Пространство и время обладают некоторыми более сложными симметриями. Одна из них выражается принципом относительности.
Первым к формулировке принципа относительности подошел Галилей, вошедший в историю культуры благодаря своей знаменитой фразе: «А все-таки она вертится!» Галилей имел в виду, что не звездное небо вращается вокруг Земли, а Земля — вокруг своей оси. У Галилея были и оппоненты, которые говорили: если бы Земля вправду вращалась, то камень, выпущенный из рук, не мог бы падать вертикально вниз, ведь за время его падения та точка Земли, над которой он был уронен, сместилась бы на восток.
Галилей придумал мысленный эксперимент, известный как «корабль Галилея», демонстрирующий несправедливость этих возражений. Представим, говорил он, что вы просыпаетесь в трюме корабля и желаете выяснить, стоит ли корабль на якоре или идет под всеми: парусами. Как это сделать, не выглядывая наружу? Очевидно, следует провести какой-то эксперимент, который дает разные результаты на стоящем и на плывущем корабле. Попробуем, например, выпустить из руки камень. На стоящем корабле он упадет вертикально вниз. А вот плывущий корабль, если следовать логике оппонентов Галилея, должен за время падения сместиться, и потому путешественник в трюме должен наблюдать отклонение падающего камня от вертикали — в сторону, противоположную движению судна.
Галилей объясняет почему: на плывущем корабле и путешественник и камень, который он держит в руке, имеют скорость корабля. Когда камень выпускают из рук, он сохраняет эту скорость. В результате в каждый момент полета он находится над одной и той же точкой палубы и упадет именно на нее. Проанализировав еще ряд возможных экспериментов, Галилей пришел к выводу, что, не выходя из трюма, путешественник никогда не сможет определить, плывет ли он и куда!
Основываясь на мысленном эксперименте «корабль Галилея», можно сформулировать положение, известное как принцип относительности: «Любое явление должно идти совершенно одинаково в любой системе отсчета»
Во-первых, в такой форме принцип относительности справедлив не для любых систем отсчета, а лишь для инерциальных. Все они должны двигаться равномерно друг относительно друга. Как только скорость тела, с которым связана система отсчета, изменяется (т. е. появляется ускорение), последняя тут же становится неинерцальной.
Во-вторых, выражение «должно идти совершенно одинаково» недостаточно точно. Точнее сказать так: уравнения, описывающие любое явление, должны быть инвариантны относительно преобразований, описывающих переход от одной системы отсчета к другой.
Первый постулат Эйнштейна удобно сформулировать так: «Все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, среди них нет выделенных или предпочтительных»
Задача, поставленная Эйнштейном, заключалась в том, чтобы выяснить, какие выводы следуют из этих двух постулатов. Оказалось, что эти выводы идут вразрез с привычными представлениями о свойствах пространства и времени. Анализ следствий из постулатов Эйнштейна составляет содержание специальной теории относительности (СТО). Представления теории относительности называют релятивистскими.
