ในวิชาฟิสิกส์หลักการสัมพัทธภาพคือแนวคิดที่ว่ากฎของฟิสิกส์ควรคงที่สม่ำเสมอไม่ว่าจะเวลาผ่านไปนานแค่ไหนหรือสถานที่ใดก็ตาม หลักการสัมพัทธภาพหลายข้อได้รับการประยุกต์ใช้ประสบความสำเร็จในระหว่างการพัฒนาของฟิสิกส์ ทั้งโดยนัยในกลศาสตร์ของนิวตันและโดยชัดแจ้งใน ทฤษฎี สัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

ตัวอย่างเช่น ในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสมการของแม็กซ์เวลล์จะมีรูปแบบเดียวกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อยในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป สมการของแม็กซ์เวลล์หรือสมการสนามของไอน์สไตน์จะมีรูปแบบเดียวกันในกรอบอ้างอิงใดๆ ก็ตาม

หลักการ คือความคิดที่ถือว่าเป็นความจริงพื้นฐาน ในวิทยาศาสตร์กายภาพ หลักการมีบทบาทคล้ายกับสัจพจน์ในตรรกศาสตร์และคณิตศาสตร์ หรือกล่าวอย่างหลวมๆ ก็คือเป็นรากฐานหรือแนวทางในการสร้างทฤษฎี หลักการสัมพัทธภาพในฟิสิกส์คือความคิดที่ว่ากฎควรเป็นสากลและเหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคน นี่จึงกลายเป็นนิยามของสิ่งที่สามารถเป็นกฎทางฟิสิกส์ได้ : สิ่งใดก็ตามที่ผู้สังเกตการณ์ต่างกันมองเห็นแตกต่างกันไม่ใช่กฎทางฟิสิกส์ แต่เป็นเพียงผลพลอยได้จากผู้สังเกตการณ์ สิ่งใดก็ตามที่คงที่สำหรับผู้สังเกตการณ์ต่างกันก็เป็นตัวเลือกสำหรับกฎทางฟิสิกส์ หลักการนี้มีประโยชน์มากที่สุดในพลศาสตร์และจลนศาสตร์ซึ่งเป็นการอธิบายแรงและการเคลื่อนที่ของวัตถุ คำว่า "สัมพัทธ์" ในบริบทนี้หมายถึงข้อเท็จจริงที่ว่าการวัดนั้นสัมพันธ์กับผู้สังเกตการณ์เสมอ และคำว่า "สากล" บ่งชี้ว่าอาจมีกฎที่เชื่อมโยงการวัดของผู้สังเกตการณ์ใดๆ กับการวัดของผู้สังเกตการณ์อื่นๆ

ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีพยายามอธิบายสิ่งที่สังเกตได้ในรูปแบบของแบบจำลอง แบบจำลองเหล่านี้มักเป็นระบบสมการที่ทำนายว่าข้อมูลที่วัดได้จะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในแต่ละช่วงเวลา โดยขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์อิสระ ตั้งแต่ศูนย์ตัวขึ้นไป ตัวอย่างง่ายๆ ของแบบจำลองคือกฎการตกของวัตถุ ของกาลิเลโอ การวัดที่ทำโดยผู้สังเกตคนเดียวจะสัมพันธ์กับผู้สังเกตนั้น และใช้ระบบพิกัดที่กำหนดขึ้นเองโดยผู้สังเกต

รูปแบบของแบบจำลองนั้นขึ้นอยู่กับระบบพิกัด ของผู้ สังเกต เป็นอย่างมาก

ตัวอย่างเช่น หากผู้สังเกตใช้พิกัดคาร์ทีเซียนเส้นทางของวัตถุที่ตกลงมาจะมีรูปแบบที่เรียบง่าย แต่หากผู้สังเกตใช้พิกัดแบบอื่น เช่นพิกัดทรงรี ที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา การวัดเส้นทางเดียวกันนั้นจะถูกอธิบายด้วยนิพจน์ที่ซับซ้อนกว่ามาก โชคดีที่กฎทางคณิตศาสตร์สำหรับการสลับระหว่างระบบพิกัดนั้นมีอยู่ในคำจำกัดความของระบบเหล่านั้นอยู่แล้ว ซึ่งใช้ได้กับพิกัดที่เป็นไปได้ทั้งหมด รวมถึงพิกัดที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กันอย่างไม่มีทิศทางด้วย

แต่แนวคิดที่ว่ากฎจะต้องดูเหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคนในระบบพิกัดใดๆ ก็ตาม ทำให้เกิด^ความสมมาตรในกฎ ตามผลทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าทฤษฎีบทของ Noether [ ^{1 ] [ 2 ]} ความสมมาตรต่อเนื่องใดๆ ก็จะหมายถึงกฎ การอนุรักษ์ที่สอดคล้องกันด้วย^{[ 3 ]}

ยกตัวอย่างเช่น หากกฎนั้นเหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่เวลาต่างกัน พลังงานก็ต้องได้รับการอนุรักษ์ ในแง่นี้ หลักการสัมพัทธภาพทำให้สามารถทำนายพฤติกรรมของธรรมชาติได้อย่างแม่นยำและสามารถทดสอบได้

แนวคิดเบื้องหลังหลักการสัมพัทธภาพมีมาตั้งแต่สมัยกาลิเลโอแล้ว ในช่วงกลางศตวรรษที่สิบเก้า แนวคิดนี้แพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของแม่เหล็กไฟฟ้า แต่คำนี้ได้รับการกำหนดอย่างเป็นทางการในปี 1904 โดยปวงกาเร:

“Il semble que cette impossibilité de démontrer le mouvement absolu soit une loi générale de la nature; je l'appellerai le principe de relativité” ^{[ 4 ] [ 5 ]}

มีสาขาฟิสิกส์หลักหลายสาขาที่ใช้หลักการสัมพัทธภาพในรูปแบบต่างๆ โดยมีข้อสมมติที่แตกต่างกันเกี่ยวกับสิ่งที่คงที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไอน์สไตน์ได้กำหนดหลักการนี้สำหรับกรณีพิเศษของการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ^{[ 6 ]}

หลักการสัมพัทธภาพพิเศษ : ถ้าเราเลือกพิกัดระบบ K ที่ทำให้กฎทางฟิสิกส์ใช้ได้ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดเมื่อเทียบกับระบบพิกัดนั้น กฎ เดียวกันนั้นก็จะใช้ได้เมื่อเทียบกับพิกัดระบบอื่น K' ที่เคลื่อนที่แบบเลื่อนขนานอย่างสม่ำเสมอเมื่อเทียบกับ K ด้วย

สิ่งนี้กำหนดกรอบอ้างอิงเฉื่อย

หลักการสัมพัทธภาพพิเศษถูกนำมาใช้ทั้งในกลศาสตร์นิวตันและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอิทธิพลของหลักการนี้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นแข็งแกร่งมากจนแม็กซ์ พลังค์ตั้งชื่อทฤษฎีตามหลักการนี้^{[ 7 ]}

โดยทั่วไปแล้วไม่มีข้อจำกัดใดๆ เกี่ยวกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของระบบพิกัด ในฟิสิกส์คลาสสิกมีการใช้แรงสมมติ เพื่ออธิบายความเร่งในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ทฤษฎีสัม พัทธภาพทั่วไปขจัดความจำเป็นในการคิดค้นเฉพาะกิจเช่นนี้ แม้ว่าสิ่งเหล่านี้ยังคงมีประโยชน์มากในสถานการณ์ทั่วไปก็ตาม

หลักการสัมพัทธภาพพิเศษได้รับการอธิบายครั้งแรกโดยกาลิเลโอ กาลิเลอีในปี ค.ศ. 1632 ในหนังสือ "วันแรกของการสนทนาเกี่ยวกับระบบโลกหลักสองระบบ"โดยใช้คำอุปมาเรื่องเรือของกาลิเลโออย่างไรก็ตาม เขาไม่ได้ตั้งชื่อให้กับแนวคิดนี้

นิวตันนำอุปมาอุปไมยนี้มาใส่ไว้ใน Scholium ตามคำจำกัดความในPrincipia ของเขา ^{[ 8 ]}และใช้มันเพื่อพัฒนากฎการเคลื่อนที่ของเขา กลศาสตร์ของนิวตันได้เพิ่มกฎการเคลื่อนที่ แรงโน้มถ่วง และการยืนยันถึงพื้นที่และเวลาสัมบูรณ์เข้าไปในหลักการ เมื่อกำหนดในบริบทของกฎเหล่านี้ หลักการสัมพัทธภาพพิเศษระบุว่ากฎของกลศาสตร์ไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การแปลงแบบกาลิเลียน

เมื่อรวมกับสมการของแม็กซ์เวลล์ หลักการสัมพัทธภาพนำไปสู่ สั มพัทธภาพพิเศษแม็กซ์เวลล์พบว่าความเร็วแสงที่คำนวณจากสมการของเขาตรงกับการวัดเชิงทดลองอย่างแม่นยำ และได้นำคำว่าสัมพัทธภาพมาใช้ในฟิสิกส์ในความหมายสมัยใหม่ แต่พลาดการพัฒนาต่อไปอย่างหวุดหวิด^{[ 9 ]}ในความเข้าใจในขณะนั้น คลื่นต้องการตัวกลาง ( อีเธอร์ที่นำแสง ) เพื่อแพร่กระจาย และผู้สังเกตการณ์จะมีการเคลื่อนที่สัมบูรณ์สัมพันธ์กับมัน ซึ่งไม่สอดคล้องกับหลักการสัมพัทธภาพที่กำหนดโดยอองรี ปวงกาเร^{[ 10 ]}

สมมติฐานต่างๆ เช่นการหดตัวของความยาวถูกนำมาพิจารณาเพื่อรักษารูปลักษณ์ภายนอก โจเซฟ ลาร์มอร์และเฮนดริก ลอเรนซ์ค้นพบว่าสมการของแม็กซ์เวลล์จะไม่เปลี่ยนแปลงก็ต่อเมื่อมีการเปลี่ยนตัวแปรแบบเฉพาะเจาะจงเท่านั้น ซึ่งก็คือการแปลงลอเรนซ์

ในบทความเกี่ยวกับไฟฟ้าพลศาสตร์ ปี 1905 อองรี ปวงกาเร และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายว่าด้วยการแปลงลอเรนซ์หลักการสัมพัทธภาพนั้นใช้ได้อย่างสมบูรณ์แบบ ไอน์สไตน์ยกระดับหลักการสัมพัทธภาพ (พิเศษ) ให้เป็นสมมติฐานของทฤษฎี และรวมเข้ากับการที่ความเร็วของแสง (ในสุญญากาศ) ไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง จากนั้นเขาจึงได้มาซึ่งการแปลงลอเรนซ์ การรวมกันนี้ทำให้ต้องมีการพิจารณาความหมายพื้นฐานของช่วงเวลาและอวกาศอีกครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งลักษณะสัมบูรณ์ของมัน

ความคงที่ของความเร็วแสงสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคนนั้นไม่สามารถตัดสินได้จากหลักการสัมพัทธภาพเพียงอย่างเดียว หรือจากสิ่งอื่นใด แต่จำเป็นต้องพิสูจน์ด้วยการทดลอง เช่นเดียวกับกฎทางฟิสิกส์ทั้งหมด

หลักการทั่วไปของทฤษฎีสัมพัทธภาพขจัดเงื่อนไขของการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ โดยระบุว่า: ^{[ 11 ]}

ระบบอ้างอิงทั้งหมดมีความเท่าเทียมกันในแง่ของการกำหนดกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์

กล่าวคือ กฎทางฟิสิกส์นั้นเหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิง ไม่ว่าจะเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อยหรือไม่เฉื่อยก็ตาม ไอน์สไตน์พบว่าจำเป็นต้องเพิ่มสัจพจน์อีกสองข้อเพื่อสร้างทฤษฎีที่สอดคล้องกันซึ่งรวมถึงแรงโน้มถ่วงด้วย สัจพจน์เหล่านั้นคือหลักการสมดุลและหลักการเฉพาะ ที่ หลักการ เฉพาะที่หมายความว่ากฎนั้นใช้ได้เฉพาะภายในบริเวณเล็กๆ ของอวกาศและเวลาเท่านั้น ดังนั้นการแก้ไขในลำดับสูงจึงแทบไม่มีผล หลักการสมดุล (ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง) อนุญาตให้ปริภูมิเวลามีรูปทรงเรขาคณิตที่ไม่ซ้ำกัน มิฉะนั้นอนุภาคต่างๆ จะต้องมีรูปทรงเรขาคณิตของตนเอง

ในอดีต ฟิสิกส์ในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยนั้นถูกจัดการโดยการแปลงพิกัดก่อน ไปยังกรอบอ้างอิงเฉื่อย ทำการคำนวณที่จำเป็นในกรอบอ้างอิงเฉื่อยนั้น แล้วจึงกลับมายังกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ กฎทางฟิสิกส์เดียวกันสามารถนำมาใช้ได้หาก มีการเพิ่ม แรงสมมติ บางอย่าง เข้าไปในปัญหา ตัวอย่างเช่นกรอบอ้างอิงที่หมุน อย่างสม่ำเสมอ สามารถถือได้ว่าเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อยหากเพิ่มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางและแรงโคริโอลิสสมมติ เข้าไป

การประยุกต์ใช้หลักการสัมพัทธภาพไม่ได้จบลงแค่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในฟิสิกส์เชิงทฤษฎีสมัยใหม่ ความไม่แปรเปลี่ยนของลอเรนซ์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อรับประกันว่าสมการการเคลื่อนที่นั้นไม่ขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิง กรณีที่รู้จักกันดีซึ่งความไม่แปรเปลี่ยนของลอเรนซ์เป็นส่วนหนึ่งของการกำหนดทฤษฎี ได้แก่ ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิก ส์ แบบจำลองมาตรฐานควอนตัมโครโมไดนามิกส์และทฤษฎีอิเล็กโทรวีค

อย่างไรก็ตาม หลักการสัมพัทธภาพไม่ได้มีความจำเป็นอย่างเคร่งครัดในสาขาอื่นๆ เช่นอุณหพลศาสตร์กลศาสตร์เชิงสถิติและทฤษฎีของของแข็งแต่การนำหลักการนี้มาใช้ในระดับหนึ่งอาจมีความจำเป็นเมื่อพิจารณาสภาวะสุดขั้ว

โปรดดู เอกสารอ้างอิงเกี่ยวกับทฤษฎีสั ม พัทธภาพพิเศษและเอกสารอ้างอิงเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

Wikisource มีผลงานวิจัยต้นฉบับเกี่ยวกับหัวข้อนี้: ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

Wikisourceภาษาอังกฤษมีข้อความต้นฉบับที่เกี่ยวข้องกับบทความนี้:

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ: ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

• วิกิบุ๊ก: ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
• Living Reviews in Relativity – วารสารฟิสิกส์ออนไลน์แบบเปิดเผยข้อมูลและมีผู้ทรงคุณวุฒิเป็นกรรมการตัดสิน เผยแพร่บทความวิจารณ์ที่ได้รับเชิญครอบคลุมทุกสาขาของการวิจัยด้านสัมพัทธภาพ
• MathPages – ข้อคิดเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ – หลักสูตรออนไลน์ที่สมบูรณ์แบบเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ
• โปรแกรมจำลองทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
• บทเรียนเบื้องต้นเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech) – บทนำพื้นฐานเกี่ยวกับแนวคิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไป รวมถึงฟิสิกส์ดาราศาสตร์
• ทฤษฎีสัมพัทธภาพ แรงโน้มถ่วง และจักรวาลวิทยา – หลักสูตรระยะสั้นที่เปิดสอนที่ MIT
• ทฤษฎีสัมพัทธภาพในคลิปภาพยนตร์และแอนิเมชั่นจากมหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์
• คลิปแอนิเมชั่นแสดงภาพผลกระทบของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษต่อวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว
• เครื่องคำนวณสัมพัทธภาพ – เรียนรู้คณิตศาสตร์สัมพัทธภาพพิเศษคณิตศาสตร์ของสัมพัทธภาพพิเศษนำเสนอในรูปแบบที่ง่ายและครอบคลุมที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ภายใต้บริบททางปรัชญาและประวัติศาสตร์