Hệ quy chiếu quán tính

Hệ quy chiếu quán tính trong vật lý cổ điển và thuyết tương đối hẹp sở hữu tính chất là trong hệ quy chiếu này, một vật không có lực ròng tác dụng lên nó sẽ không gia tốc; nghĩa là, một vật như vậy sẽ ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động với vận tốc không đổi. Hệ quy chiếu quán tính có thể được định nghĩa trong thuật ngữ của cơ học giải tích là hệ quy chiếu mô tả thời gian và không gian một cách đồng nhất, đẳng hướng và không phụ thuộc vào thời gian. Về mặt khái niệm, vật lý của một hệ thống trong một hệ thống quán tính không có nguyên nhân nào bên ngoài hệ thống. Hệ quy chiếu quán tính còn có thể được gọi là hệ quy chiếu Galile hay không gian quán tính.

Tất cả các hệ quy chiếu quán tính đều ở trạng thái chuyển động thẳng, không đổi đối với nhau; một gia tốc kế chuyển động cùng với bất kỳ thứ nào trong số chúng sẽ phát hiện gia tốc bằng không. Các phép đo trong một hệ thống quán tính có thể được chuyển đổi thành các phép đo trong một hệ thống khác bằng một phép biến đổi đơn giản (phép biến đổi Galilê trong vật lý Newton và phép biến đổi Lorentz trong thuyết tương đối hẹp). Trong thuyết tương đối rộng, trong bất kỳ vùng nào đủ nhỏ để độ cong của không thời gian và lực thủy triều là không đáng kể, người ta có thể tìm thấy một tập hợp các hệ quy chiếu quán tính mô tả gần đúng vùng đó.

Trong hệ quy chiếu phi quán tính trong vật lý cổ điển và thuyết tương đối hẹp, vật lý của một hệ thay đổi tùy thuộc vào gia tốc của hệ đó so với hệ quán tính, và các lực vật lý thông thường phải được bổ sung bằng các lực hư cấu. Ngược lại, các hệ thống trong thuyết tương đối rộng không có nguyên nhân bên ngoài, bởi vì nguyên lý của chuyển động trắc địa. Thiên hà Andromeda đang va chạm với Dải Ngân hà với tốc độ 117&nbsp;km/s. Khái niệm về hệ quy chiếu quán tính không còn ràng buộc với các ngôi sao cố định hay với không gian tuyệt đối. Đúng hơn, việc xác định một hệ quy chiếu quán tính dựa trên sự đơn giản của các định luật vật lý trong hệ. Đặc biệt, việc không có lực lượng hư cấu là tính chất nhận dạng của các hệ này.

Trong thực tế, mặc dù không phải là một yêu cầu bắt buộc, nhưng việc sử dụng hệ quy chiếu dựa trên các ngôi sao cố định như thể nó là một hệ quy chiếu quán tính tạo ra rất ít sự khác biệt. Ví dụ, gia tốc ly tâm của Trái đất do quay quanh Mặt Trời lớn hơn khoảng ba mươi triệu lần gia tốc dịch chuyển của Mặt Trời về tâm thiên hà.

Để minh họa thêm, hãy xem xét câu hỏi: "Vũ trụ của chúng ta có xoay không?" Để trả lời, chúng ta có thể cố gắng giải thích hình dạng của Ngân Hà bằng cách sử dụng các định luật vật lý, mặc dù các quan sát khác có thể chắc chắn hơn, nghĩa là cung cấp độ chênh lệch lớn hơn hoặc ít độ không đảm bảo đo hơn, như dị hướng của nền vi sóng phóng xạ hoặc tổng hợp hạt nhân Big Bang. Độ phẳng của Dải Ngân hà phụ thuộc vào tốc độ quay của nó trong hệ quy chiếu quán tính. Nếu chúng ta quy tốc độ quay biểu kiến của nó hoàn toàn là quay trong một khung quán tính, thì một "độ phẳng" khác được dự đoán so với nếu chúng ta cho rằng một phần của chuyển động quay này thực sự là do chuyển động quay của vũ trụ và không nên bao gồm chuyển động quay của thiên hà chinh no. Dựa trên các định luật vật lý, một mô hình được thiết lập trong đó một tham số là tốc độ quay của Vũ trụ. Nếu các định luật vật lý đồng ý chính xác hơn với các quan sát trong một mô hình có quay hơn là không có nó, chúng tôi có xu hướng chọn giá trị phù hợp nhất cho quay, tùy thuộc vào tất cả các quan sát thực nghiệm thích hợp khác. Nếu không có giá trị nào của tham số quay là thành công và lý thuyết không nằm trong sai số quan sát, thì việc sửa đổi quy luật vật lý được coi là, ví dụ, vật chất tối được sử dụng để giải thích đường cong quay của thiên hà. Cho đến nay, các quan sát cho thấy bất kỳ vòng quay nào của vũ trụ đều rất chậm, không nhanh hơn một lần sau mỗi 60·1012 năm (10−13 rad / yr), và cuộc tranh luận vẫn tồn tại về việc liệu có bất kỳ vòng quay nào hay không. Tuy nhiên, nếu sự quay được tìm thấy, việc giải thích các quan sát trong một hệ quy chiếu gắn với vũ trụ sẽ phải được điều chỉnh cho các lực hư cấu vốn có trong sự quay như vậy trong vật lý cổ điển và thuyết tương đối hẹp, hoặc được hiểu là độ cong của không thời gian và chuyển động của vật chất dọc theo trắc địa trong thuyết tương đối rộng.

Tham khảo