Jak być może wiesz, dla Arystotelesa Ziemia była centrum wszechświata. Ciężkie obiekty naturalnie spadały w kierunku Ziemi, a lekkie obiekty naturalnie wznosiły się z dala od niej. W Ogólnej Teorii Względności ten pogląd na ruch jest wskrzeszony.
Galileo, Newton i inni rozwinęli inny pogląd. Kluczowe dla tego punktu widzenia jest to, że istnieje przestrzeń absolutna.
„Przestrzeń absolutna, w swej własnej naturze, bez związku z czymkolwiek zewnętrznym, pozostaje zawsze podobna i nieruchoma. Przestrzeń względna jest jakimś ruchomym wymiarem lub miarą przestrzeni absolutnej; którą nasze zmysły określają przez jej położenie względem ciał… ponieważ części przestrzeni nie mogą być widziane lub odróżniane od siebie przez nasze zmysły, dlatego w ich miejsce używamy rozsądnych miar… ale w filozoficznych rozważaniach powinniśmy abstrahować od naszych zmysłów i rozważać rzeczy same w sobie, odrębne od tego, co jest tylko ich rozsądną miarą.” — Newton, Principia I, Motte trans.
Pierwsze Prawo Newtona stwierdzało, że:
„Każde ciało trwa w swoim stanie spoczynku, lub ruchu jednostajnym po linii prostej, chyba że jest zmuszone do zmiany tego stanu przez siły na nie działające.” — Ibid
To jest często nazywane Zasadą bezwładności.
Czy to „Prawo” jest zawsze prawdziwe? Oczywiście, że nie. Wyobraź sobie, że siedzisz w samochodzie na czerwonym świetle stopu. Para kostek do gry jest zawieszona na lusterku wstecznym; jest to opcjonalne dla kostek, aby być rozmyte. Kiedy tam siedzisz, kostki są w spoczynku względem ciebie. Jedyne siły działające na kostki to siła grawitacji ciągnąca je w dół i siła sznurka ciągnąca je w górę. Te dwie siły są równe co do wielkości, więc całkowita siła działająca na kostkę wynosi dokładnie zero. Wyobrażamy sobie, że samochód jest skierowany w prawo.
Światło zmienia się na zielone i kierowca naciska na gaz. Kostki wychylają się w kierunku tyłu samochodu. Zatem pierwsze prawo Newtona nie jest prawdziwe: w jednej chwili kostki są nieruchome, a w następnej zaczynają się kołysać w kierunku tyłu samochodu, mimo że nie działają na nie żadne siły netto.
Wyobraźmy sobie teraz, że stoimy na chodniku i obserwujemy samochód. Gdy stoi on na czerwonym świetle, kostki do gry są nieruchome względem ciebie. Kiedy światło zmienia się na zielone i samochód zaczyna przyspieszać w prawo, kostki pozostają nieruchome względem ciebie, dopóki siła wywierana na nie przez sznurek nie zmusi ich do podążania za ruchem samochodu. Tak więc Pierwsze Prawo Newtona jest prawdziwe, gdy stoisz na chodniku, ale nie jest prawdziwe, gdy siedzisz w samochodzie.
Widzimy więc, że aby użyć Newtonowskiej analizy ruchu, musimy ograniczyć się tylko do pewnych punktów widzenia, pewnych ram odniesienia. Układy odniesienia, w których działa analiza Newtona nazywane są układami inercyjnymi. Są to ramy, w których zasada bezwładności jest prawdziwa.
Dla Newtona istniała „główna” rama inercyjna: rama nieruchoma względem przestrzeni absolutnej. Każda rama odniesienia, która porusza się z jednakową prędkością po linii prostej względem tej głównej ramy inercyjnej, będzie również ramą inercyjną w analizie Newtona. Każda rama odniesienia, która przyspiesza względem przestrzeni absolutnej, taka jak rama samochodu, kiedy światło zmienia się na zielone i kierowca naciska na gaz, nie będzie inercyjna.
Wyobraźmy sobie teraz, że jedziemy w samochodzie z prędkością, powiedzmy, 100 km/godz. po prostej autostradzie. Kostki do gry zwisają nieruchomo z lusterka wstecznego. Zasada bezwładności jest prawdziwa dla ciebie. Drugi obserwator stoi przy autostradzie i patrzy na przejeżdżający samochód. Dla niej kostki poruszają się ruchem jednostajnym po linii prostej. Zatem drugi obserwator jest również w ramie inercyjnej.
W tym przypadku dobrym pytaniem jest: kto się porusza? Odpowiedź jest taka, że ty poruszasz się względem obserwatora przy autostradzie, ale obserwator przy autostradzie porusza się względem ciebie. Więc oboje poruszacie się względem siebie.
Zarówno twoja rama inercyjna jak i jej rama inercyjna są równie „ważne”. Ta realizacja jest często nazywana względnością Galileusza. Klasyczną ilustracją jest kula armatnia zrzucona z masztu poruszającego się statku. Z punktu widzenia obserwatora na brzegu, kula spada z jednakowym przyspieszeniem w dół, poruszając się ze stałą prędkością w kierunku poziomym. Natomiast dla marynarza na statku kula armatnia wydaje się spadać prosto w dół. Dla obu obserwatorów kula armatnia ląduje u podstawy masztu. Mała animacja Flash tej okoliczności jest dostępna tutaj.
Jeśli jedziesz samochodem z prędkością 100 km/godz. i kierowca naciska na hamulce, kostka do gry odchyla się w kierunku przodu samochodu. Zatem podczas hamowania nie znajdujesz się w ramie inercjalnej. Obserwator obok drogi będzie widział, że kostki nadal poruszają się ze stałą prędkością w linii prostej, dopóki sznurek nie zmusi ich do zwolnienia wraz z samochodem.
Podobnie, jeśli samochód nadal porusza się z prędkością 100 km/godz, ale pokonuje zakręt w prawo, kostki będą się kołysać w lewo. Tak więc podczas skrętu znów nie znajdujesz się w ramie inercyjnej. Ponownie dla obserwatora znajdującego się obok drogi zasada bezwładności pozostaje prawdziwa dla kostki.
Gdy na początku XIX wieku Young udowodnił, że światło jest falą, pojawiło się pytanie, co dokładnie faluje? W przypadku innych fal istnieje ośrodek, który faluje. Dla fal dźwiękowych ośrodkiem jest powietrze; dla fal wodnych ośrodkiem jest woda. Postulowano istnienie ośrodka dla fal świetlnych, który nazwano eterem świetlnym. Uważano, że substancja ta jest bezmasowa i jednorodna w całym wszechświecie. Naturalne wydaje się skojarzenie tego świetlistego eteru z absolutną przestrzenią, którą Newton zaproponował dużo wcześniej.
Analiza Newtona wtedy, i cała Fizyka, która z niej wynikała, działa w ramce ustalonej w absolutnej przestrzeni, lub równoważnie ustalonej względem eteru, a także w dowolnej ramce poruszającej się ruchem jednostajnym w linii prostej względem tej absolutnej przestrzeni. Skutek jest taki: Fizykę możemy uprawiać tylko w tych inercyjnych układach odniesienia.
W 1905 roku Szczególna Teoria Względności Einsteina zrzuciła bombę na pogląd newtonowski. Uczynił on pojęcie eteru i związaną z nim ideę przestrzeni absolutnej „zbędnymi”.”
Wiemy, że istnieją ramy, w których Zasada Bezwładności jest prawdziwa, i że możemy uprawiać fizykę tylko w takich ramach. Ale bez absolutnej „głównej” ramy inercyjnej jesteśmy zredukowani do okrężnego argumentu:
- Możemy uprawiać fizykę tylko w inercyjnych ramach odniesienia.
- Inercyjne ramy odniesienia są ramami, w których Zasada bezwładności jest prawdziwa.
Ale sama Zasada bezwładności jest jednym z praw fizyki. Więc zasadniczo mówimy, że prawa fizyki są prawdziwe w ramach, w których prawa fizyki są prawdziwe. Być może zadziwiające jest to, że fizyka, oparta na tej tautologii, w ogóle działa. Ale działa bardzo dobrze.
Można by się zastanowić nad faktem, że po 1905 roku możemy powiedzieć, że nie tylko ruch jednostajny jest względny, ale również przyspieszenie. Jeśli dwóch obserwatorów przyspiesza względem siebie, nie możemy powiedzieć, który z nich „naprawdę” przyspiesza, ponieważ nie ma absolutnej ramy, do której moglibyśmy porównać ruchy obu obserwatorów. Wiemy jednak, że jeśli jeden z tych obserwatorów jest w inercyjnej ramie odniesienia, to drugi nie jest.
Rozważania na temat względnego przyspieszenia są jednym z tematów Ogólnej teorii względności Einsteina z 1916 roku.
Dlaczego kurczak przekroczył drogę?
Arystoteles: Naturą kurczaków jest przekraczanie drogi. Newton: Ponieważ żadna siła nie spowodowała zmiany stanu kurczaka w jednolitym przekroczeniu drogi. Einstein: Czy kurczak przekracza drogę, czy droga porusza się pod kurczakiem?