteza, cât și accelerația ca fiind relativ la observator, utilizând astfel spațiu-timp curbat.