Нужно ли мне знать общую теорию относительности, чтобы понять концепцию инерциальной системы отсчета?

Я прочитал ответы на этом сайте, а также статью в Википедии, но все они добавляют путаницы. Некоторые люди предполагают, что свободно падающая система является инерционной системой. Из классической механики я узнал, что рама, прикрепленная к поверхности земли, приблизительно инерционна. Существуют ли разные его определения? Поначалу концепция инерциальных систем отсчета казалась простой и интуитивно понятной, но по мере того, как я читал больше, она усложнялась. Поэтому мне интересно, нужно ли вам хорошо разбираться в общей теории относительности, чтобы действительно понять эту концепцию? Если нет, может ли кто-нибудь объяснить концепцию инерциальных систем отсчета и как мы определяем, является ли какая-либо система отсчета реального мира инерциальной?

Просто чтобы добавить один момент, когда вы позже попытаетесь изучить GR. GR в основном говорит о том, насколько сильно отклонение от инерциальной системы отсчета, когда у вас есть гравитация, en.wikipedia.org/wiki/Geodesic_deviation , это в основном все, что нужно для эффекта неисчезающего тензора Римана.
Нет, это не должно быть необходимо. Уже в ньютоновской механике существует понятие инерциальной системы отсчета.
Согласен с @mathreader. На самом деле, я бы попытался сначала подумать о ньютоновской концепции, прежде чем переходить к общей теории относительности; Я бы даже применил это ко всей физике, а не только к инерциальной системе отсчета.

Ответы (3)

Принцип удивительно прост. Предположим, вы держите объект и отпускаете его. Что происходит с этим объектом? Если объект просто плывет рядом с вами, не двигаясь, значит, вы находитесь в инерциальной системе отсчета. Если объект ускоряется от вас, значит, вы находитесь в неинерциальной системе отсчета.

Где общая теория относительности вступает в дело, так это в том, что в ОТО инерциальные системы отсчета могут быть неожиданными. Например, если вы сидите в кресле и печатаете на своем компьютере, то это должно быть инерциальной рамкой. Ведь ты никуда не уедешь. Но если вы протянете перо и отпустите его, перо ускорится вниз от вас, и это покажет, что вы не находитесь в инерциальной системе отсчета. Вы находитесь в ускоренной системе отсчета, где ускорение равно ускорению свободного падения Земли.

Теперь предположим, что вы только что спрыгнули со скалы и падаете вниз (не обращайте внимания на сопротивление воздуха). Это похоже на ускоряющуюся рамку, но если вы теперь протянете перо и отпустите его, перо не уйдет, потому что и вы, и перо падаете с одинаковым ускорением. Итак, это инерциальная система отсчета.

Общая теория относительности объясняет, почему система отсчета может выглядеть инерционной для одних наблюдателей, но не для других. Объяснение очень простое, но включает в себя некоторые математические операции, незнакомые большинству людей, поэтому я не буду вдаваться в них. Суть в том, чтобы не беспокоиться ни о чем за пределами вашей непосредственной близости. Вы всегда можете сказать, является ли ваша система инерциальной или нет, наблюдая за тем, что происходит с объектом, который вы бросаете.

Если вам интересно узнать об этом больше, я более подробно расскажу в своих ответах на Два значения ускорения в гравитационных полях? и Можем ли мы определить абсолютную систему отсчета с учетом общей теории относительности?

В вашем примере, где вы и ручка падаете вместе с одинаковым ускорением, разве это не неинерциальная система координат?
@8protons Нет. Потому что на самом деле вы путешествуете по прямой (инерциальной) линии через пространство-время, что приводит к тому, что вы пересекаетесь с планетой. Планета — и все, что на ней — движется к вам с ускорением , а не наоборот.
Но это не отвечает на вопрос, почему мы также используем термин «инерциальные системы отсчета» в случае, когда я сижу на стуле, говоря вне контекста ОТО. Действительно, почему этот термин вообще существовал до ОТО. Я присоединяюсь к Полу ниже, что определение зависит от того, что является фиктивной силой, причем гравитация является таковой в ОТО, но практически нигде больше. В ньютоновской механике, например, не что иное, как внешнее поле, проникающее в систему отсчета и воздействующее на движение в ней помимо инерции.
Я совершенно смущен данным примером; предположим, что я нахожусь в инерциальной системе отсчета, и у меня каким-то образом есть электрон в кармане; Я вытаскиваю его и отпускаю. Если в той области, где я нахожусь, есть электрическое поле, электрон будет ускоряться, хотя я, по предположению, инерциальная система отсчета. Точно так же в общем случае, если вы и объект ускоряетесь с одинаковой скоростью относительно инерциальной системы отсчета, когда вы отпустите этот объект, вы увидите, что объект плавает, но все же вы не являетесь инерциальной системой отсчета.
В первом абзаце вашего ответа, что, если объект, который вы держите, испытывает силу, например гравитацию, и поэтому движется? Значит ли это, что вы не находитесь в инерциальной системе отсчета?
@TaeNyFan в GR гравитация не является силой, поэтому сложно ответить на ваш вопрос.

Основное определение состоит в том, что физика должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчета (классическая механика). Поскольку в ускоренных системах отсчета появляются фиктивные силы (например, центробежная сила, сила Кориолиса), эти системы отсчета не являются инерционными. Но если силы в явлениях, которые вы хотите наблюдать, намного больше, чем вымышленные силы, вы можете аппроксимировать свою систему отсчета (на поверхности земли) как инерционную. SR и GR в дальнейшем основываются на этой концепции, но не являются необходимыми для ее понимания.

Отличный ответ! И ключевое различие между ОТО и ньютоновской физикой заключается в том, что в ОТО гравитация является фиктивной силой, такой как центробежная сила и т. д. Если вам нужно ввести гравитационную силу для учета движения близких к вам объектов («местных» объектов), то это признак того, что вы не работаете в инерциальной (=свободно падающей) системе отсчета.
Давно я не занимался физикой, но я бы сам не хотел считать гравитацию фикцией!
@JosephDoggie Это может показаться нелогичным, но ключевой урок физики заключается в том, что наша интуиция, основанная на ограниченном диапазоне человеческого опыта, часто бывает ложной. В статье Википедии о «Фиктивной силе» говорится: «Эйнштейн смог сформулировать теорию, рассматривающую гравитацию как фиктивную силу и приписывающую кажущееся ускорение гравитации искривлению пространства-времени. Эта идея лежит в основе общей теории относительности Эйнштейна».
@ gandalf61 Спасибо. Это интересно. Но при путешествии вблизи скал (и т. д.) придерживайтесь ньютоновской физики!
@JosephDoggie Согласен - фиктивные силы все еще могут быть очень плохими для вас!

Нет, вам не нужно понимать ОТО, чтобы понимать инерциальные системы отсчета. Инерциальная система отсчета — это система, в которой выполняется первый закон Ньютона. Первый закон Ньютона — это ключевое понятие классической механики, о котором вы, вероятно, узнали в старшей школе.

Поверхность Земли примерно инерционна, пока вы относитесь к гравитации как к силе. Примером невращающейся системы координат может быть ситуация, когда вы находитесь на карусели: первый закон Ньютона не выполняется; кажется, что свободные объекты движутся (благодаря центростремительной силе).

Нужно ли мне знать общую теорию относительности, чтобы понять концепцию инерциальной системы отсчета?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v