Galilejska zasada względności: drzwi do nowej rzeczywistości naukowej

Historia nauki ludzkości jest ciągłym ruchem w linii wznoszącej, w której jednak można zidentyfikować kilka nagłych momentów. Te kluczowe punkty odpowiadają pracom i odkryciom tych naukowców, którzy otworzyli nowe strony w jednej lub drugiej dyscyplinie. Jedna z tych stron była zasadą relatywności Galileusza i związanym z nią początkiem formowania mechanistycznego obrazu świata.

Galileusz i jego krąg zainteresowań naukowych

Nazwisko jednego z największych naukowców ostatniego tysiąclecia, Galileo Galilei, jest znane większości współczesnych ludzi, głównie w świetle konfliktu z Kościołem katolickim z powodu próby uzasadnienia systemu heliocentrycznego. Tymczasem był wszechstronnie rozwiniętym naukowcem. Eksperymenty Galileusza w astronomii dały ludzkości odkrycia satelitów Jowisza, planety Neptuna oraz obecność kraterów i wklęsłości na Księżycu. Z punktu widzenia filozofii Galileusz naukowo uzasadnił błędne poglądy Arystotelesa na Wszechświat jako zbiór idealnych sfer, w których Ziemia znajduje się w centrum. To z badań tego naukowca pochodzi metoda naukowa główna rola, w której gra gra i przetwarzanie informacji potwierdzić lub odrzucić niektóre hipotezy. Jednak główne miejsce w pismach Galileusza otrzymała ta sama fizyka.

Galilejska zasada względności: prehistoria

Do połowy XVI wieku dominującym systemem budowy świata był system Ptolemeusza, którego główny postulat został uznany za statyczną pozycję Ziemi w centrum Wszechświata i dynamiczny ruch wszystkich innych ciał niebieskich wokół niego. System ten został uzupełniony naturalno-filozoficznymi postanowieniami Arystotelesa, z których jednym z najważniejszych jest to, że prędkość ciała w swobodny spadek proporcjonalna do jego masy. Kopernik uważnie przestudiował prace niemal wszystkich swoich dotychczasowych badaczy, przeprowadził różne eksperymenty, aby uzasadnić zupełnie inny, heliocentryczny model. W tym przypadku przywódcy Kościoła katolickiego, którzy nie chcieli przegapić ideologicznego i naukowego prymatu, podkreślali, że system ten jest w konflikcie z otaczającą rzeczywistością. Na przykład twierdzili, że jeśli Ziemia naprawdę się poruszy, wtedy ciężkie przedmioty nigdy nie spadną ściśle pionowo. Wszystko na jego miejscu położyło zasadę względności Galilejskiej.

Systemy referencyjne do ruchu mechanicznego

Aby zrozumieć zasadę względności Galileusza, należy pamiętać, że w tym okresie czasu (co, nawiasem mówiąc, ponad trzysta lat później), naukowcy starali się zredukować wszystkie fizyczne zmiany, aby były zrozumiałe dla wszystkich mechaników. Szczególną rolę w tym odgrywały układy współrzędnych, których prymat w badaniu należał do francuskiego filozofa R. Descartesa. Tutaj najważniejsze jest to, że pozycja określonego ciała w określonym czasie jest określona przez dwa (na płaszczyźnie) lub przez trzy współrzędne. Jednak aby utworzyć ten wirtualny układ współrzędnych, konieczny jest stały punkt odniesienia, czyli inny system. Właśnie w tym samolocie Galileusz zaczął rozważać. ruch mechaniczny.

Systemy bezwładnościowe

W swoich badaniach Galileusz zwrócił uwagę przede wszystkim na tak zwane systemy inercyjne. Dzisiaj nawet zwykły uczeń może wahać się, aby powiedzieć, że takie systemy są te, które są względem siebie, albo w stanie całkowitego odpoczynku, albo w procesie jednolitego ruchu prostoliniowego. Układy inercyjne w fizyce klasycznej pełnią rolę filaru, z którego można przejść do realizacji prawdy w odniesieniu do wszystkich procesów zachodzących w otaczającym świecie.

Istota zasady względności Galileo

W jego najsłynniejszym dziele, w którym porównuje się systemy Ptolemeusza i Kopernika pod różnymi kątami, Galileusz zwraca szczególną uwagę na sformułowanie pojęcia względności. Aby jego stanowiska stały się jasne dla przeciętnego człowieka, naukowiec pracuje poprzez przykłady. Zachęca więc czytelnika do wizualnego przedstawienia kabiny statku, który stoi nieruchomo. Wewnątrz, motyle i muchy latają w różnych kierunkach, woda kapie z kropli wody z jednego naczynia do drugiego. W tym momencie, gdy statek zacznie poruszać się równomiernie, nic się nie zmieni w kabinie: muchy będą poruszać się z tą samą prędkością, a woda będzie również płynąć z górnego statku do dolnego. Stąd słynna zasada Galileusza: wszystkie systemy inercyjne są do siebie podobne, to znaczy, kiedy przechodzą z jednego takiego systemu do drugiego, równania mechaniki klasycznej nie ulegają żadnym zmianom.

Zasada Galileo i systemy nieinercyjne

W odniesieniu do systemów bezwładności zasada względności była zrozumiała i nikt nie kwestionował jej. Ale czy będzie również działać w nieinercjalnych układach odniesienia, czyli w tych, w których jeden system porusza się względem innego (który z kolei jest bezwładny) z pewnym przyspieszeniem? Galileo, z powodu swojej ograniczonej wiedzy i niedoskonałych instrumentów badawczych, nie mógł odpowiedzieć na to pytanie. Następnie Einstein przekonująco udowodnił, że w układach nieinercjalnych przyspieszenie ma bezpośredni wpływ na procesy zachodzące w systemie. Był to jeden z dowodów ograniczonej zasady relatywności Galileusza.

Wady i ograniczenia zasady Galileo

Włoski naukowiec uczynił swoje badania prawdziwą rewolucją w świecie nauki. Jednak z biegiem czasu niektóre z jej postanowień, w tym notoryczna zasada względności, ujawniły swoje ograniczenia i zostały w mniejszym lub większym stopniu zmienione. Jeden z takich przykładów pokazano powyżej. Można również zauważyć, że we wszystkich badaniach Galileo czas był podejmowany w bardzo małych odstępach czasu, podczas gdy te interwały były uważane za równe dla obu systemów. Jednak ten sam Einstein zaczął uważać czas za kolejną współrzędną dla systemów odniesienia, i udowodnił możliwość jego niejednolitości, jeśli mówimy o prędkościach zbliżających się do prędkość światła. W tym samym czasie, jeśli weźmiemy pod uwagę krótkotrwałe wydarzenia, zasada względności Galileusza w pełni się potwierdza.

Rozwój zasady relatywności Galileusza

Nauczanie Galileusza przez ostatnie pięćset lat minęło długą i ciernistą drogę. Jeśli na początku teologowie byli jego głównymi przeciwnikami, to później zasada względności Galileusza była wielokrotnie kwestionowana przez wybitnych naukowców. Wielu założyło, że dzięki zaawansowanym instrumentom ruch można wykryć w systemie bezwładnościowym. Pod koniec dziewiętnastego wieku amerykański fizyk A. Michelson przeprowadził eksperyment za pomocą wymyślonego przez siebie interferometru. To urządzenie pozwoliło wykryć nawet najmniejsze odchylenie, jednak tutaj wynik był ujemny. Korzystając z tego doświadczenia, Einstein sformułował ostatecznie Galileuszową zasadę względności dla wszystkich systemów inercyjnych: żadne fizyczne urządzenia i metody nie mogą wykryć ruchu w danym systemie. Ta zasada stała się jednym z kamieni węgielnych jego specjalnej teorii względności.