Теорія відносності — це теорія, що описує універсальні просторово-часові властивості фізичних процесів. Ми розглядатимемо лише спеціальний випадок: властивості простору-часу в областях, де полями тяжіння можна знехтувати. Звідси йтермінологія —спеціальна теорія відносності (СТВ).
СТВ виникла при невдалих спробах виявити рух Землі відносно так званого ефіру. Гіпотеза про існування останнього повинна була врятувати класичний принцип відносності Галілея. який вважався на той час безперечним. Розглянемо ці питання більш докладно.
Принцип відносності Галілея
Принцип відносності Галілея, що був сформульований ще в 1636 p.. стверджує: всі закони та рівняння механіки сформульовані для однієї інерціальної системи відліку не змінюються при переході до іншої довільної інерціальної системи відліку.
У такому вигляді це положення справедливе і по сьогоднішній день через те. що не існує експериментів, які б свідчили про наявність якоїсь виділеної системи відліку всі інерціальні системи відліку рівноправні. У цьому розумінні Галілей геніальним чином зрозумів одну з основ сучасної фізики.
Однак завжди, коли мають на увазі принцип відносності Галілея. перелічують можливі варіанти переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої. Очевидно, ми переходимо знов таки до інерціальної системи відліку, якщо:
• зміщуємо початок системи відліку на деяку постійну відстань (у загальному випадку — на постійний вектор:
а) (1)
• повернемо систему відліку в просторі навколо її початку; зобразимо де за допомогою матриці поворотів :
(2)
• зсунемо початок відліку часу на деяку постійну величину t0:
(3)
• перейдемо до системи координат, що рухається рівномірно та прямолінійно вздовж осі x1:
(4)
Ці перетворення називають перетвореннями Галілея. З них безпосередньо випливає закон додавання швидкостей у класичній механіці:
(5)
Відмітимо в перетвореннях Галілея останню рівність вона свідчить про абсолютний характер часу: згідно з перетвореннями Галілея час іде однаково в усіх інерціальних системах відліку. Такий саме абсолютний характер має в класичній фізиці й простір. Перетворення Галілея є узагальнення повсякденного досвіду, який базуються на деяких припущеннях, що важко перевірити експериментальне (для швидкостей руху, які маємо у своєму розпорядженні), а саме:
• Довжина деякого тіла однакова в довільній парціальній системі відліку.
• Час у різних інерціальних системах відліку плине однаково.
• Маса тіл, а також сили взаємодії залишаються незмінними.
Два перших пункти виражають абсолютиста поняття простору і часу в класичній фізиці. З цих тверджень випливає·, то рівняння та закони механіки не змінюються при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої. Тобто не існує якої-небудь виділеної, спеціальної системи відліку всі інерціальні системи рівноправні.