ご存知のように、アリストテレスにとって地球は宇宙の中心でした。 重い物体は自然に地球に向かって落ち、軽い物体は自然に地球から離れるように上昇します。 一般相対性理論では、この運動観が復活しているのですが、
ガリレオやニュートンなどは別の見方を展開しました。 8973>
「絶対的な空間は、それ自体の性質上、外部の何ものにも関係なく、常に同じであり、不動である。 相対的空間は絶対的空間の移動可能な次元または尺度であり、我々の感覚は物体に対する位置によってそれを決定する。空間の各部分は我々の感覚によって見ることも、互いに区別することもできないので、我々はその代わりにそれらの感覚的尺度を用いる…しかし哲学的な議論においては、我々の感覚から抽象し、それらの感覚的尺度でしかないものとは異なるもの自体を考慮するべきである”…。 — ニュートン『プリンキピアI』モット訳
ニュートンの第一法則は次のように述べている。”すべての物体は、それに加えられる力によってその状態を変えざるを得ない場合を除いて、その静止状態または直線の均一な運動の状態にあり続ける。” — 同上
これはしばしば慣性の原理と呼ばれる。
この「法則」は常に正しいのだろうか。 もちろんそうではない。 赤い信号待ちの車の中に座っているとします。 バックミラーにはサイコロがぶら下がっていて、サイコロの目がぼやけていてもかまいません。 サイコロの目は、あなたに対して静止しています。 サイコロに働く力は、重力で下に引っ張られる力と、糸で上に引っ張られる力だけである。 この2つの力は大きさが等しいので、サイコロにかかる力の合計はちょうど0になります。
信号が青になり、運転手がアクセルを踏み込みます。 サイコロは車の後ろ側に振られる。 つまり、ニュートンの第一法則は正しくありません。サイコロはある瞬間には止まっていて、次の瞬間、正味の力は作用していないのに車の後ろ側に揺れ始めます。
さて、あなたが歩道に立って車を見ているとしましょう。 赤信号で車が停止している間、サイコロはあなたに対して静止しています。 信号が青になり、車が右へ加速し始めると、サイコロは紐の力で車の動きに追随するまで、あなたに対して静止したままである。 つまり、ニュートンの第一法則は、歩道に立っているときは正しいが、車の中に座っているときは正しくないのです。
このように、ニュートンの運動分析を使うためには、ある視点、ある参照枠だけに限定しなければならないことがわかります。 ニュートンの分析が機能する参照枠は慣性枠と呼ばれます。 ニュートンにとって、「マスター」慣性フレームとは、絶対空間に対して静止しているフレームのことであった。 そして、このマスター慣性フレームに対して直線上を一様な速度で移動している任意の参照フレームも、ニュートン的分析では慣性フレームとなる。 8973>
さて、あなたが車に乗って、たとえば時速100kmでまっすぐな高速道路を走っていると想像してください。 サイコロはバックミラーから動かずにぶら下がっている。 あなたには慣性の原理が成立しています。 もう一人の観察者は高速道路の脇に立って、車が通り過ぎるのを見ている。 彼女にとってサイコロは直線上を一様に動いている。 8973>
この場合、良い質問は、誰が動いているかということです。 その答えは、あなたは高速道路のそばの観測者に相対的に動いているが、高速道路のそばの観測者はあなたに相対的に動いている、ということです。
あなたの慣性フレームと彼女の慣性フレームの両方が等しく “有効 “です。 この実現はしばしばガリレオ相対論と呼ばれます。 典型的な例として、動いている船のマストから投下された大砲の弾があります。 岸にいる観測者から見ると、砲弾は水平方向に等速で移動しながら、下に向かって一様な加速度で落下する。 しかし，船の上にいる船員からは，砲丸はまっすぐ下に落ちていくように見える． どちらの観察者も、砲丸はマストの根元に着地する。
時速100kmで車に乗っていて、運転手がブレーキをかけると、サイコロは車の前方に振られます。 従って減速中のあなたは慣性フレームにいないことになります。
同様に、車が時速100kmで走り続け、右カーブを曲がるとき、サイコロは左に振られます。 つまり、旋回中は再び慣性フレームにいないことになります。
19世紀初頭にヤングによって光が波であることが証明されたとき、何が波打っているのかという疑問がわいた。 他の波には波打っている媒質があります。 音波の場合、媒質は空気である。水波の場合、媒質は水である。 光波には光エーテルと呼ばれる媒質が存在すると仮定された。 この物質は質量がなく、宇宙のどこでも均質であると信じられていた。 8973>
ニュートン解析とそれに続くすべての物理学は、絶対空間に固定された、あるいは等価にエーテルに対して固定されたフレームと、この絶対空間に対して直線的に一様運動するフレームで機能する。 要するに 8973>
1905年、アインシュタインの特殊相対性理論が、ニュートン的な考え方に爆弾を投下した。 エーテルの概念と、それに関連する絶対空間の概念を「余計なもの」としたのです。
私たちは、慣性の原理が成り立つフレームがあること、そしてそのようなフレームでしか物理学を行えないことを知っているのです。 しかし、絶対的な「マスター」慣性フレームがなければ、循環論法に陥ってしまいます：
- We can only do Physics in inertial reference frames.
- Inertial reference frames are frames in which the Principle of Inertia is true.
But the Principle of Inertia is itself one of the law of Physics.
- We can do Physics in Inertial reference frames…The Inertia references frame is which the Trigical of Units. つまり、本質的には物理法則が成立するフレームでは物理法則が成立すると言っているのです。 この同語反復に基づく物理学が全く機能しないのは驚くべきことかもしれません。
1905年以降、一様な運動が相対的であるだけでなく、加速度も相対的であると言えるようになったことについて、考えてみるのもよいかもしれません。 2人の観測者がお互いに加速している場合、2人の観測者の運動を比較できる絶対的なフレームがないため、どちらが「本当に」加速しているかはわかりません。
相対加速度に関する考察は、1916年のアインシュタインの一般相対性理論におけるトピックの1つです。 ニワトリが道路を横断するのは自然の摂理である。 ニュートン どのような力も、ニワトリの一様な道路横断の状態を変化させなかったからである。 アインシュタイン ニワトリが道路を横断しているのか、それともニワトリの下で道路が動いているのか？