Lorentzova éterová teorie - Lorentz ether theory

To, čemu se dnes často říká Lorentzova éterová teorie ( LET ), má své kořeny v „teorii elektronů“ Hendrika Lorentze , která byla konečným bodem ve vývoji klasických éterových teorií na konci 19. a na počátku 20. století.

Lorentzova počáteční teorie byla vytvořena v letech 1892 až 1895 a byla založena na zcela nehybném éteru. Vysvětlilo to selhání experimentů s driftem negativního éteru prvního řádu ve v / c zavedením pomocné proměnné zvané „místní čas“ pro spojování systémů v klidu a v pohybu v éteru. Kromě toho je negativní výsledek Michelson-Morley experiment vedl k zavedení hypotézy kontrakce délek v 1892. Nicméně další experimenty rovněž produkovány výsledky negativní a (veden Henri Poincaré je princip relativity ) Lorentzova pokusil v roce 1899 a 1904 rozšířit svou teorii na všechny řády v / c zavedením Lorentzovy transformace . Kromě toho předpokládal, že také neelektromagnetické síly (pokud existují) se transformují jako elektrické síly. Lorentzův výraz pro hustotu náboje a proud však nebyl správný, takže jeho teorie plně nevyloučila možnost detekce éteru. Nakonec to byl Henri Poincaré, kdo v roce 1905 opravil chyby v Lorentzově článku a ve skutečnosti začlenil neelektromagnetické síly (včetně gravitace ) do teorie, kterou nazýval „Nová mechanika“. Mnoho aspektů Lorentzovy teorie bylo začleněno do speciální relativity (SR) s díly Alberta Einsteina a Hermanna Minkowského .

Dnes je LET často považován za jakýsi „Lorentzian“ nebo „neo-Lorentzian“ výklad speciální relativity. Zavedení kontrakce délky a časové dilatace pro všechny jevy v „preferovaném“ vztahovém rámci , který hraje roli Lorentzova nehybného éteru, vede k úplné Lorentzově transformaci (viz teorie testů Robertson – Mansouri – Sexl jako příklad). Protože se v obou vyskytuje stejný matematický formalismus, není možné experimentálně rozlišovat mezi LET a SR. V LET se však předpokládá existence nezjistitelného éteru a platnost principu relativity se zdá být pouze náhodná, což je jeden z důvodů, proč je SR běžně preferována před LET.

Historický vývoj

Základní koncept

Tato teorie, kterou vypracovali zejména v letech 1892 až 1906 Lorentz a Poincaré, byla založena na éterové teorii Augustina-Jeana Fresnela , Maxwellových rovnicích a elektronové teorii Rudolfa Clausia . Lorentz zavedl přísné oddělení mezi hmotou (elektrony) a éterem, přičemž v jeho modelu je éter zcela nehybný a nebude se uvádět do pohybu v sousedství uvažovatelné hmoty. Jak později řekl Max Born , bylo pro tehdejší vědce přirozené (i když to nebylo logicky nutné) identifikovat zbytek rámce Lorentzova éteru s absolutním prostorem Isaaca Newtona . Stav tohoto éteru lze popsat elektrickým polem E a magnetickým polem H, kde tato pole představují „stavy“ éteru (bez další specifikace), související s náboji elektronů. Abstraktní elektromagnetický éter tedy nahrazuje starší modely mechanického éteru. Na rozdíl od Clausia, který připustil, že elektrony působí na dálku , se elektromagnetické pole éteru jeví jako prostředník mezi elektrony a změny v tomto poli se mohou šířit ne rychleji než rychlostí světla . Lorentz teoreticky vysvětlil Zeemanův efekt na základě své teorie, za kterou obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1902. Podobnou teorii našel Joseph Larmor současně, ale jeho koncept byl založen na mechanickém éteru. Základním konceptem Lorentzovy teorie v roce 1895 byla „věta odpovídajících stavů“ pro podmínky řádu  v / c . Tato věta uvádí, že pohybující se pozorovatel vzhledem k éteru může používat stejné elektrodynamické rovnice jako pozorovatel ve stacionárním éterovém systému, takže provádějí stejná pozorování.

Kontrakce délky

Velkou výzvou pro tuto teorii byl experiment Michelson – Morley v roce 1887. Podle teorií Fresnela a Lorentze musel být tímto experimentem určen relativní pohyb k nepohyblivému éteru; výsledek však byl negativní. Sám Michelson se domníval, že výsledek potvrdil hypotézu o vlečení éteru, ve které je éter plně tažen hmotou. Jiné experimenty, jako Fizeauův experiment a účinek aberace, však tento model vyvrátily.

Možné řešení se naskytlo na dohled, když v roce 1889 Oliver Heaviside z Maxwellových rovnic odvodil , že pole magnetického vektorového potenciálu kolem pohybujícího se tělesa se mění o faktor . Na základě tohoto výsledku a za účelem uvedení hypotézy nepohyblivého éteru do souladu s experimentem Michelson – Morley George FitzGerald v roce 1889 (kvalitativně) a nezávisle na něm Lorentz v roce 1892 (již kvantitativně) navrhli, aby nejen elektrostatický pole, ale také molekulární síly, jsou ovlivněny takovým způsobem, že rozměr tělesa v pohybové linii je o hodnotu menší než rozměr kolmo k pohybové linii. Pozorovatel, který se pohybuje se Zemí, by si však této kontrakce nevšiml, protože všechny ostatní nástroje se stahují ve stejném poměru. V roce 1895 navrhl Lorentz tři možná vysvětlení této relativní kontrakce: ${\ textstyle {\ sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$${\ Displaystyle v^{2}/(2c^{2})}$

• Tělo se smršťuje v pohybové linii a zachovává si na ni kolmo svůj rozměr.
• Rozměr těla zůstává v pohybové linii stejný, ale kolmo se k němu rozšiřuje .
• Tělo se smršťuje v pohybové linii a současně se na ni kolmo rozpíná.

Ačkoli Lorentz použil možné spojení mezi elektrostatickými a mezimolekulárními silami jako argument věrohodnosti, hypotéza kontrakce byla brzy považována za čistě ad hoc . Je také důležité, aby tato kontrakce ovlivnila pouze prostor mezi elektrony, ale nikoli samotné elektrony; proto se pro tento efekt někdy používal název „mezimolekulární hypotéza“. Takzvaná Kontrakce délky bez expanze kolmo na pohybovou linii a přesná hodnota (kde l ₀ je délka v klidu v éteru) byla dána Larmorem v roce 1897 a Lorentzem v roce 1904. Ve stejném roce Lorentz také tvrdil, že touto kontrakcí jsou ovlivněny i samotné elektrony. Další vývoj tohoto konceptu najdete v části #Lorentzova transformace . ${\ textstyle l = l_ {0} \ cdot {\ sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Místní čas

Důležitou součástí věty odpovídajících stavů v letech 1892 a 1895 byl místní čas , kde t je časová souřadnice pro pozorovatele spočívajícího v éteru a t 'je časová souřadnice pro pozorovatele pohybujícího se v éteru. ( Woldemar Voigt dříve použil stejný výraz pro místní čas v roce 1887 v souvislosti s Dopplerovým efektem a nestlačitelným médiem.) Pomocí tohoto konceptu mohl Lorentz vysvětlit aberaci světla , Dopplerův efekt a Fizeau experiment (tj. Měření z součinitel odporu vzduchu Fresnelovy ) o Hippolyte Fizeau v pohybu a také odpočívá kapalin. Zatímco u Lorentze byl zkrácení délky skutečným fyzickým efektem, transformaci času považoval pouze za heuristickou pracovní hypotézu a matematické ustanovení pro zjednodušení výpočtu z klidového na „fiktivní“ pohybující se systém. Na rozdíl od Lorentze viděl Poincaré v definici místního času více než matematický trik, který nazval Lorentzovým „nejgeniálnějším nápadem“. V The Measure of Time napsal v roce 1898: ${\ Displaystyle t '= t-vx/c^{2}}$

Nemáme přímou intuici pro simultánnost, stejně málo jako pro rovnost dvou teček. Pokud věříme, že máme tuto intuici, je to iluze. Pomohli jsme si určitými pravidly, která obvykle používáme, aniž bychom o tom museli účtovat [...] Vybíráme tato pravidla proto ne proto, že jsou pravdivá, ale proto, že jsou nejpohodlnější, a mohli bychom je shrnout a říci: „Souběžnost dvou událostí nebo pořadí jejich posloupnosti, rovnost dvou dob trvání, musí být definována tak, aby vyjádření přírodních zákonů mohlo být co nejjednodušší. Jinými slovy, všechna tato pravidla, všechny tyto definice jsou pouze plodem nevědomého oportunismu. “

V roce 1900 interpretoval Poincaré místní čas jako výsledek synchronizační procedury založené na světelných signálech. Předpokládal, že dva pozorovatelé, A a B , kteří se pohybují v éteru, synchronizují své hodiny pomocí optických signálů. Protože se chovají jako v klidu, musí brát v úvahu pouze dobu přenosu signálů a poté překračovat svá pozorování, aby zjistili, zda jsou jejich hodiny synchronní. Z hlediska pozorovatele v klidu v éteru však hodiny nejsou synchronní a ukazují místní čas . Ale protože pohybující se pozorovatelé nevědí nic o jejich pohybu, nerozpoznávají to. V roce 1904 ilustroval stejný postup následujícím způsobem: A vysílá signál v čase 0 na B , který dorazí v čase t . B také vysílá signál v čase 0 do A , který dorazí v čase t . Pokud má v obou případech t stejnou hodnotu, jsou hodiny synchronní, ale pouze v systému, ve kterém jsou hodiny v éteru v klidu. Poincaré tedy podle Darrigola chápal místní čas jako fyzický efekt stejně jako zkracování délky - na rozdíl od Lorentze, který použil stejnou interpretaci až před rokem 1906. Na rozdíl od Einsteina, který později použil podobný synchronizační postup, kterému se říkalo Einstein synchronizace , Darrigol říká, že Poincaré měl názor, že hodiny spočívající v éteru ukazují skutečný čas. ${\ Displaystyle t '= t-vx/c^{2}}$

Na začátku však nebylo známo, že místní čas zahrnuje to, co je nyní známé jako dilatace času . Tento efekt si poprvé všiml Larmor (1897), který napsal, že „ jednotlivé elektrony popisují odpovídající části svých drah v časech kratších pro [etherový] systém v poměru nebo${\ Displaystyle \ varepsilon ^{-1/2}}$${\ Displaystyle \ left (1- (1/2) v^{2}/c^{2} \ right)}$ “. A v roce 1899 také Lorentz poznamenal pro frekvenci oscilujících elektronů „ že v S je čas vibrací tak velký jako v S ₀${\ Displaystyle k \ varepsilon}$ “, kde S ₀ je éterický rámec, S matematicko-fiktivní rámec pohybujícího se pozorovatele, k je a je neurčeným faktorem. ${\ textstyle {\ sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$${\ displaystyle \ varepsilon}$

Lorentzova transformace

Přestože místní čas mohl vysvětlit negativní experimenty s driftem éteru prvního řádu na v / c , bylo nutné-kvůli dalším neúspěšným experimentům s driftem éteru, jako je experiment Trouton – Noble- upravit hypotézu tak, aby zahrnovala efekty druhého řádu. Matematickým nástrojem je takzvaná Lorentzova transformace . Voigt v roce 1887 již odvodil podobný soubor rovnic (i když s jiným faktorem měřítka). Poté Larmor v roce 1897 a Lorentz v roce 1899 odvodili rovnice ve formě algebraicky ekvivalentní těm, které se používají dodnes, ačkoli Lorentz použil při své transformaci neurčený faktor l . Ve svém příspěvku Elektromagnetické jevy v systému pohybujícím se jakoukoli rychlostí menší než je rychlost světla (1904) se Lorentz pokusil vytvořit takovou teorii, podle níž jsou všechny síly mezi molekulami ovlivněny Lorentzovou transformací (ve které Lorentz nastavil faktor l k jednotě) stejným způsobem jako elektrostatické síly. Jinými slovy, Lorentz se pokusil vytvořit teorii, ve které je relativní pohyb Země a éteru (téměř nebo zcela) nezjistitelný. Proto zobecnil hypotézu kontrakce a tvrdil, že nejen síly mezi elektrony, ale i samotné elektrony jsou v linii pohybu smrštěny. Nicméně, Max Abraham (1904) rychle uvést defekt této teorie: v čistě elektromagnetické teorie sjednanou elektron-konfigurace je nestabilní a je třeba zavést non-elektromagnetickou sílu ke stabilizaci elektrony - Abraham sám zpochybnily možnost zahrnout takové síly v rámci Lorentzovy teorie.

Poincaré tedy 5. června 1905 zavedl takzvané „Poincaré stresy“ k vyřešení tohoto problému. Tato napětí interpretoval jako vnější, neelektromagnetický tlak, který stabilizoval elektrony a také sloužil jako vysvětlení kontrakce délky. Ačkoli tvrdil, že Lorentzovi se podařilo vytvořit teorii, která odpovídá postulátu relativity, ukázal, že Lorentzovy elektrodynamické rovnice nejsou plně Lorentzovou kovariancí . Poincaré tím, že poukázal na skupinové charakteristiky transformace, demonstroval Lorentzovu kovarianci Maxwell -Lorentzových rovnic a opravil Lorentzovy transformační vzorce na hustotu náboje a proudovou hustotu . Pokračoval ve skici modelu gravitace (včetně gravitačních vln ), který by mohl být kompatibilní s transformacemi. Byl to Poincaré, kdo poprvé použil termín „Lorentzova transformace“ a dal jim formu, která se používá dodnes. (Kde je libovolná funkce , která musí být nastavena na jednotu, aby se zachovaly charakteristiky skupiny. Také nastavil rychlost světla na jednotu.) ${\ displaystyle \ ell}$${\ displaystyle \ varepsilon}$

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

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

Podstatně rozšířené dílo (takzvaný „papír z Palerma“) předložil Poincaré 23. července 1905, ale vyšlo v lednu 1906, protože časopis vycházel jen dvakrát ročně. Mluvil doslova o „postulátu relativity“, ukázal, že transformace jsou důsledkem principu nejmenší akce ; podrobněji demonstroval skupinové charakteristiky transformace, kterou nazval Lorentzova skupina , a ukázal, že kombinace je neměnná. Při zpracování své gravitační teorie si všiml, že Lorentzova transformace je pouze rotací ve čtyřrozměrném prostoru o původu zavedením jako čtvrté, imaginární, souřadnice a použil ranou formu čtyř vektorů . Poincaré však později uvedl, že překlad fyziky do jazyka čtyřrozměrné geometrie by znamenal příliš mnoho úsilí o omezený zisk, a proto odmítl vypracovat důsledky tohoto pojmu. To však později provedl Minkowski; viz „Posun k relativitě“. ${\ Displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2} -c^{2} t^{2}}$${\ textstyle ct {\ sqrt {-1}}}$

Elektromagnetická hmotnost

JJ Thomson (1881) a další si všimli, že elektromagnetická energie přispívá k hmotnosti nabitých těles množstvím , které se nazývalo elektromagnetická nebo „zdánlivá hmotnost“. Další odvození jakési elektromagnetické hmoty provedl Poincaré (1900). Použitím hybnosti elektromagnetických polí dospěl k závěru, že tato pole přispívají hmotou všech těles, což je nezbytné pro záchranu věty o hmotnosti . ${\ Displaystyle m = (4/3) E/c^{2}}$${\ displaystyle E_ {em}/c^{2}}$

Jak poznamenal Thomson a další, tato hmotnost se zvyšuje také s rychlostí. V roce 1899 tedy Lorentz vypočítal, že poměr hmotnosti elektronu v pohyblivém rámci a etherového rámce je rovnoběžný se směrem pohybu a kolmý na směr pohybu, kde a je neurčeným faktorem. A v roce 1904 stanovil a dospěl k výrazům pro masy v různých směrech (podélných a příčných): ${\ Displaystyle k^{3} \ varepsilon}$${\ Displaystyle k \ varepsilon}$${\ textstyle k = {\ sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$${\ displaystyle \ varepsilon}$${\ displaystyle \ varepsilon = 1}$

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

kde

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

Mnoho vědců nyní věří, že celá hmota a všechny formy sil jsou elektromagnetické povahy. Této myšlenky se však bylo třeba v průběhu vývoje relativistické mechaniky vzdát. Abraham (1904) tvrdil (jak je popsáno v předchozí části #Lorentzova transformace ), že v Lorentzově modelu elektronů jsou nutné neelektrické vazebné síly. Abraham však také poznamenal, že došlo k různým výsledkům v závislosti na tom, zda se em-hmotnost vypočítává z energie nebo z hybnosti. K vyřešení těchto problémů zavedl Poincaré v letech 1905 a 1906 nějaký druh tlaku neelektrické povahy, který přispívá částkou k energii těl, a proto vysvětluje 4/3 faktor ve výrazu pro elektromagnetickou hmotnostní energii vztah. Přestože byl Poincaréův výraz pro energii elektronů správný, mylně uvedl, že k hmotě těl přispívá pouze em-energie. ${\ Displaystyle -(1/3) E/c^{2}}$

Pojem elektromagnetické hmotnosti se již nepovažuje za příčinu hmotnosti jako takové , protože celá hmotnost (nejen elektromagnetická část) je úměrná energii a lze ji převést na různé formy energie, což se vysvětluje Einsteinovou hmotou - energetická ekvivalence .

Gravitace

Lorentzovy teorie

V roce 1900 se Lorentz pokusil vysvětlit gravitaci na základě Maxwellových rovnic. Nejprve zvážil model typu Le Sage a tvrdil, že možná existuje univerzální radiační pole, skládající se z velmi pronikavého em záření, a vyvíjejícího rovnoměrný tlak na každé tělo. Lorentz ukázal, že přitažlivá síla mezi nabitými částicemi by skutečně vznikla, pokud se předpokládá, že dopadající energie je zcela absorbována. To byl stejný základní problém, který postihl ostatní modely Le Sage, protože záření musí nějak zmizet a jakákoli absorpce musí vést k obrovskému ohřevu. Lorentz proto tento model opustil.

Ve stejném dokumentu předpokládal, jako Ottaviano Fabrizio Mossotti a Johann Karl Friedrich Zöllner , že přitažlivost opačně nabitých částic je silnější než odpuzování stejně nabitých částic. Výsledná čistá síla je přesně to, co je známé jako univerzální gravitace, ve které je gravitační rychlost světla. To vede ke konfliktu s gravitačním zákonem Isaaca Newtona, ve kterém Pierre Simon Laplace ukázal, že konečná rychlost gravitace vede k určitému druhu aberace, a proto činí oběžné dráhy nestabilní. Lorentz však ukázal, že Laplaceovou kritikou se teorie netýká, protože díky struktuře Maxwellových rovnic vznikají pouze efekty v pořadí v ² / c ² . Lorentz ale vypočítal, že hodnota zálohy Merkuru na perihelion byla příliš nízká. Napsal:

Zvláštní forma těchto podmínek může být případně upravena. Přesto to, co bylo řečeno, stačí k tomu, aby se ukázalo, že gravitaci lze přičíst akcím, které se šíří ne větší rychlostí, než je rychlost světla.

V roce 1908 Poincaré zkoumal gravitační teorii Lorentze a klasifikoval ji jako kompatibilní s principem relativity, ale (stejně jako Lorentz) kritizoval nepřesné údaje o postupu perihélia Merkuru. Na rozdíl od Poincaré, Lorentz v roce 1914 považoval svou vlastní teorii za neslučitelnou s principem relativity a odmítl ji.

Lorentzův invariantní gravitační zákon

Poincaré tvrdil v roce 1904, že rychlost šíření gravitace, která je větší než c, je v rozporu s konceptem místního času a principem relativity. Napsal:

Co by se stalo, kdybychom mohli komunikovat jinými signály než signály světla, jejichž rychlost šíření se lišila od rychlosti světla? Pokud bychom poté, co jsme naše hodinky regulovali optimální metodou, chtěli ověřit výsledek pomocí těchto nových signálů, měli bychom pozorovat nesrovnalosti způsobené společným translačním pohybem obou stanic. A jsou takové signály nepředstavitelné, vezmeme -li pohled na Laplace, že univerzální gravitace je přenášena milionkrát větší rychlostí než světlo?

Poincaré však v letech 1905 a 1906 poukázal na možnost gravitační teorie, ve které se změny šíří rychlostí světla a která je Lorentzovou kovariantou. Poukázal na to, že v takové teorii gravitační síla nezávisí pouze na hmotách a jejich vzájemné vzdálenosti, ale také na jejich rychlostech a jejich poloze v důsledku konečného času šíření interakce. Při té příležitosti představil Poincaré čtyři vektory. Po Poincarém se také Minkowski (1908) a Arnold Sommerfeld (1910) pokusili zavést Lorentzův invariantní gravitační zákon. Tyto pokusy však byly nahrazeny kvůli Einsteinově teorii obecné relativity , viz „ Posun k relativitě “.

Neexistence generalizace Lorentzova éteru na gravitaci byla hlavním důvodem pro preferenci interpretace časoprostoru. Životaschopné zobecnění na gravitaci navrhl Schmelzer teprve v roce 2012. Preferovaný rámec je definován podmínkou harmonických souřadnic . Gravitační pole je definováno tenzorem hustoty, rychlosti a napětí Lorentzova etheru, takže z harmonických podmínek se stane kontinuita a Eulerovy rovnice . Je odvozen Einsteinův princip ekvivalence . Zásada silné ekvivalence je porušena, ale je obnovena v limitu, který dává Einsteinovy ​​rovnice obecné relativity v harmonických souřadnicích.

Zásady a konvence

Stálost světla

Již ve svém filozofickém psaní o měření času (1898) Poincaré napsal, že astronomové jako Ole Rømer při určování rychlosti světla jednoduše předpokládají, že světlo má konstantní rychlost a že tato rychlost je stejná ve všech směrech. Bez tohoto postulátu by nebylo možné odvodit rychlost světla z astronomických pozorování, jak to udělal Rømer na základě pozorování měsíců na Jupiteru. Poincaré dále poznamenal, že Rømer také musel předpokládat, že Jupiterovy měsíce dodržují Newtonovy zákony, včetně gravitačního zákona, zatímco by bylo možné sladit jinou rychlost světla se stejnými pozorováními, pokud bychom předpokládali nějaké jiné (pravděpodobně komplikovanější) pohybové zákony. Podle Poincarého to ukazuje, že pro rychlost světla přijímáme hodnotu, která činí mechanické zákony co nejjednodušší. (Toto je příklad Poincarého konvenční filozofie.) Poincaré také poznamenal, že rychlost šíření světla lze (a v praxi často je) použita k definování simultánnosti mezi prostorově oddělenými událostmi. V tomto článku však nepokračoval v diskusi o důsledcích aplikace těchto „konvencí“ na několik relativně pohyblivých referenčních systémů. Tento další krok provedl Poincaré v roce 1900, když uznal, že synchronizace světelných signálů v referenčním rámci Země vede k Lorentzovu místnímu času. (Viz část „Místní čas“ výše). A v roce 1904 Poincaré napsal:

Pokud by měly být všechny tyto výsledky potvrzeny, vydaly by zcela novou mechaniku, která by byla charakterizována především touto skutečností, že nemůže existovat žádná vyšší rychlost než rychlost světla, nic víc než teplota nižší než je absolutní nula . Pro pozorovatele, který se účastní pohybu překladu, o kterém nemá žádné podezření, by žádná zjevná rychlost nemohla překonat rychlost světla, a to by byl rozpor, pokud si nevzpomeneme na skutečnost, že tento pozorovatel nepoužívá stejný druh hodinek jako to, které používá stacionární pozorovatel, ale spíše hodinky udávající „místní čas. [..] Možná také budeme muset sestrojit zcela novou mechaniku, na kterou se nám podaří zachytit pouze záblesk, kde setrvačnost narůstající s rychlost, rychlost světla by se stala nepřekročitelným limitem. Obyčejná mechanika, jednodušší, by zůstala první aproximací, protože by platila pro rychlosti ne příliš velké, takže stará dynamika by se stále nacházela pod novou. Neměli bychom litovat, že jsme věřili v principy, a dokonce, protože rychlosti příliš velké pro staré vzorce by byly vždy jen výjimečné, nejjistějším způsobem v praxi by bylo stále jednat tak, jako kdybychom v ně nadále věřili. Jsou tak užiteční, že by bylo nutné jim ponechat místo. Rozhodnout se je úplně vyloučit by znamenalo připravit se o drahocennou zbraň. Spěšně říkám na závěr, že tam ještě nejsme, a zatím nic nedokazuje, že zásady nevyjdou z vítězných a neporušených zápasů. “

Princip relativity

V roce 1895 Poincaré tvrdil, že podobné experimenty jako Michelson – Morley ukazují, že se zdá nemožné detekovat absolutní pohyb hmoty nebo relativní pohyb hmoty ve vztahu k éteru. A přestože většina fyziků měla jiné názory, Poincaré v roce 1900 si stál za svým názorem a střídavě používal výrazy „princip relativního pohybu“ a „relativita prostoru“. Kritizoval Lorentze tím, že řekl, že by bylo lepší vytvořit fundamentálnější teorii, která vysvětluje absenci jakéhokoli aetherového driftu, než vytvářet jednu hypotézu za druhou. V roce 1902 poprvé použil výraz „princip relativity“. V roce 1904 ocenil práci matematiků, kteří pomocí hypotéz, jako je místní čas, zachránili to, co nyní nazýval „ princip relativity “, ale přiznal, že tento podnik byl možný pouze nahromaděním hypotéz. A definoval princip tímto způsobem (podle Millera na základě Lorentzovy věty odpovídajících stavů): „Princip relativity, podle něhož zákony fyzikálních jevů musí být pro stacionárního pozorovatele stejné, jako pro ten, který se nese v rovnoměrný pohyb překladu, takže nemáme žádné prostředky a nemůžeme mít žádný způsob, jak určit, zda jsme v takovém pohybu neseni. "

S odkazem na kritiku Poincarého z roku 1900 napsal Lorentz ve svém slavném článku z roku 1904, kde rozšířil svoji větu o odpovídajících stavech: „Průběh vymyšlení speciálních hypotéz pro každý nový experimentální výsledek je jistě poněkud umělý. Bylo by to uspokojivější „pokud by bylo možné určitými základními předpoklady a bez zanedbání podmínek jednoho nebo druhého řádu ukázat, že mnoho elektromagnetických akcí je zcela nezávislých na pohybu systému.“

Jedním z prvních hodnocení Lorentzova článku byl Paul Langevin v květnu 1905. Toto rozšíření elektronových teorií Lorentze a Larmora podle něj vedlo k „fyzické nemožnosti demonstrovat translační pohyb Země“. Poincaré si však v roce 1905 všiml, že Lorentzova teorie z roku 1904 nebyla v několika rovnicích, jako je Lorentzův výraz pro proudovou hustotu, dokonale „Lorentzův invariant“ (Lorentz v roce 1921 připustil, že jde o defekty). Jelikož to vyžadovalo jen drobné úpravy Lorentzova díla, také Poincaré tvrdil, že se Lorentzovi podařilo sladit jeho teorii s principem relativity: „Zdá se, že tato nemožnost demonstrovat absolutní pohyb Země je obecným přírodním zákonem. [. ..] Lorentz se pokusil dokončit a upravit svoji hypotézu, aby ji sladil s postulátem úplné nemožnosti určování absolutního pohybu.To se mu podařilo ve svém článku nazvaném Elektromagnetické jevy v systému pohybujícím se jakoukoli rychlostí menší než to světla [Lorentz, 1904b]. “

Ve svém dokumentu z Palerma (1906) to Poincaré nazýval „postulát relativity“, a přestože uvedl, že je možné, že tento princip může být v určitém okamžiku vyvrácen (a ve skutečnosti na konci článku zmínil, že objev magneto- katodové paprsky podle Paul Ulrich Villard (1904) zdá se, že to hrozí), on věřil, že to bylo zajímavé zvážit důsledky, kdybychom předpokládat postulát relativity bylo platné bez omezení. to by znamenalo, že všechny přírodní síly (nejen elektromagnetismus ) musí být při Lorentzově transformaci invariantní. V roce 1921 Lorentz připsal Poincarému za stanovení principu a postulátu relativity a napsal: „ Nezavedl jsem princip relativity jako důsledně a univerzálně pravdivý. Na druhou stranu Poincaré získal dokonalou invarianci elektromagnetických rovnic a zformuloval „postulát relativity“, což jsou termíny, které použil jako první. “

Aether

Poincaré napsal ve smyslu své konvencionalistické filozofie v roce 1889: „Ať už éter existuje, nebo ne, na tom nezáleží - to nechme na metafyzicích; podstatné pro nás je, že vše se děje, jako by existovalo, a že tato hypotéza je bylo shledáno vhodnými pro vysvětlení jevů. Koneckonců, máme ještě nějaký důvod věřit v existenci hmotných objektů? To je také jen pohodlná hypotéza; pouze to nikdy tak nepřestane, zatímco jednoho dne „Není pochyb, že éter bude vyhozen jako zbytečný.“

Existenci absolutního prostoru a času popřel také tím, že v roce 1901 řekl: „1. Neexistuje žádný absolutní prostor a my si představujeme pouze relativní pohyb; a přesto jsou ve většině případů mechanická fakta vyslovována, jako by existoval absolutní prostor, do kterého 2. Neexistuje žádný absolutní čas. Když řekneme, že dvě období jsou si rovna, prohlášení nemá žádný význam a význam může získat pouze konvencí. 3. Nejenže nemáme přímou intuici rovnosti ze dvou období, ale nemáme ani přímou intuici o simultánnosti dvou událostí vyskytujících se na dvou různých místech. Vysvětlil jsem to v článku s názvem „Mesure du Temps“ [1898]. 4. Konečně není naše euklidovská geometrie v je to jen druh jazykové konvence? "

Sám Poincaré však hypotézu éteru nikdy neopustil a v roce 1900 uvedl: „Existuje náš éter ve skutečnosti? Známe původ naší víry v éter. Pokud světu trvá několik let, než se k nám dostane ze vzdálené hvězdy, už není hvězda, ani není na Zemi. Musí být někde a podporována, tak říkajíc, nějakou materiální agenturou. “ A s odkazem na Fizeauův experiment dokonce napsal: „Éter je všechno, jen ne v našich rukou.“ Rovněž řekl, že éter je nezbytný k harmonizaci Lorentzovy teorie s Newtonovým třetím zákonem. Dokonce i v roce 1912 v dokumentu nazvaném „Kvantová teorie“ Poincaré desetkrát použil slovo „éter“ a světlo popsal jako „světelné vibrace éteru“ .

A přestože připustil relativní a konvenční charakter prostoru a času, věřil, že klasická konvence je „pohodlnější“, a nadále rozlišoval mezi „pravým“ časem v éteru a „zdánlivým“ časem v pohybujících se systémech. Na otázku, zda je zapotřebí nová konvence prostoru a času, napsal v roce 1912: „Budeme povinni změnit své závěry? Určitě ne; přijali jsme úmluvu, protože se to zdálo výhodné a řekli jsme, že nás nic nemůže omezovat opustit to. Někteří fyzici dnes chtějí přijmout novou konvenci. Není to tak, že by k tomu byli nuceni; považují tuto novou konvenci za pohodlnější; to je vše. A ti, kteří nejsou tohoto názoru, si mohou legitimně ponechat tu starou abych nenarušil jejich staré zvyky, věřím, že jen mezi námi, že to budou dělat ještě dlouho. "

Lorentz také během svého života tvrdil, že ve všech referenčních rámcích musí být upřednostněn tento, ve kterém je éter v klidu. Hodiny v tomto rámci ukazují „skutečný“ čas a simultánnost není relativní. Pokud je však přijata správnost principu relativity, není možné tento systém najít experimentem.

Posun k relativitě

Speciální relativita

V roce 1905 vydal Albert Einstein svůj článek o tom, čemu se dnes říká speciální relativita . V tomto článku Einstein zkoumáním základních významů prostorových a časových souřadnic používaných ve fyzikálních teoriích ukázal, že „efektivní“ souřadnice dané Lorentzovou transformací byly ve skutečnosti setrvačné souřadnice relativně pohyblivých referenčních rámců. Z toho vyplývaly všechny fyzicky pozorovatelné důsledky LET spolu s dalšími, vše bez nutnosti postulovat nepozorovatelnou entitu (éter). Einstein identifikoval dva základní principy, každý založený na zkušenostech, ze kterých vyplývá celá Lorentzova elektrodynamika:

 1. Zákony, podle nichž dochází k fyzikálním procesům, jsou stejné pro jakýkoli systém setrvačných souřadnic ( princip relativity )
 2. V prázdném prostoru se světlo šíří absolutní rychlostí c v jakémkoli systému setrvačných souřadnic (princip stálosti světla)

Dohromady (spolu s několika dalšími tichými předpoklady, jako je izotropie a homogenita prostoru), tyto dva postuláty vedou jednoznačně k matematice speciální relativity. Lorentz a Poincaré také přijali stejné principy, jak bylo nutné k dosažení jejich konečných výsledků, ale neuznávali, že jsou také dostačující , a proto se vyhnuli všem dalším předpokladům, z nichž vycházely Lorentzovy počáteční derivace (z nichž mnohé se později ukázaly jako být nesprávný). Proto speciální relativita velmi rychle získala široké uznání mezi fyziky a koncept 19. zářícího éteru se světelným proudem již nebyl považován za užitečný.

Einsteinovu prezentaci speciální relativity z roku 1905 brzy doplnil v roce 1907 Hermann Minkowski , který ukázal, že vztahy mají velmi přirozenou interpretaci, pokud jde o jednotný čtyřrozměrný „ časoprostor “, v němž jsou absolutní intervaly považovány za dané prodloužením. Pythagorovy věty. (Již v roce 1906 Poincaré očekával některé Minkowského myšlenky, viz část „Lorentzova transformace“). Užitečnost a přirozenost reprezentací Einsteina a Minkowského přispěla k rychlému přijetí speciální relativity a k odpovídající ztrátě zájmu o Lorentzovu teorii éteru.

V letech 1909 a 1912 Einstein vysvětlil:

... není možné založit teorii transformačních zákonů prostoru a času pouze na principu relativity. Jak víme, je to spojeno s relativitou pojmů „simultánnost“ a „tvar pohybujících se těles“. Abych tuto mezeru vyplnil, zavedl jsem princip stálosti rychlosti světla, který jsem si vypůjčil z teorie HA Lorentze o stacionárním světelném éteru a který, stejně jako princip relativity, obsahuje fyzikální předpoklad, který se zdál být oprávněný pouze příslušnými experimenty (experimenty Fizeaua, Rowlanda atd.)

V roce 1907 Einstein kritizoval „ ad hoc “ charakter hypotézy Lorentzovy kontrakce ve své teorii elektronů, protože podle něj to byl umělý předpoklad, aby byl experiment Michelson – Morley přizpůsoben Lorentzovu stacionárnímu éteru a principu relativity. Einstein tvrdil, že Lorentzův „místní čas“ lze jednoduše nazvat „čas“, a uvedl, že nepohyblivý ether jako teoretický základ elektrodynamiky je neuspokojivý. V roce 1920 napsal:

Pokud jde o mechanickou povahu Lorentzianského éteru, lze o něm v poněkud hravém duchu říci, že nehybnost je jedinou mechanickou vlastností, o kterou ji HA Lorentz nepřipravil. Lze dodat, že celá změna v pojetí éteru, kterou speciální teorie relativity přinesla, spočívala v odebrání éteru jeho poslední mechanické kvality, totiž jeho nehybnosti. [...] Pečlivější reflexe nás však učí, že speciální teorie relativity nás nenutí popírat éter. Můžeme předpokládat existenci éteru; pouze se musíme vzdát připisování určitého stavu pohybu, tj. musíme z něj abstrakcí vzít poslední mechanickou charakteristiku, kterou mu Lorentz ještě zanechal.

Minkowski tvrdil, že Lorentzovo zavedení hypotézy o kontrakci „zní docela fantasticky“, protože to není produkt odporu v éteru, ale „dar shora“. Řekl, že tato hypotéza je „zcela ekvivalentní novému pojetí prostoru a času“, i když se v rámci nové geometrie časoprostoru stává mnohem srozumitelnější. Lorentz však nesouhlasil s tím, že jde o „ad-hoc“, a v roce 1913 tvrdil, že mezi jeho teorií a negací preferovaného referenčního rámce je malý rozdíl, jako v teorii Einsteina a Minkowského, takže jde o chutě, kterou teorii člověk preferuje.

Ekvivalence hmoty a energie

To bylo odvozeno Einsteinem (1905) jako důsledek principu relativity, že setrvačnost energie je ve skutečnosti reprezentována , ale na rozdíl od Poincaréova papíru z roku 1900 Einstein uznal, že hmota sama ztrácí nebo získává hmotnost během emise nebo absorpce. Hmotnost jakékoli formy hmoty se tedy rovná určitému množství energie, kterou lze převést na jiné formy energie a znovu je převést. Toto je ekvivalence hmotnosti a energie , reprezentovaná . Einstein tedy nemusel zavádět „fiktivní“ masy a také se vyhýbal problému s věčným pohybem , protože podle Darrigola lze Poincaréův radiační paradox jednoduše vyřešit aplikací Einsteinovy ​​ekvivalence. Pokud světelný zdroj během emise ztratí hmotnost , rozpor v zákonu hybnosti zmizí bez nutnosti jakéhokoli kompenzačního účinku v éteru. ${\ Displaystyle E/c^{2}}$${\ Displaystyle E = mc^{2}}$${\ Displaystyle E/c^{2}}$

Podobně jako Poincaré dospěl Einstein v roce 1906 k závěru, že setrvačnost (elektromagnetické) energie je nezbytnou podmínkou pro držení teorému těžiště v soustavách, ve kterých na sebe navzájem působí elektromagnetická pole a hmota. Na základě ekvivalence hmotnosti a energie ukázal, že emise a absorpce em záření, a tedy transport setrvačnosti, řeší všechny problémy. Při té příležitosti Einstein odkázal na Poincaréův papír z roku 1900 a napsal:

Ačkoli jednoduché formální pohledy, kterých je třeba pro důkaz tohoto tvrzení dosáhnout, jsou již obsaženy převážně v díle H. Poincaré [Lorentz-Festschrift, s. 252, 1900], kvůli jasnosti nebudu na tu práci spoléhat.

Také Poincarého odmítnutí principu reakce z důvodu porušení zákona o zachování hmoty lze zabránit prostřednictvím Einsteinova , protože zachování hmoty se jeví jako zvláštní případ zákona o zachování energie . ${\ Displaystyle E = mc^{2}}$

Obecná relativita

Pokusy Lorentze a Poincarého (a další pokusy, jako byly pokusy Abrahama a Gunnara Nordströma ) formulovat gravitační teorii, byly nahrazeny Einsteinovou teorií obecné relativity . Tato teorie je založena na principech, jako je princip ekvivalence , obecný princip relativity , princip obecné kovariance , geodetický pohyb, lokální Lorentzova kovariance (zákony speciální relativity platí lokálně pro všechny setrvačné pozorovatele) a že zakřivení časoprostoru je vytvořeno stresová energie v časoprostoru.

V roce 1920 porovnal Einstein Lorentzův éter s „gravitačním éterem“ obecné relativity. Řekl, že nehybnost je jedinou mechanickou vlastností, o kterou éter nebyl Lorentzem zbaven, ale na rozdíl od světelného a Lorentzova éteru éter obecné relativity nemá žádnou mechanickou vlastnost, dokonce ani nehybnost:

Éter obecné teorie relativity je médium, které samo o sobě postrádá všechny mechanické a kinematické vlastnosti, ale které pomáhá určit mechanické (a elektromagnetické) děje. Co je v éteru obecné teorie relativity, na rozdíl od éteru Lorentzova, zásadně nové, spočívá v tom, že stav prvního je na každém místě určen spojením s hmotou a stavem éteru v sousedním místa, která jsou přístupná právu ve formě diferenciálních rovnic; vzhledem k tomu, že stav Lorentzianova éteru v nepřítomnosti elektromagnetických polí není podmíněn ničím mimo sebe a je všude stejný. Éter obecné teorie relativity je koncepčně přeměněn na éter Lorentzův, nahradíme -li konstanty funkcemi prostoru, které popisují první, bez ohledu na příčiny, které podmiňují jeho stav. Můžeme tedy také říci, myslím, že éter obecné teorie relativity je výsledkem Lorentzianova éteru prostřednictvím relativizace.

Přednost

Někteří tvrdí, že Poincaré a Lorentz jsou skutečnými zakladateli speciální relativity, nikoli Einstein. Další podrobnosti najdete v článku o tomto sporu .

Pozdější aktivita

Lorentzova teorie elektronu/etheru byla považována za teorii elementárních částic a v prvních desetiletích 20. století byla nahrazena nejprve kvantovou mechanikou a poté kvantovou teorií pole. Jako obecnou teorii dynamiky Lorentz a Poincare již (asi do roku 1905) zjistili, že je nutné uplatnit samotný princip relativity, aby se teorie shodovala se všemi dostupnými empirickými daty. V tomto bodě byla většina zbytků podstatného éteru z Lorentzovy teorie „éteru“ odstraněna a stala se empiricky i deduktivně ekvivalentní speciální relativitě. Hlavním rozdílem byl metafyzický postulát jedinečného absolutního klidového rámce, který byl empiricky nezjistitelný a nehrál žádnou roli ve fyzických předpovědích teorie, jak napsal Lorentz v letech 1909, 1910 (publikoval 1913), 1913 (publikoval 1914) nebo 1912 (publikováno 1922).

V důsledku toho se dnes někdy používá termín „Lorentzova teorie éteru“ k označení neororentzovské interpretace speciální relativity. Předpona „neo“ se používá k uznání skutečnosti, že interpretaci je nyní třeba aplikovat na fyzické entity a procesy (jako je standardní model kvantové teorie pole), které v Lorentzově době nebyly známy.

Po příchodu speciální relativity se k Lorentzianovu přístupu k fyzice hlásil jen malý počet jednotlivců. Mnoho z nich, například Herbert E. Ives (který spolu s GR Stilwellem provedli první experimentální potvrzení dilatace času), bylo motivováno přesvědčením, že speciální relativita je logicky nekonzistentní, a proto je k usmíření zapotřebí další koncepční rámec relativistické jevy. Například Ives napsal „ „ Princip “stálosti rychlosti světla není pouze„ nepochopitelný “, není podporován„ objektivními věcnými záležitostmi “; je neudržitelný ... “. Logická konzistence speciální relativity (stejně jako její empirický úspěch) je však dobře zavedená, takže názory takových jedinců jsou v mainstreamové vědecké komunitě považovány za neopodstatněné.

John Stewart Bell prosazoval výuku speciální relativity nejprve z hlediska jediného Lorentzova setrvačného rámce, poté ukázal, že Poincareova invariance fyzikálních zákonů, jako jsou Maxwellovy rovnice, je ekvivalentní argumentům měnícím rámec často používaným při výuce speciální relativity. Protože jeden Lorentzův setrvačný rámec je jedním z preferovaných tříd rámců, nazýval tento přístup v duchu Lorentzian.

Také některé testovací teorie speciální relativity používají jakýsi Lorentzianův rámec. Například teorie testů Robertson – Mansouri – Sexl zavádí preferovaný aetherový rámec a obsahuje parametry indikující různé kombinace změn délky a času. Pokud má časová dilatace a délková kontrakce těles pohybujících se v éteru své přesné relativistické hodnoty, lze odvodit kompletní Lorentzovu transformaci a éter je skryt před jakýmkoli pozorováním, díky čemuž je kinematicky nerozeznatelný od předpovědí speciální relativity. Na tomto modelu je Michelson-Morley experiment , Kennedy-Thorndike experiment a Ives-Stilwell experiment dal ostré omezení pro porušení Lorentz invariance.

Reference

Úplnější seznam se zdroji mnoha dalších autorů najdete v části Historie speciální relativity#Reference .

Díla Lorentze, Poincarého, Einsteina, Minkowského (skupina A)

Sekundární zdroje (skupina B)

Další poznámky a komentáře (skupina C)

externí odkazy

• Mathpages: Odpovídající státy , Konec mé latiny , Kdo vynalezl relativitu? , Poincaré uvažuje Copernicus , Whittaker a éteru , Další odvození e = mc²