2. Закон сохранения энергии.

Работа консервативных сил численно равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком и идет на изменение кинетической энергии тела:

Это утверждение, которое вытекает из наших предварительных рассуждений, вполне можно рассматривать как одну из возможных формулировок закона сохранения механической энергии в природе. В системе, состоящей из многих тел, кинетическая энергия будет складываться из суммы кинетических энергий каждого из тел, а потенциальная энергия - из суммы потенциальных энергий каждого из тел и потенциальной энергии взаимодействия тел друг с другом. Но, как и в случае одного тела, полная механическая энергия консервативной системы тел (т.е. тел, на которые действуют только консервативные силы), равная сумме их кинетических и потенциальных энергий, остается неизменной:

или

Естественно возникает вопрос: а что будет, если в системе будут действовать не только консервативные, но и диссипативные силы (например, силы трения)? Ответ прост: полная механическая энергия такой системы будет изменяться. Более того, мы даже можем найти величину этого изменения. Для этого достаточно представить работу всех сил в виде суммы двух слагаемых - работы консервативных сил A и работы диссипативных сил Q - и помнить, что работа любых сил идет на изменение кинетической энергии тел:

откуда

Изменение полной механической энергии системы тел равно работе диссипативных сил, действующих в системе. Что такое работа диссипативных сил тоже понятно. Если мы вспомним, что действие силы трения приводит к нагреванию тел, то становится ясно, что Q- это тепло. Чуть позже мы увидим, что тепло связано с беспорядочным движением атомов и молекул, из которых состоит все вокруг, т.е. тепло - это тоже сумма кинетической и потенциальной энергии, но внутреннего движения. Это внутренняя энергия тел. В случае действия сил трения, таким образом, мы сталкиваемся с процессами взаимного превращения одних форм энергии (механической) в другие (внутреннюю энергию теплового движения). Кроме кинетической и потенциальной энергии, энергии теплового движения существуют и другие формы энергии. Это может быть энергия излучения (или энергия электромагнитного поля), химическая энергия (энергия химического взаимодействия атомов), ядерная энергия, связанная с взаимодействием составляющих атомного ядра, или энергия массы, возникающая в теории относительности. Но при этом “Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии вечно и неизменно. Она только переходит из одной формы в другую”. Это наиболее общая формулировка закона сохранения энергии, которая принадлежит выдающемуся и разностороннему немецкому ученому Герману Гельмгольцу (1821-1894).

3. Относительность энергии

Теория относительности — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно - временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение ТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, — релятивистскими скоростями. Основным отличием ТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости. Теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном в работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел». 

Принцип относительности— фундаментальный физический принцип, один из принципов симметрии, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Частным случаем принципа относительности Эйнштейна является принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея и оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике. В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность

Принцип относительности Эйнштейна.

В начале XX века был сформулирован более общий принцип, получивший название принципа относительности Эйнштейна. Согласно принципу относительности Эйнштейна не только механические, но и любые другие эксперименты (оптические, электрические, магнитные и т.д.) не могут отличить одну инерциальную систему от другой. Теория, построенная на этом принципе, получила название теории относительности, или релятивистской теории (латинский термин «релятивизм» эквивалентен русскому термину «отно­сительность»). Релятивистская теория, в отличие от нерелятивистской (ньютоновой механики), учитывает, что в природе существует предельная скорость с распространения физических сигналов: с = 310⁸ м/с. Обычно о величине с говорят как о скорости света в пустоте. Реля­тивистская теория дает возможность рассчитывать движение тел (ча­стиц) с любыми скоростями v вплоть до v = с. Нерелятивистская ньюто­нова механика является предельным случаем релятивистской эйнштейновской механики при v/с  0. Формально в ньютоновой механике нет пре­дельной скорости распространения сигналов, т.е. с = .

Введение эйнштейновского принципа относительности потребовало изменения взгляда на такие фундаментальные понятия, как пространство, время, одновременность. Оказалось, что по отдельности расстояния меж­ду двумя событиями в пространстве r и во времени t не остаются неиз­менными при переходе от одной инерциальной системы координат к другой, а ведут себя как компоненты четырехмерного вектора в четырех­мерном пространстве-времени Минковского. Неизменной, инвариантной остается при этом лишь величина s, называемая интервалом: s² = с²t² - r².