Jak možná víte, pro Aristotela byla Země středem vesmíru. Těžké předměty přirozeně padaly k Zemi a lehké předměty od ní přirozeně stoupaly. V obecné teorii relativity je tento pohled na pohyb vzkříšen.
Galileo, Newton a další vyvinuli jiný názor. Zásadní pro tento pohled je, že existuje absolutní prostor.
„Absolutní prostor ve své vlastní podstatě, bez vztahu k čemukoli vnějšímu, zůstává vždy podobný a nehybný. Relativní prostor je nějaký pohyblivý rozměr nebo míra absolutních prostorů; který naše smysly určují podle jeho polohy vůči tělesům… Protože části prostoru nelze našimi smysly vidět ani je od sebe odlišit, tam místo nich používáme jejich smyslové míry… ale ve filosofickém pojednání bychom měli abstrahovat od našich smyslů a uvažovat o věcech samých, odlišných od toho, co je pouze jejich smyslovou mírou.“ 10698. — Newton, Principia I, Motte trans.
Newtonův první zákon říká, že:
„Každé těleso setrvává ve svém klidovém stavu nebo rovnoměrném pohybu po přímce, pokud není nuceno tento stav změnit působením sil.“ — Tamtéž
Tento zákon se často nazývá principem setrvačnosti.
Platí tento „zákon“ vždy? Samozřejmě že ne. Představte si, že sedíte v autě na červené světelné křižovatce. Na zpětném zrcátku visí dvojice hracích kostek; není povinné, aby byly kostky rozmazané. Jak tam sedíte, kostky jsou vůči vám v klidu. Jediné síly, které na kostky působí, jsou gravitační síla, která je táhne dolů, a provázek, který je táhne nahoru. Tyto dvě síly jsou stejně velké, takže celková síla působící na kostky je přesně nulová. Představíme si, že auto stojí vpravo.
Začne svítit zelená a řidič šlápne na plyn. Kostka se vychýlí směrem k zadní části auta. První Newtonův zákon tedy neplatí: v jednom okamžiku jsou kostky nehybné a v dalším okamžiku se začnou kývat směrem k zadní části auta, přestože na ně nepůsobí žádné čisté síly.
Představte si nyní, že stojíte na chodníku a pozorujete auto. Zatímco stojí na červené, kostky jsou vůči vám nehybné. Když se na semaforu rozsvítí zelená a auto začne zrychlovat doprava, kostky zůstanou vůči vám nehybné, dokud je síla, kterou na ně působí provázek, nepřinutí následovat pohyb auta. První Newtonův zákon tedy platí, když stojíte na chodníku, ale neplatí, když sedíte v autě.
Tak vidíme, že chceme-li použít Newtonovu analýzu pohybu, musíme se omezit jen na určité úhly pohledu, určité vztažné rámce. Vztažné rámce, v nichž Newtonova analýza funguje, se nazývají inerciální rámce. Jsou to rámce, v nichž platí princip setrvačnosti.
Pro Newtona existoval „hlavní“ inerciální rámec: rámec nehybný vzhledem k absolutnímu prostoru. A každý vztažný rámec, který se vůči tomuto nadřazenému inerciálnímu rámci pohybuje rovnoměrnou rychlostí po přímce, bude v Newtonově analýze také inerciálním rámcem. Jakýkoli vztažný rámec, který vzhledem k absolutnímu prostoru zrychluje, například rámec auta, když na semaforu naskočí zelená a řidič šlápne na plyn, nebude inerciální.
Představte si nyní, že jedete v autě řekněme rychlostí 100 km/h po rovné dálnici. Kostky nehybně visí ve zpětném zrcátku. Platí pro vás princip setrvačnosti. Vedle dálnice stojí druhý pozorovatel a sleduje, jak auto projíždí kolem. Pro ni se kostky pohybují rovnoměrným pohybem po přímce. Druhý pozorovatel je tedy také v setrvačném rámci.
V tomto případě je dobrá otázka: Kdo se pohybuje? A odpověď zní: Vy se pohybujete vzhledem k pozorovateli vedle dálnice, ale pozorovatel vedle dálnice se pohybuje vzhledem k vám. Oba se tedy pohybujete vzhledem k sobě navzájem.
Obě inerciální soustavy, jak vaše, tak její, jsou stejně „platné“. Tato realizace se často nazývá galileovská relativita. Klasickou ilustrací je dělová koule shozená ze stěžně pohybující se lodi. Z pohledu pozorovatele na břehu padá koule s rovnoměrným zrychlením dolů, přičemž se pohybuje konstantní rychlostí v horizontálním směru. Námořníkovi na lodi se však zdá, že dělová koule padá přímo dolů. Pro oba pozorovatele dopadne dělová koule na základnu stěžně. Malá animace této okolnosti ve formátu Flash je k dispozici zde.
Jedeš-li v autě rychlostí 100 km/h a řidič dupne na brzdu, kostka se vychýlí směrem k přední části auta. Během zpomalování se tedy nenacházíte v inerciálním rámu. Pozorovatel vedle silnice uvidí, že se kostky nadále pohybují konstantní rychlostí přímočaře, dokud je provázek nepřinutí zpomalit spolu s autem.
Podobně, pokud se auto stále pohybuje rychlostí 100 km/h, ale projíždí pravotočivou zatáčkou, kostky se vychýlí doleva. Během zatáčky se tedy opět nenacházíte v inerciálním rámci. Pro pozorovatele vedle silnice opět platí pro kostku princip setrvačnosti.
Když Young na počátku devatenáctého století dokázal, že světlo je vlnění, vyvstala otázka, co přesně se vlní? Pro ostatní vlnění existuje prostředí, které se vlní. U zvukových vln je tímto prostředím vzduch, u vodních vln je tímto prostředím voda. Bylo postulováno, že pro světelné vlny existuje médium, které bylo nazváno světelný éter. Předpokládalo se, že tato látka je bez hmoty a homogenní všude ve vesmíru. Zdá se přirozené spojit tento světelný éter s absolutním prostorem, který mnohem dříve navrhl Newton.
Tehdejší Newtonova analýza a celá fyzika, která z ní vycházela, funguje v rámci pevném v absolutním prostoru nebo ekvivalentně pevném vzhledem k éteru a také v jakémkoli rámci pohybujícím se rovnoměrným přímočarým pohybem vzhledem k tomuto absolutnímu prostoru. Výsledek je následující:
V roce 1905 Einsteinova speciální teorie relativity vrhla bombu na Newtonův pohled. Učinil pojem éteru a s ním spojenou představu absolutního prostoru „zbytečnými“.
Víme, že existují rámce, v nichž platí princip setrvačnosti, a že Fyziku můžeme dělat pouze v takovém rámci. Bez absolutního „hlavního“ inerciálního rámce se však omezujeme na argumentaci v kruhu:
- Fyziku můžeme dělat pouze v inerciálních vztažných rámcích.
- Inerciální vztažné rámce jsou rámce, v nichž platí princip setrvačnosti.
Princip setrvačnosti je však sám o sobě jedním z fyzikálních zákonů. V podstatě tedy říkáme, že fyzikální zákony platí v rámcích, v nichž platí fyzikální zákony. Je možná s podivem, že Fyzika na základě této tautologie vůbec funguje. Ale funguje velmi dobře.
Možná byste se chtěli zamyslet nad tím, že po roce 1905 můžeme říci, že nejen rovnoměrný pohyb je relativní, ale i zrychlení. Pokud dva pozorovatelé vůči sobě zrychlují, nemůžeme říci, který z nich „skutečně“ zrychluje, protože neexistuje absolutní rámec, s nímž bychom mohli pohyby obou pozorovatelů porovnat. Víme však, že pokud se jeden z těchto pozorovatelů nachází v inerciální vztažné soustavě, pak druhý nikoli.
Úvahy o relativním zrychlení jsou jedním z témat Einsteinovy obecné teorie relativity z roku 1916.