空间和时间：惯性框架（一）
1.经典力学中的相对性和参考帧
1.1加里利莱相对论的起源
1.2绝对和相对运动的哲学争议
1.3在牛顿物理学中的加利利亚语相对论
1.4绝对空间的挥之不去问题
1.5 19世纪惯性法则分析
1.6惯性框架概念的出现
1.7“准惯用”框架：牛顿的推论VI
2. 20世纪惯性框架：特殊和一般相对性
2.1牛顿时空的惯性框架
2.2加里利利亚相对论与现代电动力学之间的冲突
2.3特殊相对性和洛伦兹不变性
2.4同时性和参考框架
2.5从特殊的相关性和Lorentz不变性与一般相对论和一般协方差
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学术工具
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相关条目
1.经典力学中的相对性和参考帧
1.1加里利莱相对论的起源
术语“参考框架”在19世纪创造，但它具有长期的初期，从哥白尼理论的出现开始。 重要点不是太阳替换了地球作为宇宙中所有运动的中心，而是识别地球和太阳的识别，仅仅可以描述天体的运动的可能性。 这意味着PToLEMAIC天文学的基本任务 - 通过循环动作的组合来表示行星运动 - 可能需要任何点固定，而不会牺牲预测力。 因此，随着Copernicus在开放论证的开放论据上，在天上的球域的革命中，任何特定点的选择都需要一些关于成功的天文预测之外的地面的一些理由。 似乎是最有说服力的理由是身体：我们不会察觉认为我们希望地球运动产生的物理效果。 然而，弗内克尼斯本人注意到，在答复中，我们确实可以经历身体难以察觉的动作，就像在平稳移动的船上（1543，第6页）一样。 至少在某些情况下，我们可以轻松地对待我们的移动观点，就像它休息一样。
由于Ptolemy和Copernicus的基本计划给了伽利略制定的早期古典机制的方式，这一对观点的等同性更加精确和明确。 伽利略无法对太阳周围的地球运动带来决定性论点。 然而，他展示了哥白尼视图与我们看似稳定地球的经验并不矛盾。 他通过原则实现了这一点，即在牛顿力学的精确形式中，已被称为“加里利利相对论的原则”：机械实验将在一个均匀运动中的系统中具有相同的结果，它们在休息的系统中。 反对地球运动的论据通常被吸引到实验证据 - 例如，从塔下掉落到塔的基地，而不是在地球在秋天旋转时留下。 但伽利略有说服力地争辩说，这种实验会发生这种实验，因为它们是否正在移动或者是这样做的，就是动作足够均匀。 （见图1.）伽利略的说法这不是我们称之为“GalliLean相对论”的原则; 他似乎认为，圆形运动中的一个系统，例如在旋转地球上搁置的框架，将与真正休息的框架无法区分。 原则被命名为他的荣誉，因为他已经掌握了动态等同的潜在观念：他理解动作的构成，并了解系统内的身体的单个动作 - 例如从塔的石头的落后是一个整体的运动。。 这种构成原则，结合身体维持其统一运动的想法，形成了动态难以区分的参考框架的思路的基础。
图1
图1：伽利略的论点如果地球均匀地旋转，从塔下掉落的石头将直接落到基地上，就像从均匀移动的船的桅杆掉落的石头一样，将落到桅杆的脚下。 在这两种情况下，石材的垂直运动将与其水平运动平稳地组成。 因此，足够统一的运动将与休息无法区分。
1.2绝对和相对运动的哲学争议
Leibniz，后来，阐述了更一般的“假设燃头”：在任何互动体系中，任何特定体内静静的任何假设相当于任何其他体。 因此，既不是哥伦比亚人的观点都不是真实的 - 尽管可以判断比另一个更简单 - 因为这两者都是相同的相对运动的可能假设解释。 这一原则明确定义（我们会呼叫的）一组参考框架。 它们在休息点或起源的任意选择中不同，但在任何时刻的相对位置和它们的相对距离通过时间同意。
对于莱布尼兹和许多其他人来说，这一般的等价是一种哲学原则的问题，其在空间本身只不过是尸体之间的几何关系的抽象。 在某种形式或其他形式中，这是17世纪“机械哲学”的广泛共享的宗旨。 然而，与莱布尼斯本人和其他“机械师一样，它与物理学不相容，实际上构思了它。 对于基本上的机械解释程序基本上取决于特权运动状态的概念，如同常见假设所表达的是“惯性原理”的先行者：身体保持直线运动状态，直到由外部原因取决于施用。 因此，他们基本的力量的概念，作为身体的力量来改变另一个人的状态，同样取决于这种特权状态的概念。 这种依赖性在行星运动的涡旋理论中明确表现出来，这预设了任何星球，除非阻碍，否则任何行星都会以直线移动。 因此，它的实际轨道由地球内固有的离心趋势（其遵循切线到轨道的倾向）和周围培养基的压力之间的平衡来解释。
出于这个原因，在17世纪，“相对主义者”或“关系主义者”和“绝对主义者”或“绝对主义者”或“绝对主义者”之间的概念是一个急剧的过度简化。 牛顿在空间，时间和运动的争议士赞助下，不仅仅称在机械师的相对主义视野面前的运动是绝对的。 他争辩说，绝对运动的概念已经隐含着对手的意见 - 它在他们的概念中隐含，他在很大程度上分享了物理原因和效果。 参考框架的一般等价物理被称为改变身体运动状态的力量。
该开发将参考框架的主题放在新的理论上。 已经预留了常识的参考框架 - 地球在中心休息的框架，随着天空围绕它 - 这次的机械物理自然地将这个主题与运动的新颖理论概念及其物理原因和效果相连。 Copernicus争论了一系列天学系统，而不是来自运动的物理理论，而是从其引入天文学的比较简单和合理性; 他在既定的天体动作原因理论中工作，即天上球域的革命。 然而，在Copernicus之后 - 更确切地说，在旋转球体的模型很大程度上被放弃 - 确定正确的参考框架与发现行星运动的真实物理原因相连。 哲学家如开普勒，笛卡尔，惠更斯，莱布尼兹和牛顿，对物理因果关系，运动的看法非常不同。 和运动的相对性。 然而，他们同意的是，皮肤上的图片是独特的，适合给出行星运动的因果陈述，因为源自在阳光下的物理行为的影响。 例如，例如，在其轴上的轴上旋转太阳的旋转，在旋转行星的同样的意义上，将其确定为这些转向的原因。
运动的因果陈述与“真实”运动的更一般概念叙述之间的联系从不明显或直截了当。 Descartes的电子期调因果账户，其中行星在太阳旋转中出现的涡流，与他的抽象陈述“根据问题的真相”，或“在适当的意义上”（Descartes 1642，部分II部分XXV）。 由于有一个人可能引用任何给定体的运动的无数对象，因此该参考可能似乎是任意选择的问题。 他争论的任何身体运动的明确参考由立即触摸它的尸体提供。 作为回应的牛顿认为，笛卡尔的哲学陈述与他的因果账户有空不相容。 对于牛顿，当解释其轨道周围的轨道中的离心倾向时，呼吁议案的因果陈述，同时只有其与立即与它的身体的关系识别其“适当的”运动（牛顿1684A，Stein 1967，Rynasiewicz 2014）。 因此，牛顿的论点是，唯一明确的运动标准是身体对空间本身的地位的变化。 在这种意义上理解的空间，作为对其身体位移构成其真实运动的通用框架，牛顿给出了“绝对空间”（1687b，p. 5ff）。
显然牛顿意识到“绝对空间”不是任何实际意义上的参考框架。 他强调，“不可能看到空间的部分”，并且没有可观察的身体可以休息。 因此，无法通过直接观察确定相对于空间的运动; 它必须通过其“属性，原因和效果”（1687b，p.7-8）所知。 那么问题，那么，那么，什么属性，原因或效果表明身体在绝对空间中的位置变化？ 例如，可以想到它对于速度可能存在一些物理相关性，因为身体可能具有取决于其速度的一些可观察的物理状态。 在这种情况下，在这种情况下，当它在空间休息时，身体将处于不同的物理状态。 因此，如果可以在该状态下，它将（原则）为真正休息的参考框架提供物理标记。 例如，关于莱布尼兹的威胁，例如，需要给定的力来产生或保持给定的速度。 对于物体“被动”抵抗运动，但只能通过“活跃”力保持运动状态 - 使其在动态场地上，“每个人都真正确实具有一定的运动，或者，如果你愿意，力量”（Leibniz 1694，p.184;另见1716，第404页）。 从此可以看出，原则上必须有一个杰出的参考框架，其中体的速度对应于它们的真正速度，即它们真正拥有的移动力量。 还要遵循，关于相对于这个运动的任何框架，身体不会具有其真正的速度。 简而言之，这种力量的概念，如果它可以物理应用，可以通过提供绝对场所的变化的物理相关性来提出牛顿对绝对空间的概念的精确体力。
1.3在牛顿物理学中的加利利亚语相对论
牛顿对绝对空间的看法难以来自关键关系的认识论，而是来自牛顿自己的力量概念。 如果仅通过电力来加速身体的力来定义和测量力，那么显然力的效果 - 短暂的，身体系统内的因果相互作用 - 将独立于测量它们的系统的速度。 因此，从牛顿法律的开始，施加了一组等同的“惯性框架”。 假设我们在给定的参考框架中确定身体 - 定义，定义的静止框架 - 所有可观察的加速度都与系统内的体内的迫在眉睫的力成比例，通过这些主体之间的相等和相反的动作和反应。 然后，我们知道这些物理交互在任何参考框架中都是相同的相对于第一个的均匀直线运动。 因此，没有牛顿实验将能够确定相对于绝对空间的身体或身体系统的速度。 换句话说，没有办法将绝对空间本身与相对于它均匀运动的任何参考框架区分开。 牛顿认为，一致的力量和运动的陈述需要一个由“从无限远到无限远的地方”的地方“的背景空间，而是相对于彼此的给定位置”（1687B，第8-9页）。 但是，运动规律使我们能够确定这种空间的无限远，相对于彼此均匀的直线运动。 法律没有办法挑出任何一个作为“不动空间”的人
奇怪的是，17世纪没有人，甚至在19世纪末之前，比牛顿自己更清楚地表达了这一等价的参考框架。 然而，首次阐述这一等价的信贷属于Christiaan Huygens，他们将其推出作为他对影响规则的第一个工作之一（1656）。 “假设我”是惯性原则的第一个明确陈述：“任何机构，一次举动，如果没有反对它，继续始终采用相同的速度和沿相同的直线移动”（1656，pp.30-31）。 第一个精确的相对原理陈述，遵循假设III：
相对于其他体的其他体分别可以清楚地理解身体的运动，以及它们的速度等于或不平等，即使前者和后者也可能受到它们的另一个运动。 结果，当两个身体彼此碰撞时，即使两者都经历另一种可公式运动，它们也会相对于由相同的常见运动携带的主体彼此相互移动，而不是如果对其所有运动不存在。 （1656，第32页）。
惠古斯通过在均匀移动的船上发生的影响的示例说明了这一原则，将其等当量置于休息时发生的相同影响。 因此，鉴于他对惯性原理和惯性和圆周运动之间的动力学差异的更精确了解伽利略的争论精确。
牛顿的第一个相同原则的陈述出现在一系列论文之一中，这些论文之一，在Principia中持久化，“Finersis的De MotuSphærylumCistum”（1684B）。 像Huygens一样，牛顿将相对论的原则作为基本原则，“法律3”：
包括在给定空间中的尸体的动作是相同的，它们在它们周围是否处于休息或均匀地在没有圆周运动的直线上均匀移动。 （1684b，p。40r）
牛顿的初级陈述伽利侠的第一个陈述明显记录了惠更斯的版本，这可能已知牛顿。 在本手稿中可以说“法律4”也是如此，保护重心的原则：
通过身体之间的相互行动，它们的共同重心不会改变其运动状态或休息状态。 （同上，第40章）
但是，独特的，牛顿立即继续考虑这些原则的更深层次的理论意义：他们从根本上重新重新重新培训了行星系统中的“真正运动”问题。 首先，他们暗示整个系统必须被视为包括在休息或均匀运动的空间中。 其次，他们暗示这样一个系统中唯一真正的固定点是相关体的重心。 因此，这也可能是统一的运动或休息：
此外，行星天空的整个空间要么静止（通常相信）或均匀地移动直线，因此行星的公用重心（通过法律4）休息或与其一起移动。 在这两种情况下（按照法律3）行星的相对运动是相同的，并且它们的共同重心与整个空间相关，因此肯定可以采取整个行星系统的静止中心。 （同上。，p。47r）
简而言之，牛顿意识到，宇宙的天尖和地理景观之间的争议被错误地陷害了。 关于“世界系统”的正确问题不是“哪个机构在中心休息？” 但是“系统的重心在哪里，哪个身体最接近它？” 对于在一个轨道体系中，只有它们的共同重心将是未被燃烧的，并且通过“法律3”，系统中的尸体的动作将是相同的，其重心是否处于静止或均匀的直线运动。 通过明确地断言可能均匀地或静止移动的“整个空间”的动态等价，牛顿使得对“世界系统”问题的解决方案是关于任何这样的移动空间相同的，因为它相对于固定空间。 因此，他尽可能接近阐明19世纪末之前的惯性帧的概念。
在他的普林亚的连续草案中，牛顿逐渐阐明了其概念结构，特别是其议案，力量和互动概念的框架独立性。 他到达了新的公理结构，其唯一法律是熟悉的“牛顿运动规律”; 重心保护的原则，以及相对论的原则，不再预设，但是从法律中衍生出冠状动脉IV和V：
Corollary IV：通过这些机构之间的行为，身体的共同重心不会改变其状态，无论是运动还是休息 因此，所有尸体的共同重心（不包括外部障碍）均均匀地搁置或移动直线（1687b，p.17）。
Corollary V：当体内封闭在给定的空间中时，它们之间的动作是相同的空间是否静止，或者是否在没有圆周运动的情况下均匀地直向前移动（1687b，p.19）。
这些原则照亮了绝对空间理论之间的关系，如牛顿学者对定义的阐述，以及校长的总体科学问题。 根据牛顿的说法，“我组成的目标”是为了展示“如何展示”如何从他们的原因，效果和明显差异中收集真正的动作，并相反地，从动议，真实或明显，收集他们的原因和影响“（1687b，p。11）; 书籍III的更具体目标是“展示世界体系的宪法”（1687B，第401页）。
一方面，Corollary V就像De Motu的“法律3”一样，精确限制牛顿的程序可以确定世界系统的结构。 它无法确定整个系统的速度; 它只能确定构成它的主体的重心的位置，以及那些相对于该中心的那些主体的配置。 从这个意义上，原则上可以决定开普勒和对这些机构的运动的动作的诠释。 该系统确实近似开放：太**有最大的质量，因此通过与行星的相互作用，从重心受到严重扰乱。 因此，太阳仍然非常接近近距离椭圆的共同焦点，其中行星绕太阳轨道。 但是，由Corollary V，身体之间的行为不会透露他们的中心是否均匀地或休息。 另一方面，牛顿认识到关于绝对空间的运动是不可知的。 因此，这种限制意味着，尽管我们的无知，解决世界的系统是安全的。 系统的近克服结构完全独立于系统的绝对空间的运动状态。
因此，在牛顿的概念中包含了Galilan相对性原则，更广泛的洞察力：均匀运动的不同状态或不同的均匀参考框架，确定在相同的物理上有量，即力，质量和加速度上的不同观点。 我们可以在牛顿惯性概念的演变中看到这种洞察力更明确。 该术语由开普勒引入，并在他的行星运动的身体概念中发挥着核心作用。 拒绝通过旋转晶体球的行星携带的亚里士多德的想法，佩佩尔认为行星在空间中休息的自然倾向 - 他称之为自然惯性 - 并认为它们必须通过克服自然的主动力而移动惯性。 牛顿在普林尼亚岛工作之前，基于他对伽利略和惠尼斯的想法的思想，该机构倾向于坚持统一运动：惯性，在这种新的概念上是一种抵抗运动的变化。 即便如此，牛顿的早期了解惯性基本上是预先相对的，因为它暗示了身体的力量来抵抗外力的力量，以及移动体改变另一个动作的动力。 例如，在牛顿充分认识到相对性原则的重要性之前，稿件De Regitatione Et Aequipondio Fillorum（1684a）是显然写得的; 在这里，牛顿的定义区分“conatus”，“动力”和“惯性”在概念上独立的属性：
定义6：Conatus（努力）被阻碍力，或者抵抗力。
定义7：由于它对另一个人印象深刻，推动力是迫使。
定义8：惯性是身体的内部力，使其状态可能不容易被外力（1684A）改变。
如我们所看到的，莱布尼斯（等），当我们看到相应的区别：移动力量，通过速度确定要改变另一个动作的体的动力。 因此，Leibniz因此将此力区分开为有功功率，从根本上不同于静息体的被动力来抵抗任何位置的变化。 相比之下，牛顿，正如他开发出普林尼岛的那样，并认识到一类无法区分的相对空间，逐渐来了解“惯性力量”，就像我们称之为伽利略的不变数量一样。 因此，推动力和阻力被认为是不同参考框架中这种不变数量的外观：
只有在其状态的改变中真正地施加了这笔力量，在其局面的另一个力量上，并且在不同方面，这种力的运动是抗性和动力：到目前为止的抗性，以保持其状态，反对印模的力量; Impetus Insofar与同一体一样，只难以难以抵抗障碍物的力量，努力改变这种障碍的状态。 抵抗通常归因于休息体和移动体的推动力; 但是，通常理解的运动和休息只是相对彼此区别; 和静止的尸体并不总是真正休息（1687b，p.2）。
关于这一惯性的两个解释有两个值得注意的积分。 首先，它表明牛顿公认的属性通常被认为是不同的（例如，在被动和活跃之间的leibnizian区别）中，仅仅是相同基本财产的帧依赖性表示。 也就是说，它们代表了从不同观点看到的相同不变的数量。 身体施加这种力量的原则“只在其州的改变”果断地将牛顿的新观点与维持体内维持身体所需的特定权力的较旧的概念分开。 现代评论员注意到这一变化（参见Herivel 1965，第26页;参见Disalle 2013，p。453;在其他互联网资源中Disalle 2017）。 但它已经在乔治贝利·伯克利队在牛顿自己的时间里注意到，他们强调牛顿的概念与莱布尼兹之间的对比：
莱布尼兹与动作混淆了动力。 根据牛顿的说法，动力与惯性的力量相同......（伯克利1721 [1992]，第79页）
......这是一个由经验建立的，这是一个主要的本质法则，身体仍然存在“在运动状态或休息状态，只要在别处的情况下发生任何事情来改变这种状态，”因此，推测惯性的力量是在不同方面的抵抗力或动力下方。身体确实可以说是自然漠不关心的运动和休息。 （伯克利，1721 [1992]，第96页）
