După cum probabil știți, pentru Aristotel, Pământul era centrul universului. Obiectele grele cădeau în mod natural spre Pământ, iar obiectele ușoare se ridicau în mod natural, îndepărtându-se de el. În Teoria generală a relativității acest punct de vedere al mișcării este resuscitat.
Galileu, Newton și alții au dezvoltat un punct de vedere diferit. Esențial pentru acest punct de vedere este faptul că există un spațiu absolut.
„Spațiul absolut, în propria sa natură, fără nicio relație cu ceva exterior, rămâne întotdeauna similar și imobil. Spațiul relativ este o anumită dimensiune sau măsură mobilă a spațiilor absolute; pe care simțurile noastre o determină prin poziția sa față de corpuri … deoarece părțile spațiului nu pot fi văzute sau deosebite unele de altele prin simțurile noastre, acolo în locul lor folosim măsuri sensibile ale acestora … dar în disertația filosofică, ar trebui să facem abstracție de simțuri și să considerăm lucrurile în sine, distincte de ceea ce sunt doar măsuri sensibile ale acestora.” — Newton, Principia I, Motte trans.
Prima lege a lui Newton afirmă că:
„Orice corp continuă în starea sa de repaus sau de mișcare uniformă pe o linie dreaptă, dacă nu este obligat să schimbe această stare de forțele care i se imprimă”. — Ibidem
Aceasta este adesea numită principiul inerției.
Este această „lege” întotdeauna adevărată? Bineînțeles că nu. Imaginați-vă că stați într-o mașină la un semafor roșu. O pereche de zaruri este agățată de oglinda retrovizoare; este opțional ca zarurile să fie neclare. În timp ce stați acolo, zarurile se află în repaus în raport cu dumneavoastră. Singurele forțe care acționează asupra zarurilor sunt forța de gravitație care le trage în jos și coarda care le trage în sus. Aceste două forțe sunt egale în mărime, astfel încât forța totală asupra zarurilor este exact zero. Ne imaginăm că mașina este orientată spre dreapta.
Sfarul devine verde și șoferul apasă pe accelerație. Zarurile se balansează spre partea din spate a mașinii. Deci prima lege a lui Newton nu este adevărată: la un moment dat zarurile sunt staționare, iar în momentul următor încep să se balanseze spre partea din spate a mașinii, deși asupra lor nu acționează nicio forță netă.
Imaginați-vă acum că stați pe trotuar și priviți mașina. În timp ce aceasta stă la semaforul roșu, zarurile sunt staționare în raport cu dumneavoastră. Când semaforul devine verde și mașina începe să accelereze spre dreapta, zarurile rămân staționare în raport cu dumneavoastră până când forța exercitată asupra lor de coardă le obligă să urmeze mișcarea mașinii. Așadar, prima lege a lui Newton este adevărată atunci când stați pe trotuar, dar nu este adevărată atunci când stați în mașină.
Acum vedem că, pentru a folosi analiza mișcării lui Newton, trebuie să ne limităm doar la anumite puncte de vedere, la anumite cadre de referință. Cadrele de referință în care funcționează analiza lui Newton se numesc cadre inerțiale. Acestea sunt cadre în care Principiul Inerției este adevărat.
Pentru Newton, exista un cadru inerțial „maestru”: un cadru staționar în raport cu spațiul absolut. Și orice cadru de referință care se mișcă cu o viteză uniformă în linie dreaptă în raport cu acest cadru inerțial maestru va fi, de asemenea, un cadru inerțial în analiza newtoniană. Orice cadru de referință care accelerează în raport cu spațiul absolut, cum ar fi cadrul mașinii atunci când semaforul devine verde și șoferul apasă pe accelerație, nu va fi inerțial.
Imaginați-vă acum că vă aflați în mașină cu, să zicem, 100 km/h pe o autostradă dreaptă. Zarurile sunt agățate nemișcate de oglinda retrovizoare. Principiul inerției este adevărat pentru dumneavoastră. Un al doilea observator se află lângă autostradă, privind mașina care trece pe lângă el. Pentru ea, zarurile se deplasează uniform în linie dreaptă. Deci și cel de-al doilea observator se află într-un cadru inerțial.
În acest caz, o întrebare bună este: cine se mișcă? Iar răspunsul este că tu te miști în raport cu observatorul de lângă autostradă, dar observatorul de lângă autostradă se mișcă în raport cu tine. Deci amândoi vă mișcați unul în raport cu celălalt.
Atât cadrul inerțial al tău, cât și cadrul inerțial al ei sunt la fel de „valabile”. Această realizare este adesea numită relativitate galileană. O ilustrare clasică este o ghiulea aruncată de pe catargul unei nave în mișcare. Din punctul de vedere al unui observator de pe țărm, bila cade cu o accelerație uniformă în jos, în timp ce se deplasează cu viteză constantă în direcția orizontală. Cu toate acestea, pentru un marinar de pe navă, ghiuleaua pare să cadă direct în jos. Pentru ambii observatori, ghiuleaua aterizează la baza catargului. O mică animație Flash a acestei împrejurări este disponibilă aici.
Dacă vă aflați în mașină cu 100 km/h și șoferul frânează, zarurile se vor balansa spre partea din față a mașinii. Astfel, în timpul decelerării nu vă aflați într-un cadru inerțial. Observatorul de pe marginea drumului va vedea cum zarurile continuă să se deplaseze cu viteză constantă în linie dreaptă până când coarda le forțează să încetinească odată cu mașina.
În mod similar, dacă mașina continuă să se deplaseze cu 100 km/oră, dar face un viraj la dreapta, zarurile se vor balansa spre stânga. Deci, în timpul virajului, din nou nu vă aflați într-un cadru inerțial. Din nou, pentru un observator de lângă șosea, principiul inerției rămâne valabil pentru zaruri.
Când a fost demonstrat de Young, la începutul secolului al XIX-lea, că lumina este o undă, s-a pus întrebarea ce anume se unduiește? Pentru alte unde există un mediu care se unduiește. Pentru undele sonore, mediul este aerul; pentru undele acvatice, mediul este apa. S-a emis ipoteza că există un mediu pentru undele luminoase, care a fost numit eterul luminifer. Se credea că această substanță este lipsită de masă și omogenă peste tot în univers. Pare firesc să asociem acest eter luminifer cu spațiul absolut pe care Newton îl propusese mult mai devreme.
Analiza newtoniană de atunci, și toată Fizica care a decurs din ea, funcționează într-un cadru fixat în spațiul absolut, sau, în mod echivalent, fixat în raport cu eterul, și, de asemenea, în orice cadru care se mișcă în mișcare uniformă în linie dreaptă în raport cu acest spațiu absolut. Rezultatul este următorul: Putem face Fizică doar în aceste cadre de referință inerțiale.
În 1905, Teoria specială a relativității a lui Einstein a aruncat o bombă asupra viziunii newtoniene. El a făcut „superfluu” conceptul de eter și ideea conexă de spațiu absolut.”
Știm că există cadre de referință în care principiul inerției este adevărat și că putem face Fizică doar într-un astfel de cadru. Dar fără un cadru inerțial „maestru” absolut suntem reduși la un argument circular:
- Noi putem face Fizică doar în cadre de referință inerțiale.
- Cadrele de referință inerțiale sunt cadre în care Principiul Inerției este adevărat.
Dar Principiul Inerției este el însuși una dintre legile Fizicii. Deci, în esență, spunem că legile fizicii sunt adevărate în cadrele în care legile fizicii sunt adevărate. Este poate uimitor faptul că Fizica, bazată pe această tautologie, funcționează. Dar funcționează foarte bine.
Poate doriți să meditați la faptul că după 1905 putem spune că nu numai mișcarea uniformă este relativă, dar și accelerația este relativă. Dacă doi observatori accelerează unul în raport cu celălalt, nu putem spune care dintre ei accelerează „cu adevărat”, deoarece nu există un cadru absolut la care să putem compara mișcările celor doi observatori. Cu toate acestea, știm că dacă unul dintre acești observatori se află într-un cadru de referință inerțial, atunci celălalt nu se află.
Considerarea accelerației relative este unul dintre subiectele Teoriei generale a relativității a lui Einstein din 1916.
De ce a traversat găina drumul?
Aristotel: Este în natura găinilor să traverseze drumul. Newton: Pentru că nici o forță nu a determinat schimbarea stării uniforme a găinii de a traversa drumul. Einstein: Puiul traversează drumul sau drumul se mișcă sub pui?