Inercijalni referentni okvir

U fizici, objekt se jednoliko kreće ako se na njega ne primjenjuje nikakva vanjska sila. (Prvi Newtonov zakon kretanja). Kada se takvo stanje kretanja objekta ekstrapolira na neko područje prostora tako da to područje obuhvata sve druge moguće objekte u istom stanju kretanja, što se koristi da bi se definirao zajednički koordinatni sistem, takav zajednički sistem nazivamo "referentni okvir". Odatle se koordinatni sistem definiše jednolikim kretanjem objekata u zajedničkom smjeru i istom brzinom naziva inercijski referentni okvir. Ili, drugim riječima, kad se dva referentna sistema kreću jedan u odnosu na drugi konstantnom brzinom zovemo ih inercijskim referentnim sistemima.

Korištenje inercijskih referentnih okvira

Inercijski referentni okviri relevantni su za Newtonovsku relativnost i za Einsteinovu posebnu teoriju relativnosti.

• U njutnovskoj mehanici, sva inercijska stanja kretanja smatraju se ekvivalentnima: ako se dva inercijska promatrača, A i B kreću relativnom brzinom, zakoni fizike moraju biti isti nezavisno od toga da li uzimamo A kao "statičnu" referencu i kažemo da se B kreće ili uzimamo B kao fiksnu referencu i kažemo da se A kreće. U ova pravila uključena je eksplicitna pretpostavka da vrijeme progredira na isti način za sve promatrače misleći pritom da satovi, kalibrirani u jednom inercijskom koordinatnom sistemu neće postati nekalibrirani time što će jedan od njih biti premješten u drugi inercijski referentni okvir.

• U posebnoj relativnosti i dalje se primjenjuje ova ekvivalencija različitih inercijskih stanja kretanja. Međutim, pretpostavka konstantne progresije striktnog vremena u svim referentnim okvirima zamijenjena je pretpostavkom da je brzina svjetlosti konstantna i da je to jednako istinito za svakog inercijskog promatrača.

To zahtijeva korištenje seta protokola koje je kreirao Einstein (Einsteinova sinhronizacija satova) koji dozvoljava promatračima da definišu razlike u vremenu i udaljenostima u skladu s pretpostavkom o konstantnoj brzini svjetlosti u njihovom vlastitom referentnom okviru i zatim konstruišu koordinatni sistem za označavanje vremena i udaljenosti udaljenih događaja. Promatrači iz različitih referentnih okvira će izvesti različite udaljenosti i vremenske intervale između dva ista događaja. Formule za konvertiranje ili transformiranje (Lorentzove transformacije) vrijednosti između različitih referentnih okvira dozvoljavaju svakom promatraču da izračuna kako iste izgledaju drugom promatraču. Nominalne prostorne udaljenosti i vremenski intervali između dva događaja se razlikuju, ali je kombinirani vremenskoprostorni interval nepromijenjiv: on je nezavisan od referentnog okvira odnosno invarijantan.

Einsteinova opća teorija relativnosti

Einsteinova opća teorija relativnosti uklanja razliku između nominalno "inercijskih" i "neinercijskih" efekata zamjenom "plošne", Euklidske geometrije posebne relativnosti sa zakrivljenom ne-Euklidskom metrikom. Dok u metrici posebne relativnosti materija nikakvim ponašanjem ne može izmijeniti prostorvrijeme, metrika opće relativnosti je dinamičnija ("prostor nalaže masi kako da se kreće, masa nalaže prostoru kako da se oblikuje").

U općoj relativnosti, princip inercije je zamijenjen principom geodezijskog kretanja, pri čemu se objekti kreću na način diktiran zakrivljenošću prostorvremena. Kao posljedica te zakrivljenosti, u općoj relativnosti nije određeno da će se objekti koji se jednoliko relativno kreću nastaviti kontinuirano tako kretati. Ovaj fenomen geodetske devijacije znači da inercijski referentni okviri ne postoje globalno kao što je to slučaj u njutnovskoj mehanici i posebnoj relativnosti.

Na dovoljno malim područjima prostorvremena kod kojih se efekti zakrivljenosti mogu zanemariti opća teorija relativnosti reducira se na posebnu teoriju i tada vrijede raniji argumenti inercijskog referentnog okvira. Posljedično, posebna relativnost se ponekad opisuje kao samo "lokalna teorija ".