מערכת ייחוס

בפיזיקה, מערכת ייחוס היא מערכת צירים, שבה נבחרים המיקום של ראשית הצירים (נקודת המוצא של המרחב והזמן) וכוון הצירים במרחב, כך שביחס אליה ניתן לתאר גדלים מסוימים, כמו למשל מיקומו, מהירותו או תאוצתו של עצם בתנועה.
הבחירה אינה יחידה וניתן לבחור מספר אינסופי של מערכות ייחוס לתיאור כל בעיה. בחלק גדול מהבעיות הפיזיקליות, צעד חשוב בפתרון הבעיה הוא בחירת מערכת ייחוס שבה הבעיה מתוארת בפשטות יחסית.
לדוגמה, ניתן להסתכל על הבעיה של חישוב זמן הפגישה בין שתי מכוניות הנעות זו לעבר זו במהירויות שונות; קיימות שלוש בחירות פשוטות למערכת הייחוס. אחת היא מערכת כדור הארץ, שביחס אליה נתונות מהירויות שתי המכוניות. שתי מערכות אפשריות אחרות הן המערכות הצמודות לכל אחת מהמכוניות: לדוגמה, ביחס למערכת המוצמדת למכונית הראשונה, מהירות המכונית הראשונה היא 0. ניתן לבחור גם כל מערכת אחרת שנעה במהירות שרירותית, אך בחירה כזו תקשה על פתרון הבעיה.
מערכת ייחוס (frame of reference) נקראת גם צופה (observer), שכן בחירת מערכת ייחוס היא שקולה להצבת צופה (בלתי מורגש) המודד גדלים בעולם ונע יחד עם מערכת הייחוס.
עד לניסוי מייקלסון-מורלי ופיתוח תורת היחסות הפרטית האמינו שקיימת מערכת ייחוס מיוחדת בחלל, שבה נמצא חומר הנקרא אתר. השערה זו הופרכה בניסוי האמור, והמדידות עד כה מאששות את עקרון היחסות (ראו בהמשך), לפיו אין מערכת ייחוס מיוחדת, אך ישנם חוקים וגדלים אינוואריאנטים, הנשמרים בכל מערכת ייחוס.

מערכת ייחוס אינרציאלית

מערכת אינרציאלית היא מערכת שביחס אליה גוף אשר לא פועל עליו כוח (או לחלופין, גוף שנמצא "רחוק מספיק" מגופים אחרים) ינוע בקו ישר ובמהירות קבועה. זהו החוק הראשון של ניוטון. הגדרה נוספת ושקולה היא: מערכת אינרציאלית היא מערכת שבה שלושת חוקי התנועה של ניוטון מתקיימים. בהינתן מערכת אינרציאלית אחת, ניתן לתאר כל מערכת אינרציאלית אחרת כמערכת שנמצאת בתנועה קצובה ביחס למערכת הראשונה, כלומר מערכת שבה ראשית הצירים אינה מאיצה, וכיווני הצירים אינם מסתובבים ביחס למערכת האינרציאלית המקורית. במערכת הנמצאת בתאוצה יחסית למערכת אינרציאלית צריך להוסיף למערכת כוחות מדומים (ראו בהמשך) כדי לקיים את חוקי ניוטון. 
ניסוח נפוץ של עקרון זה הוא כי "מערכת ייחוס אינרציאלית היא מערכת ייחוס שאינה מאיצה". יש לשים לב כי ניסוח זה משתמש בתאוצת המערכת, ולכן מניח במובלע קיומה של מערכת ייחוס אחרת (שהרי לא ניתן להגדיר תאוצה ללא מערכת ייחוס). הניסוח המדויק יותר הוא כי מערכת ייחוס אינרציאלית היא מערכת ייחוס שאינה מאיצה יחסית למערכת אינרציאלית אחרת.

עקרון היחסות של גלילאו

עקרון היחסות של גלילאו קובע שחוקי הפיזיקה הם זהים בכל שתי מערכות ייחוס הזזות במהירות קבועה זו יחסית לזו. הכללה של עקרון זה היא אחד הבסיסים לתורת היחסות הפרטית ולתורת היחסות הכללית של איינשטיין.
עקרון היחסות של גלילאו מוסבר באמצעות ניסוי מחשבתי שהגה גלילאו. הניסוי המחשבתי נקרא הספינה של גלילאו והוא מתאר את הסיטואציה הבאה: דמיינו חדר קטן ואטום בעיבורה של ספינה, המחליקה במים במהירות קבועה (יחסית לכדור הארץ) מבלי להתנדנד. לפני שנכנסנו לחדר, נטלנו אתנו מכשירים, כדי לקבוע מהי מהירותה של הספינה. גלילאו טען שנכשל במשימתנו, יהיו האמצעים שברשותנו אשר יהיו. לא זו בלבד שלא נצליח לקבוע את מהירותה של הספינה, אלא שגם לא נוכל לדעת אם היא בתנועה כלל, שכן חוקי הפיזיקה ותנועת העצמים בחדר לא משתנים עם שינוי מהירות הספינה.
ישנן אינסוף מערכות ייחוס אינרציאליות, כיוון שעל פי עקרון היחסות של גלילאו כל מערכת הנעה במהירות קבועה יחסית למערכת אינרציאלית גם היא מערכת אינרציאלית. בנוסף, מתקיים גם הקשר ההפוך - אם שתי מערכות ייחוס הן אינרציאליות, אז הן בהכרח נעות במהירות קבועה זו יחסית לזו.

דוגמה של שימוש בכוחות מדומים

אם נרצה לבחון תנועת גופים בתוך מכונית מאיצה, בחירה פשוטה של מערכת הייחוס תהיה נקודה בתוך המכונית, ולכן זו מערכת ייחוס בתאוצה. על אדם במכונית לא פועל כוח ואין תאוצה ביחס למערכת הייחוס שבחרנו, ולכן הוא אמור להישאר במקומו. למרות זאת, עקב הכח המדומה שפועל בגלל תאוצת מערכת הייחוס (המכונית), האדם "יידחף" אחורה. דוגמה נוספת: אם אנחנו יושבים במכונית הפונה שמאלה, נרגיש משיכה לכיוון ימין, ונראה את הנוזל בכוס הקפה נוטה ימינה. ביחס למכונית פועל על הגופים כוח מדומה המכונה כוח צנטריפוגלי.

מערכות ייחוס בתורת היחסות

במעבר ממכניקה קלאסית לתורת היחסות חל שינוי מהותי במשמעותה של מערכת ייחוס. המשמעות הקלאסית נותרה נכונה רק בקירוב, עבור מהירויות נמוכות, שדות כבידה חלשים ומרחקים לא גדולים. 
תורת היחסות הפרטית מניחה עקרון יחסות דומה לעקרון היחסות של גלילאו. למעשה, תורת היחסות הפרטית בנויה על עקרון זה ועל סמך ההנחה שמהירות האור קבועה בכל מערכות הייחוס. מערכת ייחוס אינרציאלית בתורת היחסות נקראת גם מערכת לורנץ. עם זאת בעוד שכל שתי מערכות ייחוס אינרציאליות נעות זו יחסית לזו במהירות קבועה, היחס בין שתי מערכות לורנץ מורכב יותר מחיבור או חיסור המהירות היחסית. כדי לעבור ממערכת לורנץ אחת למערכת לורנץ שנייה יש להשתמש בטרנספורמציית לורנץ ה"מערבבת" בין רכיבי הזמן והמרחב.
בתורת היחסות הכללית, מופיע עקרון יחסות מורכב אף יותר, לפיו לא ניתן להבחין בין מערכת מואצת למערכת הנמצאת תחת השפעתו של שדה כבידה. ניבוי אחד של עקרון זה, שאושש בניסוי, הוא שאור בשדה כבידה יתכופף, כשם שהיה מתכופף לו היינו מודדים אותו מתוך מערכת מואצת מתאימה. למעשה, תורת היחסות הכללית מבטלת את ההבחנה בין כוחות מדומים לכוחות כבידה.