Принцип относительности Галилея был сформулирован для классической механики и заключается в следующем:

Физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Для справки сразу же нужно отметить, что физические величины не изменяющие своих значений при переходе из одной системы координат в другую с использованием какого-либо преобразования называются инвариантами относительно примененного преобразования.

Уравнения, которые остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, называются инвариантными.

Пусть есть инерциальная система S и движущаяся относительно ее с постоянной скоростью система S’. Предположим, что известен закон движения материальной точки в системе S. Задача нахождения движения этой точки в системе S’ решается с помощью преобразования Галилея. В момент времени точки начала координат О и О’ совпадают и оси координат (X,Y,Z и X’,Y’,Z’) параллельны друг другу. Система S’ движется вдоль оси Z. В момент времени t точка М и системы координат S и S’ расположены так, как показано на рисунке.

В проекциях примет вид , , , . В обратной форме . А в проекциях , , — эти формулы и являются преобразованием Галилея.

Преобразование Галилея справедливо в случае, если .

Если продифференцировать уравнение по времени, то можно получить нерелятивистский закон сложения скоростей, который имеет следующий вид:

.

Ускорение инвариантно относительно преобразования Галилея

Если это уравнение продифференцировать по времени еще раз, то полученный результат покажет, что ускорение инвариантно относительно преобразования Галилея.

, из чего действительно видно, что , где — ускорение в системе S, а — ускорение в системе S’.

Т.е. при переходе из одной системы отсчета к другой мы использовали преобразование Галилея. Ускорение при этом не изменилось. Значит можно сделать вывод, что ускорение инвариантно относительно примененного преобразования.

Принцип относительности Эйнштейна

Формулировка 1

Законы природы, по которым изменятся состояния физических систем, не зависят от того, к какой из инерциальных систем отсчета относятся эти изменения.

Формулировка 2

Все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Принцип относительности Энштейна представляет собой более общее определение принципа относительности Галилея. Если принцип относительности Галилея был сформулирован только для классической механики, то принцип относительности Энштейна касается всех физических процессов происходящих в природе.

Инвариантность интервала между событиями.

Каждому событию соответствует точка пространства Минковского, в лоренцевых (или галилеевых) координатах. Координаты этой точки задаются тремя декартовыми координаты трёхмерного евклидова пространства. — четвертая координата, в которой ― скорость света, а ― время события. Связь между пространственными расстояниями и промежутками времени, разделяющими события, характеризуется квадратом интервала:

.

Интервал в пространстве Минковского играет роль, аналогичную роли расстояния в геометрии евклидовых пространств. Он инвариантен при замене одной инерциальной системы отсчета на другую, так же, как расстояние инвариантно при поворотах, отражениях и сдвигах начала координат в евклидовом пространстве. Роль, аналогичную роли вращений координат в случае евклидова пространства, играют для пространства Минковского преобразования Лоренца. Квадрат интервала аналогичен квадрату расстояния в евклидовом пространстве. В отличие от последнего квадрат интервала не всегда положителен, также между различными событиями интервал может быть равен нулю.

Инвариантность интервала между событиями.

В дорелятивистской физике пространство и время считались независимыми друг от друга. Расстояние между двумя точками и время между двумя событиями считались постоянными, независимо от системы отсчета, т.е. эти величины были инвариантными при переходе от одной системы к другой. В релятивистской физике появилась зависимость между временем и пространством и остался лишь один пространственно-временной инвариант:

.

Его можно получить применив преобразования Лоренца.

Вводим переменную , теперь время как бы имеет те же единицы измерения, что и расстояние и можно записать

.

Принимая во внимание и другие координаты

 .

В этом выражении мы не привязаны к ориентации осей и направлению движения систем, однако имеется в виду, что в момент времени начало координат одной системы отсчета совпадало с началом координат другой системы отсчета . Запишем:

.

обозначает разность между пространственными и временными координатами двух событий. Теперь ограничений нет.

  – интервал между рассматриваемыми событиями, и пространстве Минковского считается инвариантным.