Теория эфира Лоренца

То, что сейчас часто называют теорией эфира Лоренца ( LET ), уходит своими корнями в «теорию электронов» Хендрика Лоренца , которая была последней точкой в ​​развитии классических теорий эфира в конце 19-го и начале 19-го века. 20 век.

Первоначальная теория Лоренца была создана между 1892 и 1895 годами и основывалась на полностью неподвижном эфире. Он объяснил неудачу экспериментов с отрицательным дрейфом эфира до первого порядка по v / c введением вспомогательной переменной, называемой «местное время», для соединения систем в состоянии покоя и в движении в эфире. Кроме того, отрицательный результат эксперимента Майкельсона привело к введению гипотезы о сокращении длины в 1892. Однако другие эксперименты также полученных результатов и отрицательных (руководствуясь Анри Пуанкаре «ы принцип относительности ) Лоренца пытался в 1899 году и 1904 г., чтобы распространить свою теорию на все порядки в в / цвведя преобразование Лоренца . Кроме того, он предположил, что также неэлектромагнитные силы (если они существуют) трансформируются подобно электрическим силам. Однако выражение Лоренца для плотности заряда и тока было неверным, поэтому его теория не полностью исключала возможность обнаружения эфира. В конце концов, именно Анри Пуанкаре в 1905 году исправил ошибки в статье Лоренца и фактически включил неэлектромагнитные силы (включая гравитацию ) в теорию, которую он назвал «Новой механикой». Многие аспекты теории Лоренца были включены в специальную теорию относительности ( СТО ) благодаря работам Альберта Эйнштейна и Германа Минковского .

Сегодня LET часто трактуют как своего рода «лоренцеву» или «неолоренцеву» интерпретацию специальной теории относительности. ^[1] Введение сокращения длины и замедления времени для всех явлений в «предпочтительной» системе отсчета , которая играет роль неподвижного эфира Лоренца, приводит к полному преобразованию Лоренца (см. Теорию теста Робертсона-Мансури-Сексля как пример). Поскольку в обоих используется один и тот же математический аппарат, экспериментально отличить ЛПЭ от СТО невозможно. Однако в LET предполагается существование необнаруживаемого эфира, и справедливость принципа относительности представляется лишь случайным совпадением. что является одной из причин, почему SR обычно предпочтительнее LET.

Историческое развитие [ править ]

Основная концепция [ править ]

Хендрик Антун Лоренц

Эта теория, разработанная в основном между 1892 и 1906 годами Лоренцем и Пуанкаре, была основана на теории эфира Огюстена-Жана Френеля , уравнениях Максвелла и электронной теории Рудольфа Клаузиуса . ^{[B 1]} Лоренц ввел строгое разделение между материей (электронами) и эфиром, в результате чего в его модели эфир полностью неподвижен и не будет приводиться в движение в окрестности весомой материи. Как позже сказал Макс Борн , для ученых того времени было естественным (хотя и не логически необходимым) отождествить остальную систему отсчета эфира Лоренца с абсолютным пространством Исаака Ньютона . ^{[БИ 2]}Состояние этого эфира можно описать с помощью электрического поля E и магнитного поля H, где эти поля представляют собой «состояния» эфира (без дальнейшего уточнения), связанные с зарядами электронов. Таким образом, абстрактный электромагнитный эфир заменяет старые механистические модели эфира. В отличие от Клаузиуса, который считал, что электроны действуют на расстоянии , электромагнитное поле эфира выступает в качестве посредника между электронами, и изменения в этом поле могут распространяться не быстрее скорости света . Лоренц теоретически объяснил эффект Зеемана на основе своей теории, за что получил Нобелевскую премию по физике.в 1902 году. Джозеф Лармор одновременно открыл аналогичную теорию, но его концепция была основана на механическом эфире. Фундаментальным понятием теории Лоренца 1895 г. ^{[A 1]} была «теорема о соответствующих состояниях» для членов порядка  v / c . Эта теорема утверждает, что движущийся наблюдатель относительно эфира может использовать те же уравнения электродинамики, что и наблюдатель в стационарной эфирной системе, таким образом, они делают те же наблюдения.

Уменьшение длины [ править ]

Большой проблемой для этой теории был эксперимент Майкельсона-Морли в 1887 году. Согласно теориям Френеля и Лоренца, с помощью этого эксперимента должно было быть определено относительное движение неподвижного эфира; однако результат был отрицательным. Сам Майкельсон считал, что результат подтвердил гипотезу сопротивления эфира, согласно которой эфир полностью увлекается материей. Однако другие эксперименты, такие как эксперимент Физо и эффект аберрации, опровергли эту модель.

Возможное решение возникло, когда в 1889 году Оливер Хевисайд вывел из уравнений Максвелла, что поле магнитного векторного потенциала вокруг движущегося тела изменяется в раз . Основываясь на этом результате и чтобы привести гипотезу неподвижного эфира в соответствие с экспериментом Майкельсона-Морли, Джордж Фицджеральд в 1889 году (качественно) и, независимо от него, Лоренц в 1892 году ^{[A 2]} (уже количественно) предположили, что не только электростатические поля, но и молекулярные силы действуют таким образом, что размер тела на линии движения меньше на величину${\ displaystyle {\ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}}}}$${\displaystyle v^{2}/(2c^{2})}$чем размер, перпендикулярный линии движения. Однако наблюдатель, движущийся вместе с Землей, не заметит этого сжатия, потому что все другие инструменты сокращаются с той же скоростью. В 1895 году ^{[A 1]} Лоренц предложил три возможных объяснения этого относительного сокращения: ^{[B 3]}

• Тело сокращается по линии движения и сохраняет свои размеры перпендикулярно ему.
• Размер тела остается прежним по линии движения, но расширяется перпендикулярно ему.
• Тело сокращается по линии движения и одновременно расширяется перпендикулярно ему.

Хотя возможная связь между электростатическими и межмолекулярными силами использовалась Лоренцем в качестве аргумента правдоподобия, гипотеза сжатия вскоре стала считаться чисто специальной . Также важно, что это сжатие повлияет только на пространство между электронами, но не на сами электроны; поэтому для этого эффекта иногда использовалось название «межмолекулярная гипотеза». Так называемое сокращение длины без расширения перпендикулярно линии движения и по точному значению (где l ₀ - длина в состоянии покоя в эфире) было дано Лармором в 1897 году и Лоренцем в 1904 году. В том же году Лоренц также утверждал, что это сжатие влияет и на сами электроны. ^{[B 4]}${\displaystyle l=l_{0}\cdot {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$Для дальнейшего развития этой концепции см. Раздел # Преобразование Лоренца . ^{[A 3]}

Местное время [ править ]

Важной частью теоремы о соответствующих состояниях 1892 и 1895 годов ^{[A 1]} было местное время , где t - координата времени для наблюдателя, покоящегося в эфире, а t '- координата времени для наблюдателя, движущегося в эфире. . ( Вольдемар Фойгт ранее использовал то же выражение для местного времени в 1887 году в связи с эффектом Доплера и несжимаемой средой.) С помощью этой концепции Лоренц мог объяснить аберрацию света , эффект Доплера и эксперимент Физо (т. Е. Измерения от сопротивления Френеля коэффициент ) по Физо${\displaystyle t'=t-vx/c^{2}}$в движущихся и покоящихся жидкостях. В то время как для Лоренца сокращение длины было реальным физическим эффектом, он рассматривал преобразование времени только как эвристическую рабочую гипотезу и математическое условие для упрощения расчета от покоящейся до «фиктивной» движущейся системы. В отличие от Лоренца, Пуанкаре видел в определении местного времени больше, чем математический трюк, который он назвал «самой гениальной идеей» Лоренца. ^{[A 4]} В «Мере времени» он писал в 1898 году: ^{[A 5]}

У нас нет непосредственной интуиции одновременности, как и равенства двух периодов. Если мы полагаем, что обладаем этой интуицией, это иллюзия. Мы помогли себе с определенными правилами, которые мы обычно используем, не давая нам отчета [...] Поэтому мы выбираем эти правила не потому, что они верны, а потому, что они наиболее удобны, и мы можем резюмировать их, говоря: «Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны быть определены таким образом, чтобы изложение законов природы было настолько простым, насколько это возможно. Другими словами, все эти правила, все эти определения - всего лишь плод бессознательного оппортунизма » ^{[C 1].}

В 1900 году Пуанкаре интерпретировал местное время как результат процедуры синхронизации, основанной на световых сигналах. Он предположил, что два наблюдателя, A и B , которые движутся в эфире, синхронизируют свои часы с помощью оптических сигналов. Поскольку они считают себя находящимися в состоянии покоя, они должны учитывать только время передачи сигналов, а затем пересекать свои наблюдения, чтобы проверить, синхронны ли их часы. Однако с точки зрения наблюдателя, покоящегося в эфире, часы не синхронны и показывают местное время . Но поскольку движущиеся наблюдатели ничего не знают о своем движении, они не осознают этого. ^{[A 6]} В 1904 году он проиллюстрировал ту же процедуру следующим образом: A${\displaystyle t'=t-vx/c^{2}}$посылает сигнал в момент времени 0 в B , который приходит в момент времени t . B также отправляет сигнал A в момент времени 0 , который приходит в момент t . Если в обоих случаях t имеет одинаковое значение, часы синхронны, но только в системе, в которой часы покоятся в эфире. Итак, согласно Дарриголу, ^{[B 5]} Пуанкаре понимал местное время как физический эффект, точно такой же, как сокращение длины - в отличие от Лоренца, который использовал ту же интерпретацию не до 1906 года. Однако, в отличие от Эйнштейна, который позже использовал аналогичную процедуру синхронизации которую назвали синхронизацией ЭйнштейнаДарригол говорит, что Пуанкаре считал, что часы, покоящиеся в эфире, показывают истинное время. ^{[A 4]}

Однако вначале было неизвестно, включает ли местное время то, что сейчас известно как замедление времени . Этот эффект был впервые замечен Лармором (1897), который писал, что « отдельные электроны описывают соответствующие части своих орбит в более короткие для [эфирной] системы времена в соотношении или${\displaystyle \varepsilon ^{-1/2}}$${\displaystyle (1-(1/2)v^{2}/c^{2})}$ ». А в 1899 г. ^{[A 7]} также Лоренц отметил для частоты колебания электронов, « что в S время колебаний будет в раз больше, чем в S ₀${\displaystyle k\varepsilon }$ », где S ₀ - эфирная система отсчета, S - математически-фиктивная система координат. движущийся наблюдатель, k есть , и является неопределенным фактором. ^{[B 6]}${\displaystyle {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$${\displaystyle \varepsilon }$

Преобразование Лоренца [ править ]

В то время как местное время могло объяснить эксперименты с отрицательным дрейфом эфира до первого порядка по v / c , было необходимо - из-за других неудачных экспериментов с дрейфом эфира, таких как эксперимент Траутона-Нобла - изменить гипотезу, чтобы включить эффекты второго порядка. Математическим инструментом для этого является так называемое преобразование Лоренца . Фойгт в 1887 году уже вывел подобную систему уравнений (хотя и с другим масштабным коэффициентом). Впоследствии Лармор в 1897 г. и Лоренц в 1899 г. ^{[A 7]} вывели уравнения в форме, алгебраически эквивалентной тем, которые используются до сих пор, хотя Лоренц использовал неопределенный множитель l в своем преобразовании. В своей статьеЭлектромагнитные явления в системе, движущейся с любой скоростью, меньшей, чем скорость света (1904 г.) ^{[A 3]} Лоренц попытался создать такую ​​теорию, согласно которой на все силы между молекулами влияет преобразование Лоренца (в котором Лоренц установил коэффициент l к единице) таким же образом, как электростатические силы. Другими словами, Лоренц попытался создать теорию, в которой относительное движение Земли и эфира (почти или полностью) необнаружимо. Поэтому он обобщил гипотезу сжатия и утверждал, что не только силы между электронами, но и сами электроны сокращаются по линии движения. Однако Макс Абрахам(1904) быстро отметил недостаток этой теории: в рамках чисто электромагнитной теории сжатая электронная конфигурация нестабильна, и для стабилизации электронов необходимо ввести неэлектромагнитную силу - сам Абрахам подверг сомнению возможность включения таких сил в теорию Лоренц.

Таким образом, именно Пуанкаре 5 июня 1905 г. ^{[A 8]} ввел так называемые «напряжения Пуанкаре» для решения этой проблемы. Эти напряжения были интерпретированы им как внешнее, неэлектромагнитное давление, которое стабилизирует электроны, а также послужило объяснением сокращения длины. ^{[B 7]} Хотя он утверждал, что Лоренцу удалось создать теорию, которая соответствует постулату относительности, он показал, что уравнения электродинамики Лоренца не были полностью лоренц-ковариантными . Таким образом, указав на групповые характеристики преобразования, Пуанкаре продемонстрировал лоренц-ковариантность уравнений Максвелла – Лоренца и скорректировал формулы преобразования Лоренца для плотности заряда и плотности тока. Он продолжил набросок модели гравитации (включая гравитационные волны ), которая могла бы быть совместима с преобразованиями. Именно Пуанкаре впервые использовал термин «преобразование Лоренца» и придал им форму, которая используется по сей день. (Где - произвольная функция от , которая должна быть установлена ​​на единицу, чтобы сохранить характеристики группы. Он также установил скорость света на единицу.)${\displaystyle \ell }$${\displaystyle \varepsilon }$

${\displaystyle x^{\prime }=k\ell \left(x+\varepsilon t\right),\qquad y^{\prime }=\ell y,\qquad z^{\prime }=\ell z,\qquad t^{\prime }=k\ell \left(t+\varepsilon x\right)}$

${\displaystyle k={\frac {1}{\sqrt {1-\varepsilon ^{2}}}}}$

Существенно расширенная работа (так называемая «Палермская газета») ^{[A 9]} была представлена ​​Пуанкаре 23 июля 1905 г., но была опубликована в январе 1906 г., поскольку журнал выходил только два раза в год. Он буквально говорил о «постулате относительности», он показал, что преобразования являются следствием принципа наименьшего действия ; он более подробно продемонстрировал групповые характеристики преобразования, названный им группой Лоренца , и показал, что комбинация инвариантна. Разрабатывая свою теорию гравитации, он заметил, что преобразование Лоренца - это просто вращение в четырехмерном пространстве вокруг начала координат, введя в качестве четвертой, воображаемой координаты, и он использовал раннюю форму${\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}-c^{2}t^{2}}$${\displaystyle ct{\sqrt {-1}}}$четырехвекторы . Однако позже Пуанкаре сказал, что перевод физики на язык четырехмерной геометрии потребует слишком больших усилий с ограниченной выгодой, и поэтому он отказался прорабатывать последствия этого понятия. Однако позже это сделал Минковский; см. «Переход к теории относительности». ^{[B 8]}

Электромагнитная масса [ править ]

Дж. Дж. Томсон (1881) и другие заметили, что электромагнитная энергия вносит вклад в массу заряженных тел в размере , который был назван электромагнитной или «кажущейся массой». Другой вывод о какой-то электромагнитной массе был проведен Пуанкаре (1900). Используя импульс электромагнитных полей, он пришел к выводу, что эти поля дают массу всех тел, что необходимо для сохранения теоремы о центре масс .${\displaystyle m=(4/3)E/c^{2}}$${\displaystyle E_{em}/c^{2}}$

Как отмечали Томсон и другие, эта масса также увеличивается со скоростью. Так, в 1899 году Лоренц вычислил, что отношение массы электрона в движущейся системе отсчета к массе эфира параллельно направлению движения и перпендикулярно направлению движения, где и является неопределенным множителем. ^{[A 7]} А в 1904 году он установил , придя к выражениям для масс в разных направлениях (продольном и поперечном): ^{[A 3]}${\displaystyle k^{3}\varepsilon }$${\displaystyle k\varepsilon }$${\displaystyle k={\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$${\displaystyle \varepsilon }$${\displaystyle \varepsilon =1}$

${\displaystyle m_{L}={\frac {m_{0}}{\left({\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\right)^{3}}},\quad m_{T}={\frac {m_{0}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}},}$

где

${\displaystyle m_{0}={\frac {4}{3}}{\frac {E_{em}}{c^{2}}}}$

Многие ученые теперь полагали, что вся масса и все формы сил имеют электромагнитную природу. Однако от этой идеи пришлось отказаться в ходе развития релятивистской механики. Абрахам (1904) утверждал (как описано в предыдущем разделе # преобразование Лоренца ), что неэлектрические связывающие силы были необходимы в рамках модели электронов Лоренца. Но Абрахам также отметил, что были получены разные результаты, в зависимости от того, рассчитывается ли em-масса по энергии или по импульсу. Чтобы решить эти проблемы, Пуанкаре в 1905 году ^{[A 8]} и 1906 году ^{[A 9]} ввел своего рода давление неэлектрической природы, которое вносит вклад в величину${\displaystyle -(1/3)E/c^{2}}$к энергии тел и, следовательно, объясняет фактор 4/3 в выражении для электромагнитного соотношения массы и энергии. Однако, хотя выражение Пуанкаре для энергии электронов было правильным, он ошибочно утверждал, что только em-энергия вносит вклад в массу тел. ^{[B 9]}

Понятие электромагнитной массы не рассматриваются больше как причина массы в себе , так как вся масса ( а не только электромагнитная части) пропорциональна энергии, и может быть преобразована в различные формы энергии, что объясняется Эйнштейн массо- энергетическая эквивалентность . ^{[B 10]}

Гравитация [ править ]

Теории Лоренца [ править ]

В 1900 году ^{[A 10]} Лоренц попытался объяснить гравитацию на основе уравнений Максвелла. Сначала он рассмотрел модель типа Ле Сажа и утверждал, что, возможно, существует универсальное поле излучения, состоящее из очень проникающего эм-излучения и оказывающего равномерное давление на все тела. Лоренц показал, что сила притяжения между заряженными частицами действительно возникнет, если предположить, что падающая энергия полностью поглощается. Это была та же фундаментальная проблема, которая беспокоила другие модели Le Sage, потому что излучение должно каким-то образом исчезнуть, а любое поглощение должно приводить к огромному нагреву. Поэтому Лоренц отказался от этой модели.

В той же статье он предположил, как Оттавиано Фабрицио Моссотти и Иоганн Карл Фридрих Цёлльнер, что притяжение противоположно заряженных частиц сильнее отталкивания одинаково заряженных частиц. Результирующая результирующая сила и есть то, что известно как универсальная гравитация, в которой скорость гравитации равна скорости света. Это приводит к конфликту с законом всемирного тяготения Исаака Ньютона, в котором Пьер Симон Лаплас показал, что конечная скорость гравитации приводит к некоторой аберрации и, следовательно, делает орбиты нестабильными. Однако Лоренц показал, что теория не связана с критикой Лапласа, поскольку из-за структуры уравнений Максвелла эффекты только порядка v ²/ c ² возникают. Но Лоренц подсчитал, что значение продвижения перигелия Меркурия было слишком низким. Он написал:

Возможно, специальная форма этих условий может быть изменена. Тем не менее, сказанного достаточно, чтобы показать, что гравитацию можно приписать действиям, которые распространяются не с большей скоростью, чем скорость света.

В 1908 году ^{[A 11]} Пуанкаре исследовал гравитационную теорию Лоренца и классифицировал ее как совместимую с принципом относительности, но (как и Лоренц) критиковал неточное указание на продвижение перигелия Меркурия. В отличие от Пуанкаре, Лоренц в 1914 году считал свою теорию несовместимой с принципом относительности и отверг ее. ^{[A 12]}

Лоренц-инвариантный закон тяготения [ править ]

Пуанкаре утверждал в 1904 году, что скорость распространения гравитации, превышающая c, противоречит концепции местного времени и принципу относительности. Он написал: ^{[A 4]}

Что бы произошло, если бы мы могли общаться с помощью сигналов, отличных от сигналов света, скорость распространения которых отличается от скорости распространения света? Если, отрегулировав наши часы оптимальным методом, мы захотим проверить результат с помощью этих новых сигналов, мы должны наблюдать расхождения из-за общего поступательного движения двух станций. И разве такие сигналы немыслимы, если мы возьмем точку зрения Лапласа, что всемирное тяготение передается со скоростью в миллион раз большей, чем скорость света?

Однако в 1905 и 1906 годах Пуанкаре указал на возможность теории гравитации, в которой изменения распространяются со скоростью света и которая является лоренц-ковариантной. Он указал, что в такой теории гравитационная сила зависит не только от масс и их взаимного расстояния, но также от их скоростей и их положения из-за конечного времени распространения взаимодействия. Тогда Пуанкаре ввел четырехвекторы. ^{[A 8]} Вслед за Пуанкаре Минковский (1908) и Арнольд Зоммерфельд (1910) пытались установить лоренц-инвариантный закон тяготения. ^{[B 11]} Однако эти попытки были отменены из-за общей теории относительности Эйнштейна , см. « Переход к теории относительности ».

Отсутствие обобщения эфира Лоренца на гравитацию было главной причиной предпочтения пространственно-временной интерпретации. Жизнеспособное обобщение гравитации было предложено Шмельцером только в 2012 году. ^[2] Предпочтительный кадр определяется условием гармонических координат . Гравитационное поле определяется тензором плотности, скорости и напряжений эфира Лоренца, так что гармонические условия становятся непрерывностью и уравнениями Эйлера . Эйнштейна принцип эквивалентности происходит. Принцип строгой эквивалентности нарушен, но восстанавливается в пределе, который дает уравнения общей теории относительности Эйнштейна в гармонических координатах.

Принципы и соглашения [ править ]

Постоянство света [ править ]

Уже в своем философском сочинении об измерениях времени (1898 г.) ^{[A 5]} Пуанкаре писал, что астрономы, подобные Оле Рёмеру , при определении скорости света просто предполагают, что свет имеет постоянную скорость и что эта скорость одинакова во всех направлениях. . Без этого постулатабыло бы невозможно вывести скорость света из астрономических наблюдений, как это сделал Рёмер, основываясь на наблюдениях лун Юпитера. Далее Пуанкаре отметил, что Рёмер также должен был предположить, что спутники Юпитера подчиняются законам Ньютона, в том числе закону тяготения, тогда как можно было бы согласовать другую скорость света с теми же наблюдениями, если бы мы предположили некоторые другие (возможно, более сложные) законы движения. Согласно Пуанкаре, это показывает, что мы принимаем для скорости света значение, которое делает законы механики настолько простыми, насколько это возможно. (Это пример конвенционалистской философии Пуанкаре.) Пуанкаре также отметил, что скорость распространения света может использоваться (и на практике часто используется) для определения одновременности между пространственно разделенными событиями. Тем не мение,в этой статье он не стал обсуждать последствия применения этих «условностей» к множеству относительно подвижных систем отсчета. Следующий шаг был сделан Пуанкаре в 1900 году.^{[A 6],} когда он осознал, что синхронизация световых сигналов в системе отсчета Земли приводит к местному времени Лоренца. ^{[B 12] [B 13]} (См. Раздел «местное время» выше). А в 1904 году Пуанкаре писал: ^{[A 4]}

Из всех этих результатов, если бы они были подтверждены, была бы получена совершенно новая механика, которая характеризовалась бы прежде всего тем фактом, что не может быть скорости больше, чем у света, ни больше, чем температура ниже абсолютного нуля. . Для наблюдателя, участвующего в поступательном движении, о котором он не подозревает, никакая видимая скорость не могла бы превзойти скорость света, и это было бы противоречием, если только не вспомнить тот факт, что этот наблюдатель не использует такие же часы. как те, которые используются неподвижным наблюдателем, а скорее часы, показывающие «местное время». [..] Возможно, нам также придется построить совершенно новую механику, которую мы сможем лишь мельком увидеть, где инерция увеличивается с скорость, скорость света стала бы непреодолимым пределом. Обычная механика,более простым, останется первое приближение, поскольку оно будет верным для не слишком больших скоростей, так что старая динамика все равно будет обнаружена в новой. Мы не должны сожалеть о том, что верили в эти принципы, и даже, поскольку скорости, слишком большие для старых формул, всегда были бы только исключительными, самым надежным способом на практике все же было бы действовать так, как если бы мы продолжали в них верить. Они настолько полезны, что нужно было бы оставить для них место. Решить полностью исключить их - значит лишить себя драгоценного оружия. В заключение я спешу сказать, что мы еще не достигли цели, и пока ничто не доказывает, что принципы не выйдут из сражения победоносными и неповрежденными ».так что старый динамик все равно находился бы под новый. Мы не должны сожалеть о том, что верили в эти принципы, и даже, поскольку скорости, слишком большие для старых формул, всегда были бы только исключительными, самым надежным способом на практике все же было бы действовать так, как если бы мы продолжали в них верить. Они настолько полезны, что нужно было бы оставить для них место. Решить полностью исключить их - значит лишить себя драгоценного оружия. В заключение я спешу сказать, что мы еще не достигли цели, и пока ничто не доказывает, что принципы не выйдут из сражения победоносными и неповрежденными ».так что старый динамик все равно находился бы под новый. Мы не должны сожалеть о том, что верили в эти принципы, и даже, поскольку скорости, слишком большие для старых формул, всегда были бы только исключительными, самым надежным способом на практике все же было бы действовать так, как если бы мы продолжали в них верить. Они настолько полезны, что нужно было бы оставить для них место. Решить полностью исключить их - значит лишить себя драгоценного оружия. В заключение я спешу сказать, что мы еще не достигли цели, и пока ничто не доказывает, что принципы не выйдут из сражения победоносными и неповрежденными ».Самый надежный способ на практике - это действовать так, как если бы мы продолжали в них верить. Они настолько полезны, что нужно было бы оставить для них место. Решить полностью исключить их - значит лишить себя драгоценного оружия. В заключение я спешу сказать, что мы еще не достигли цели, и пока ничто не доказывает, что принципы не выйдут из сражения победоносными и неповрежденными ».Самый надежный способ на практике - это действовать так, как если бы мы продолжали в них верить. Они настолько полезны, что нужно было бы оставить для них место. Решить полностью исключить их - значит лишить себя драгоценного оружия. В заключение я спешу сказать, что мы еще не достигли цели, и пока ничто не доказывает, что принципы не выйдут из сражения победоносными и неповрежденными ».

Принцип относительности [ править ]

В 1895 году ^{[A 13] [B 14]} Пуанкаре утверждал, что эксперименты, подобные эксперименту Майкельсона-Морли, показывают, что, по-видимому, невозможно обнаружить абсолютное движение материи или относительное движение материи относительно эфира. И хотя у большинства физиков были другие взгляды, Пуанкаре в 1900 г. ^{[A 14]} придерживался своего мнения и попеременно использовал выражения «принцип относительного движения» и «относительность пространства». Он раскритиковал Лоренца, заявив, что было бы лучше создать более фундаментальную теорию, объясняющую отсутствие какого-либо дрейфа эфира, чем выдвигать одну гипотезу за другой. В 1902 г. ^{[A 15]} он впервые употребил выражение «принцип относительности». В 1904 г. ^{[A 4]}он ценил работу математиков, которые спасли то, что он теперь назвал « принципом относительности » с помощью гипотез, таких как местное время, но он признал, что это предприятие возможно только путем накопления гипотез. И он определил этот принцип таким образом (согласно Миллеру ^{[B 15],} основанному на теореме Лоренца о соответствующих состояниях): «Принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для одного. увлекаются равномерным движением поступательного движения, так что у нас нет и не может быть никаких средств, чтобы определить, увлекаемся мы или нет в таком движении ".

Ссылаясь на критику Пуанкаре с 1900 года, Лоренц написал в своей знаменитой статье 1904 года, где он расширил свою теорему о соответствующих состояниях: ^{[A 3]} «Конечно, процесс изобретения специальных гипотез для каждого нового экспериментального результата несколько искусственен. было бы более удовлетворительно, если бы можно было показать с помощью определенных фундаментальных предположений и без пренебрежения терминами того или иного порядка, что многие электромагнитные воздействия полностью независимы от движения системы ».

Одна из первых оценок работы Лоренца была дана Полем Ланжевеном в мае 1905 года. По его словам, это расширение электронных теорий Лоренца и Лармора привело к «физической невозможности продемонстрировать поступательное движение Земли». Однако Пуанкаре заметил в 1905 году, что теория Лоренца 1904 года не была полностью «лоренц-инвариантной» в некоторых уравнениях, таких как выражение Лоренца для плотности тока (Лоренц признал в 1921 году, что это были дефекты). Поскольку для этого потребовались лишь незначительные модификации работы Лоренца, Пуанкаре также утверждал ^{[A 8],} что Лоренцу удалось согласовать свою теорию с принципом относительности:«Похоже, что эта невозможность продемонстрировать абсолютное движение Земли является общим законом природы. [...] Лоренц попытался дополнить и изменить свою гипотезу, чтобы согласовать ее с постулатом о полной невозможности определения абсолютного движения. Это то, что ему удалось сделать в своей статье, озаглавленной « Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света [Lorentz, 1904b]». ^{[C 2]}

В своей статье в Палермо (1906 г.) Пуанкаре назвал это «постулатом относительности», и, хотя он заявил, что, возможно, этот принцип может быть опровергнут в какой-то момент (и на самом деле он упомянул в конце статьи, что открытие магнитного поля) катодные лучи от Paul Ulrich Виллард (1904) , кажется, угрожает его ^{[B 16]} ), он полагал , что это было интересно рассмотреть последствия , если бы мы предполагаем , что постулат относительности был действительным без ограничений. Это будет означать , что все силы природы (не только электромагнетизм) должен быть инвариантным относительно преобразования Лоренца. ^{[A 9]} В 1921 году Лоренц приписал Пуанкаре установление принципа и постулата относительности и написал: ^{[A 16]} «Я не доказал, что принцип относительности является строго и универсально верным. С другой стороны, Пуанкаре получил полную инвариантность электромагнитных уравнений и сформулировал« постулат относительности », термины, которыми он был первым нанять ". ^{[C 3]}

Эфир [ править ]

Пуанкаре писал в духе своей конвенционалистской философии в 1889 году: ^{[A 17]} «Существует ли эфир или нет - мало что значит - оставим это метафизикам; для нас важно то, что все происходит так, как если бы он существовал, и что эта гипотеза оказывается пригодной для объяснения явлений. В конце концов, есть ли у нас какие-либо другие основания верить в существование материальных объектов? Это тоже всего лишь удобная гипотеза; только она никогда не перестанет быть таковой. , а когда-нибудь, без сомнения, эфир будет отброшен как бесполезный ».

Он также отрицал существование абсолютного пространства и времени , сказав в 1901 году: ^{[A 18]} «1. Абсолютного пространства не существует, и мы понимаем только относительное движение; и все же в большинстве случаев механические факты констатируются так, как будто существует абсолютное пространство, к которому они могут быть отнесены. 2. Абсолютного времени не существует. Когда мы говорим, что два периода равны, это утверждение не имеет смысла и может приобретать значение только по соглашению. 3. У нас нет прямого интуиция равенства двух периодов, но у нас нет даже непосредственной интуиции одновременности двух событий, происходящих в двух разных местах. Я объяснил это в статье, озаглавленной «Mesure du Temps» [1898]. 4. Наконец, нет наша евклидова геометрия сама по себе лишь своего рода условное обозначение языка? "

Однако сам Пуанкаре никогда не отказывался от гипотезы эфира и в 1900 году заявил: ^{[A 14]} «Существует ли на самом деле наш эфир? Мы знаем происхождение нашей веры в эфир. Если свету требуется несколько лет, чтобы добраться до нас от далекой звезды, он нет больше ни на звезде, ни на Земле. Это должно быть где-то и поддерживаться, так сказать, некой материальной силой ". И, говоря об эксперименте Физо , он даже написал: «Эфир почти в наших руках». Он также сказал, что эфир необходим для согласования теории Лоренца с третьим законом Ньютона. Даже в 1912 году в статье под названием «Квантовая теория» Пуанкаре десять раз использовал слово «эфир» и описал свет как « световые колебания эфира».. ^{[A 19]}

И хотя он признал относительный и условный характер пространства и времени, он считал, что классическая конвенция более «удобна», и продолжал различать «истинное» время в эфире и «кажущееся» время в движущихся системах. Обращаясь к вопросу о необходимости нового соглашения о пространстве и времени, он писал в 1912 году: ^{[A 20]} «Должны ли мы изменить наши выводы? Разумеется, нет; мы приняли соглашение, потому что оно казалось удобным, и мы сказали, что ничто не может заставить нас отказаться от него. Сегодня некоторые физики хотят принять новое соглашение. Дело не в том, что они вынуждены делать это; они считают эту новую конвенцию более удобной; вот и все. И те, кто не придерживается этого мнения, могут законно сохранить старую, чтобы не нарушать свои старые привычки, я считаю, только между нами, что это это то, что они будут делать еще долгое время ".

Также Лоренц при жизни утверждал, что во всех системах отсчета предпочтение следует отдавать той, в которой эфир находится в состоянии покоя. Часы в этой рамке показывают «реальное» время, и одновременность не является относительной. Однако, если принять правильность принципа относительности, невозможно найти эту систему экспериментально ^{[A 21].}

Переход к теории относительности [ править ]

Специальная теория относительности [ править ]

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою статью о том, что сейчас называется специальной теорией относительности . ^{[A 22]} В этой статье, исследуя фундаментальные значения пространственных и временных координат, используемых в физических теориях, Эйнштейн показал, что «эффективные» координаты, заданные преобразованием Лоренца, на самом деле были инерциальными координатами относительно движущихся систем отсчета. Из этого следовали все физически наблюдаемые последствия LET, наряду с другими, без необходимости постулировать ненаблюдаемую сущность (эфир). Эйнштейн выделил два фундаментальных принципа, каждый из которых основан на опыте, из которых следует вся электродинамика Лоренца:

 1. Законы, по которым происходят физические процессы, одинаковы по отношению к любой системе инерциальных координат ( принцип относительности )
 2. В пустом пространстве свет распространяется с абсолютной скоростью c в любой системе инерциальных координат (принцип постоянства света)

Взятые вместе (вместе с несколькими другими неявными предположениями, такими как изотропия и однородность пространства), эти два постулата однозначно ведут к математике специальной теории относительности. Лоренц и Пуанкаре также приняли эти же принципы, необходимые для достижения их окончательных результатов, но не признали, что они также были достаточными , и, следовательно, что они устранили все другие предположения, лежащие в основе первоначальных выводов Лоренца (многие из которых позже оказались быть неверным ^{[C 4]} ). Поэтому специальная теория относительности очень быстро получила широкое признание среди физиков, а концепция светоносного эфира 19 века перестала считаться полезной. ^{[B 17] [B 18]}

Изложение специальной теории относительности Эйнштейном в 1905 году было вскоре дополнено, в 1907 году, Германом Минковским , который показал, что эти отношения имеют очень естественную интерпретацию ^{[C 5]} в терминах единого четырехмерного « пространства-времени », в котором абсолютные интервалы рассматриваются как дается расширением теоремы Пифагора. (Уже в 1906 г. Пуанкаре предвосхитил некоторые идеи Минковского, см. Раздел «Преобразование Лоренца»). ^{[B 19]} Полезность и естественность представлений Эйнштейна и Минковского способствовали быстрому принятию специальной теории относительности и соответствующей потере интереса к теории эфира Лоренца.

В 1909 ^{[A 23]} и 1912 ^{[A 24]} Эйнштейн объяснил: ^{[B 20]}

... невозможно построить теорию законов преобразования пространства и времени только на принципе относительности. Как известно, это связано с относительностью понятий «одновременность» и «форма движущихся тел». Чтобы восполнить этот пробел, я ввел принцип постоянства скорости света, который я заимствовал из теории стационарного светоносного эфира Х.А. Лоренца и который, как и принцип относительности, содержит физическое допущение, которое казалось оправданным только соответствующими экспериментами (эксперименты Физо, Роуленда и т. д.) ^{[A 24]}

В 1907 году Эйнштейн раскритиковал « специальный » характер гипотезы Лоренца о сжатии в своей теории электронов, потому что, по его мнению, это было искусственное предположение, заставляющее эксперимент Майкельсона – Морли соответствовать стационарному эфиру Лоренца и принципу относительности. ^{[A 25]} Эйнштейн утверждал, что «местное время» Лоренца можно просто назвать «временем», и заявил, что неподвижный эфир как теоретическая основа электродинамики неудовлетворителен. ^{[A 26]} В 1920 году он писал: ^{[A 27]}

Что касается механической природы лоренцевского эфира, то о нем можно сказать в несколько шутливом духе, что неподвижность - единственное механическое свойство, которого не лишил его Х.А. Лоренц. Можно добавить, что все изменение концепции эфира, вызванное специальной теорией относительности, состояло в том, чтобы лишить эфир его последнего механического качества, а именно его неподвижности. [...] Однако более тщательное размышление учит нас, что специальная теория относительности не заставляет нас отрицать эфир. Мы можем предположить существование эфира; только мы должны отказаться от приписывания ему определенного состояния движения, т. е. мы должны путем абстракции взять из него последнюю механическую характеристику, которую Лоренц еще оставил ему.

Минковский утверждал, что введение Лоренцем гипотезы сжатия «звучит довольно фантастично», поскольку это не продукт сопротивления эфира, а «дар свыше». Он сказал, что эта гипотеза «полностью эквивалентна новой концепции пространства и времени», хотя она становится гораздо более понятной в рамках новой геометрии пространства-времени. ^{[A 28]} Однако Лоренц не согласился с тем, что это было «ad-hoc», и в 1913 году он утверждал, что существует небольшая разница между его теорией и отрицанием предпочтительной системы отсчета, как в теории Эйнштейна и Минковского, так что она Какая теория предпочитает - дело вкуса. ^{[A 21]}

Эквивалентность массы и энергии [ править ]

Это было выведено Эйнштейном (1905) как следствие принципа относительности, что инерция энергии фактически представлена , но в отличие от статьи Пуанкаре 1900 года, Эйнштейн признал, что сама материя теряет или набирает массу во время излучения или поглощения. ^{[A 29]} Итак, масса любой формы материи равна определенному количеству энергии, которая может быть преобразована в другие формы энергии и преобразована из них. Это эквивалент массы и энергии , представленный как . Таким образом, Эйнштейну не пришлось вводить «фиктивные» массы, а также избежать проблемы вечного двигателя , потому что, согласно Дарриголу, ^{[B 21]}${\displaystyle E/c^{2}}$${\displaystyle E=mc^{2}}$Радиационный парадокс Пуанкаре можно просто решить, применив эквивалентность Эйнштейна. Если источник света теряет массу во время излучения , противоречие в законе количества движения исчезает без необходимости какого-либо компенсирующего эффекта в эфире.${\displaystyle E/c^{2}}$

Подобно Пуанкаре, Эйнштейн в 1906 году пришел к выводу, что инерция (электромагнитной) энергии является необходимым условием для выполнения теоремы о центре масс в системах, в которых электромагнитные поля и материя действуют друг на друга. Основываясь на эквивалентности массы и энергии, он показал, что испускание и поглощение ЭМ-излучения и, следовательно, перенос инерции решает все проблемы. Тогда Эйнштейн сослался на статью Пуанкаре 1900 года и написал: ^{[A 30]}

Хотя простые формальные взгляды, которые должны быть выполнены для доказательства этого утверждения, уже в основном содержатся в работе Х. Пуанкаре [Lorentz-Festschrift, p. 252, 1900], для ясности я не буду полагаться на эту работу. ^{[C 6]}

Кроме того, отказ Пуанкаре от принципа реакции из-за нарушения закона сохранения массы можно избежать с помощью Эйнштейна , поскольку сохранение массы является частным случаем закона сохранения энергии .${\displaystyle E=mc^{2}}$

Общая теория относительности [ править ]

Попытки Лоренца и Пуанкаре (и другие попытки, подобные попыткам Абрахама и Гуннара Нордстрёмов ) сформулировать теорию гравитации были заменены общей теорией относительности Эйнштейна . ^{[B 22]} Эта теория основана на принципах, таких как принцип эквивалентности , общий принцип относительности , принцип общей ковариантности , геодезическое движение, локальная ковариантность Лоренца (законы специальной теории относительности применяются локально для всех инерциальных наблюдателей) и что пространство-время искривление создается энергией напряжения в пространстве-времени.

В 1920 году Эйнштейн сравнил эфир Лоренца с «гравитационным эфиром» общей теории относительности. Он сказал, что неподвижность - единственное механическое свойство, которым эфир не был лишен Лоренцем, но, в отличие от светоносного эфира и эфира Лоренца, эфир общей теории относительности не имеет механических свойств, даже неподвижности: ^{[A 27]}

Эфир общей теории относительности - это среда, которая сама по себе лишена всех механических и кинематических качеств, но которая помогает определять механические (и электромагнитные) события. Принципиально новое в эфире общей теории относительности, в отличие от эфира Лоренца, состоит в том, что состояние первого в каждом месте определяется связями с материей и состоянием эфира в соседних странах. места, поддающиеся закону в форме дифференциальных уравнений; тогда как состояние лоренцевского эфира в отсутствие электромагнитных полей не обусловлено ничем вне его самого и везде одинаково.Эфир общей теории относительности концептуально трансмутируется в эфир Лоренца, если мы заменим константами функции пространства, которые описывают первое, игнорируя причины, обуславливающие его состояние. Таким образом, я думаю, мы также можем сказать, что эфир общей теории относительности является результатом лоренцевского эфира посредством релятивизации.

Приоритет [ править ]

Некоторые утверждают, что истинными основателями специальной теории относительности являются Пуанкаре и Лоренц, а не Эйнштейн. Подробнее читайте в статье об этом споре .

Последующие действия [ править ]

Рассматриваемая как теория элементарных частиц, теория электронов / эфира Лоренца была вытеснена в течение первых нескольких десятилетий 20-го века сначала квантовой механикой, а затем квантовой теорией поля. В качестве общей теории динамики Лоренц и Пуанкаре уже (примерно к 1905 г.) сочли необходимым применить сам принцип относительности, чтобы теория соответствовала всем доступным эмпирическим данным. К этому моменту большинство остатков субстанциального эфира было исключено из «эфирной» теории Лоренца, и она стала как эмпирически, так и дедуктивно эквивалентной специальной теории относительности. Основное различие заключалось в метафизическом постулате уникальной системы абсолютного покоя, которую нельзя было обнаружить эмпирически и которая не играла никакой роли в физических предсказаниях теории, как писал Лоренц в 1909 году ^{[C 7].}1910 (опубликовано в 1913 году), ^{[C 8]} 1913 (опубликовано в 1914 году), ^{[C 9]} или в 1912 году (опубликовано в 1922 году). ^{[C 10]}

В результате термин «теория эфира Лоренца» сегодня иногда используется для обозначения неолоренцевой интерпретации специальной теории относительности. ^{[B 23]} Приставка «нео» используется в знак признания того факта, что интерпретация теперь должна применяться к физическим сущностям и процессам (таким как стандартная модель квантовой теории поля), которые были неизвестны во времена Лоренца.

После появления специальной теории относительности лишь небольшое число людей поддержали лоренцевский подход к физике. Многие из них, такие как Герберт Э. Айвс (который вместе со Стилвеллом провел первое экспериментальное подтверждение замедления времени), были мотивированы верой в то, что специальная теория относительности логически несовместима, и поэтому требуется некоторая другая концептуальная основа для согласования релятивистские явления. Например, Айвз писал: « Принцип постоянства скорости света не просто« непонятен », он не поддерживается« объективными фактами »; он несостоятельный ... ». ^{[C 11]} Однако логическая последовательность специальной теории относительности (а также ее эмпирический успех) хорошо известны, поэтому взгляды таких людей считаются необоснованными в рамках основного научного сообщества.

Джон Стюарт Белл выступал за преподавание специальной теории относительности сначала с точки зрения единой инерциальной системы отсчета Лоренца, а затем показал, что пуанкаре-инвариантность законов физики, таких как уравнения Максвелла, эквивалентна аргументам о смене системы отсчета, часто используемым при обучении специальной теории относительности. Поскольку одиночная инерциальная система отсчета Лоренца является одним из предпочтительных классов систем отсчета, он назвал этот подход лоренцевым по духу. ^{[B 24]}

Также некоторые тестовые теории специальной теории относительности используют своего рода лоренцеву структуру. Например, теория теста Робертсона-Мансури-Секса вводит предпочтительный эфирный каркас и включает параметры, указывающие различные комбинации изменений длины и времени. Если замедление времени и сокращение тел, движущихся в эфире, имеют свои точные релятивистские значения, можно получить полное преобразование Лоренца и эфир скрыт от любого наблюдения, что делает его кинематически неотличимым от предсказаний специальной теории относительности. Используя эту модель, эксперимент Майкельсона-Морли , Кеннеди-Торндайка эксперимент и Ives-Stilwell эксперимент наложить резкие ограничения на нарушения лоренц-инвариантности.

Ссылки [ править ]

Для более полного списка источников многих других авторов см. Историю специальной теории относительности # Ссылки .

Работы Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Минковского (группа А) [ править ]

Вторичные источники (группа B) [ править ]

Другие примечания и комментарии (группа C) [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: теорией эфира Лоренца.

• Mathpages: Соответствующие состояния , Конец моей латыни , Кто изобрел относительность? , Пуанкаре размышляет о Копернике , Уиттекере и эфире , другом выводе эквивалентности массы и энергии