Теория эфира Лоренца

Несуществующая теория электромагнетизма

То, что сейчас часто называют теорией эфира Лоренца ( ЛЭТ ), берет свое начало в «теории электронов» Хендрика Лоренца , которая ознаменовала конец развития классических теорий эфира в конце XIX и начале XX века.

Первоначальная теория Лоренца была создана между 1892 и 1895 годами и основывалась на устранении предположений о движении эфира. Она объяснила неудачу экспериментов по отрицательному эфирному дрейфу до первого порядка по v / c, введя вспомогательную переменную, называемую «локальным временем», для связи систем, находящихся в покое и в движении в эфире. Кроме того, отрицательный результат эксперимента Майкельсона–Морли привел к введению гипотезы сокращения длины в 1892 году. Однако другие эксперименты также дали отрицательные результаты, и (руководствуясь принципом относительности Анри Пуанкаре ) Лоренц попытался в 1899 и 1904 годах расширить свою теорию на все порядки по v / c, введя преобразование Лоренца . Кроме того, он предположил, что неэлектромагнитные силы (если они существуют) преобразуются 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 трактуется как своего рода «лоренцевская» или «нео-лоренцевская» интерпретация 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. в качестве примера теорию теста Робертсона–Мансури–Сексля ), поэтому ковариантность Лоренца не обеспечивает никаких экспериментально проверяемых различий между LET и SR. Абсолютная одновременность в формулировке теории теста Мансури–Сексля LET ^[2] подразумевает, что эксперимент с односторонней скоростью света мог бы в принципе различить LET и SR, но в настоящее время широко распространено мнение, что выполнить такой тест невозможно. При отсутствии какого-либо способа экспериментально различить ЛПЭ и СР, предпочтение отдается ЛПЭ из-за излишнего предположения о необнаружимом эфире в ЛПЭ, а справедливость принципа относительности в ЛПЭ кажется случайной или случайной.

Историческое развитие

Основная концепция

Хендрик Лоренц

Теория эфира Лоренца, которая была разработана в основном между 1892 и 1906 годами Лоренцом и Пуанкаре, была основана на теории эфира Огюстена-Жана Френеля , уравнениях Максвелла и электронной теории Рудольфа Клаузиуса . ^{[B 1]} В своей работе 1895 года Лоренц отверг теории эфирного дрейфа и отказался высказывать предположения о природе эфира. В ней говорилось:

Что мы не можем говорить об абсолютном покое эфира, это само собой разумеется; это выражение даже не имело бы смысла. Когда я говорю для краткости, что эфир был бы в покое, то это означает только то, что одна часть этой среды не движется против другой и что все воспринимаемые движения являются относительными движениями небесных тел по отношению к эфиру.

Как позже сказал Макс Борн , для ученых того времени было естественным (хотя и не логически необходимым) отождествить систему покоя эфира Лоренца с абсолютным пространством Исаака Ньютона . ^{[B 2]} Состояние этого эфира можно описать электрическим полем E и магнитным полем H, где эти поля представляют собой «состояния» эфира (без дальнейших уточнений), связанные с зарядами электронов. Таким образом, абстрактный электромагнитный эфир заменяет старые механистические модели эфира. Вопреки Клаузиусу, который считал, что электроны действуют посредством действий 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 которую он получил Нобелевскую премию по физике в 1902 году. Джозеф Лармор одновременно нашел похожую теорию, но его концепция основывалась на механическом эфире. Фундаментальной концепцией теории Лоренца 1895 года ^{[A 1]} была «теорема о соответствующих состояниях» для членов порядка  v / c . Эта теорема утверждает, что движущийся относительно эфира наблюдатель может использовать те же самые электродинамические уравнения, что и наблюдатель в неподвижной эфирной системе, таким образом, они делают те же самые наблюдения.

Сокращение длины

Большим вызовом для теории эфира Лоренца стал эксперимент Майкельсона–Морли в 1887 году. Согласно теориям Френеля и Лоренца, относительное движение к неподвижному эфиру должно было быть определено этим экспериментом; однако результат был отрицательным. Сам Майкельсон считал, что результат подтверждает гипотезу об увлечении эфира, в которой эфир полностью увлекается материей. Однако другие эксперименты, такие как эксперимент Физо и эффект аберрации, опровергли эту модель.

Возможное решение появилось, когда в 1889 году Оливер Хевисайд вывел из уравнений Максвелла , что поле магнитного векторного потенциала вокруг движущегося тела изменяется в . 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 подвергаются воздействию таким образом, что размер тела по линии движения меньше на величину размера, перпендикулярного линии движения. Однако наблюдатель, движущийся вместе с Землей, не заметил бы этого сокращения, поскольку все другие приборы сокращаются в том же отношении. В 1895 году ^{[A 1]} Лоренц предложил три возможных объяснения этого относительного сокращения: ^{[B 3]} ${\textstyle {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$ ${\displaystyle v^{2}/(2c^{2})}$

• Тело сокращается по линии движения и сохраняет свои размеры перпендикулярно ей.
• Размеры тела остаются неизменными вдоль линии движения, но оно расширяется перпендикулярно ей.
• Тело сжимается по линии движения и одновременно расширяется перпендикулярно ей.

Хотя возможная связь между электростатическими и межмолекулярными силами использовалась Лоренцом в качестве аргумента правдоподобия, гипотеза о сокращении вскоре стала рассматриваться как чисто ad hoc . Также важно, что это сокращение затронет только пространство между электронами, но не сами электроны; поэтому название «межмолекулярная гипотеза» иногда использовалось для этого эффекта. Так называемое сокращение длины без расширения перпендикулярно линии движения и на точное значение (где l ₀ — длина в состоянии покоя в эфире) было дано Лармором в 1897 году и Лоренцом в 1904 году. В том же году Лоренц также утверждал, что сами электроны также подвержены этому сокращению. ^{[B 4]} Для дальнейшего развития этой концепции см. раздел § Преобразование Лоренца. ^{[A 3]} ${\textstyle l=l_{0}\cdot {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Местное время

Важной частью теоремы о соответствующих состояниях 1892 и 1895 годов ^{[A 1]} было местное время , где t — временная координата для наблюдателя, покоящегося в эфире, а t ' — временная координата для наблюдателя, движущегося в эфире. ( Ранее Вольдемар Фойгт использовал то же самое 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 коэффициента сопротивления Френеля ) Ипполита Физо в движущихся, а также 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 к «фиктивной» движущейся системе. В отличие от Лоренца, Пуанкаре видел в определении местного времени нечто большее, чем просто математический трюк, который он называл «самой гениальной идеей» Лоренца. ^{[A 4]} В «Измерении времени» он писал в 1898 году: ^{[A 5]} ${\displaystyle t'=t-vx/c^{2}}$

У нас нет прямой интуиции для одновременности, так же как и для равенства двух периодов. Если мы верим, что имеем эту интуицию, то это иллюзия. Мы помогли себе определенными правилами, которые мы обычно используем, не отдавая себе в этом отчета [...] Мы выбираем эти правила, следовательно, не потому, что они истинны, а потому, что они наиболее удобны, и мы могли бы суммировать их, сказав: «Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны быть определены так, чтобы формулировка естественных законов могла быть как можно более простой. Другими словами, все эти правила, все эти определения являются лишь плодом 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 рассматривать только время передачи сигналов, а затем пересечь 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 этого не осознают. ^{[A 6]} В 1904 году он проиллюстрировал ту же процедуру следующим образом: A посылает сигнал в момент времени 0 в B , который приходит в момент времени t . B также посылает сигнал в момент времени 0 в A , который приходит в момент времени t . Если в обоих случаях t имеет одинаковое значение, часы синхронны, но только в системе, в которой часы покоятся в эфире. Так, согласно Дарриголю, ^{[B 5]} Пуанкаре понимал локальное время как физический эффект, такой же, как сокращение длины, — в отличие от Лоренца, который не использовал ту же интерпретацию до 1906 года. Однако, в отличие от Эйнштейна, который позже использовал похожую процедуру синхронизации, которая была названа синхронизацией Эйнштейна , Дарриголь говорит, что Пуанкаре считал, что часы, покоящиеся в эфире, показывают истинное время. ^{[A 4]} ${\displaystyle t'=t-vx/c^{2}}$

Однако вначале было неизвестно, что локальное время включает в себя то, что сейчас известно как замедление времени . Этот эффект был впервые замечен Лармором (1897), который писал, что « отдельные электроны описывают соответствующие части своих орбит за времена, более короткие для [эфирной] системы в отношении или ${\displaystyle \varepsilon ^{-1/2}}$ ${\displaystyle \left(1-(1/2)v^{2}/c^{2}\right)}$ ». А в 1899 году ^{[A 7]} также Лоренц отметил для частоты колеблющихся электронов, « что в S время колебаний в раз больше, чем в S ₀ ${\displaystyle k\varepsilon }$ », где S ₀ — эфирная система отсчета, S — математически-фиктивная система отсчета движущегося наблюдателя, k — , а — неопределенный фактор. ^{[B 6]} ${\textstyle {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$ ${\displaystyle \varepsilon }$

преобразование Лоренца

В то время как локальное время могло объяснить отрицательные эксперименты по эфирному дрейфу первого порядка до v / c , было необходимо — из-за других неудачных экспериментов по эфирному дрейфу, таких как эксперимент Троутона–Нобла — изменить гипотезу, чтобы включить эффекты второго порядка. Математический инструмент для этого — так называемое преобразование Лоренца . Фойгт в 1887 году уже вывел похожий набор уравнений (хотя и с другим масштабным коэффициентом). Впоследствии Лармор в 1897 году и Лоренц в 1899 году ^{[A 7]} вывели уравнения в форме, алгебраически эквивалентной тем, которые используются до сих пор, хотя Лоренц использовал неопределенный фактор l в своем преобразовании. В своей статье Электромагнитные явления в системе, движущейся с любой скоростью, меньшей скорости света (1904) ^{[A 3]} Лоренц попытался создать такую ​​теорию, согласно которой все силы между молекулами подвергаются воздействию преобразования Лоренца (в котором Лоренц установил фактор l равным единице) таким же образом, как и 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 сжимаются 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 вводить неэлектромагнитную силу — сам Абрахам подвергал сомнению возможность включения таких сил в теорию Лоренца.

Итак, именно Пуанкаре 5 июня 1905 года ^{[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 служило 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 исправил формулы преобразования Лоренца для плотности заряда и плотности тока . Он продолжил набрасывать модель гравитации (включая гравитационные волны ), которая могла бы быть совместима с преобразованиями. Именно Пуанкаре впервые использовал термин «преобразования Лоренца» и придал им форму, которая используется и по сей день. (Где — произвольная функция от , которая должна быть равна единице для сохранения групповых характеристик. Он также приравнял к единице скорость света.) ${\displaystyle \ell }$ ${\displaystyle \varepsilon }$

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

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

Значительно расширенная работа (так называемая «Палермская статья») ^{[A 9]} была представлена ​​Пуанкаре 23 июля 1905 года, но была опубликована в январе 1906 года, поскольку журнал выходил только дважды в год. Он говорил буквально о «постулате относительности», он показал, что преобразования являются следствием принципа наименьшего действия ; он более подробно продемонстрировал групповые характеристики преобразования, которое он назвал группой Лоренца , и он показал, что комбинация инвариантна. Разрабатывая свою теорию тяготения, он заметил, что преобразование Лоренца — это всего лишь вращение в четырехмерном пространстве вокруг начала координат путем введения в качестве четвертой, мнимой, координаты, и он использовал раннюю форму четырехвекторов . Однако позже Пуанкаре сказал, что перевод физики на язык четырехмерной геометрии повлечет за собой слишком много усилий за ограниченную выгоду, и поэтому он отказался разрабатывать последствия этого понятия. Однако позже это сделал Минковский; см. «Переход к теории относительности». ^{[B 8]} ${\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}-c^{2}t^{2}}$ ${\textstyle ct{\sqrt {-1}}}$

Электромагнитная масса

Дж. Дж. Томсон (1881) и другие заметили, что электромагнитная энергия вносит вклад в массу заряженных тел на величину , которая была названа электромагнитной или «кажущейся массой». Другой вывод некоторого вида электромагнитной массы был проведен Пуанкаре (1900). Используя импульс электромагнитных полей, он пришел к выводу, что эти поля вносят массу всем телам, что необходимо для сохранения теоремы о центре масс . ${\displaystyle m=(4/3)E/c^{2}}$ ${\displaystyle E_{em}/c^{2}}$

Как отметили 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 эфирной системы отсчета параллельно направлению движения и перпендикулярно направлению движения, где и является неопределенным фактором. ^{[A 7]} А в 1904 году он установил , придя к выражениям для масс в разных направлениях (продольном и поперечном): ^{[A 3]} ${\displaystyle k^{3}\varepsilon }$ ${\displaystyle k\varepsilon }$ ${\textstyle k={\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$ ${\displaystyle \varepsilon }$ ${\displaystyle \varepsilon =1}$

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

где

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

Многие ученые теперь считали, 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 силы связи необходимы в рамках модели электронов Лоренца. Но Абрахам также отметил, что получаются разные результаты в зависимости от того, рассчитывается ли электромагнитная масса из энергии или из импульса. Чтобы решить эти проблемы, Пуанкаре в 1905 ^{[A 8]} и 1906 ^{[A 9]} ввел некое давление неэлектрической природы, которое вносит вклад в энергию 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 электромагнитная энергия вносит вклад в массу тел. ^{[B 9]} ${\displaystyle -(1/3)E/c^{2}}$

Концепция электромагнитной массы больше не рассматривается как причина массы как таковой , поскольку вся масса (а не только электромагнитная часть) пропорциональна энергии и может быть преобразована в различные формы энергии, что объясняется эквивалентностью массы и энергии Эйнштейна . ^{[B 10]}

Гравитация

Теории Лоренца

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 электромагнитного излучения и оказывающее равномерное давление на каждое тело. Лоренц показал, что сила притяжения между заряженными частицами действительно возникнет, если предположить, что падающая энергия полностью поглощается. Это была та же фундаментальная проблема, которая поразила другие модели Ле Сажа, потому что излучение должно каким-то образом исчезнуть, а любое поглощение должно привести к огромному нагреву. Поэтому Лоренц отказался от этой модели.

В той же статье он предположил, как Оттавиано Фабрицио Моссотти и Иоганн Карл Фридрих Целльнер , что притяжение противоположно заряженных частиц сильнее, чем отталкивание одинаково заряженных частиц. Результирующая чистая сила — это именно то, что известно как всемирное тяготение, в котором скорость гравитации равна скорости света. Это приводит к конфликту с законом 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 касается критики Лапласа, потому что из-за структуры уравнений Максвелла возникают только эффекты порядка v ² / c ² . Но Лоренц подсчитал, что значение для перигелия Меркурия было слишком низким. Он писал:

Специальная форма этих терминов, возможно, может быть изменена. Однако сказанного достаточно, чтобы показать, что гравитация может быть приписана действиям, распространяющимся не со скоростью, большей скорости света.

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

Лоренц-инвариантный закон тяготения

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

Что бы произошло, если бы мы могли общаться посредством сигналов, отличных от световых, скорость распространения которых отличалась бы от скорости света? Если бы, отрегулировав наши часы оптимальным способом, мы захотели проверить результат с помощью этих новых сигналов, мы бы заметили расхождения, вызванные общим поступательным движением двух станций. И немыслимы ли такие сигналы, если принять 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 тяготения, 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. В этом случае Пуанкаре ввел четырехвекторы. ^{[A 8]} Вслед за Пуанкаре Минковский (1908) и Арнольд Зоммерфельд (1910) также пытались установить Лоренц-инвариантный закон тяготения. ^{[B 11]} Однако эти попытки были вытеснены общей теорией относительности Эйнштейна , см. «Переход к относительности».

Отсутствие обобщения эфира Лоренца на гравитацию было основной причиной предпочтения пространственно-временной интерпретации. Жизнеспособное обобщение на гравитацию было предложено только в 2012 году Шмельцером. ^[3] Предпочтительная система отсчета определяется гармоническим координатным условием . Гравитационное поле определяется плотностью, скоростью и тензором напряжений эфира Лоренца, так что гармонические условия становятся непрерывностью и уравнениями Эйлера . Выведен принцип эквивалентности Эйнштейна . Сильный принцип эквивалентности нарушается, но восстанавливается в пределе, что дает уравнения Эйнштейна общей теории относительности в гармонических координатах.

Принципы и соглашения

Анри Пуанкаре

Постоянство скорости света

Уже в своем философском труде об измерениях времени (1898) ^{[A 5]} Пуанкаре писал, что такие астрономы, как Оле Рёмер , при определении скорости света просто предполагают, что свет имеет постоянную скорость, и что эта скорость одинакова во всех направлениях. Без этого постулата было бы невозможно вывести скорость света из астрономических наблюдений, как это сделал Рёмер, основываясь на наблюдениях за лунами Юпитера. Пуанкаре продолжил, отметив, что Рёмер также должен был предположить, что луны Юпитера подчиняются законам Ньютона, включая закон тяготения, тогда как можно было бы согласовать другую скорость света с теми же наблюдениями, если бы мы предположили некоторые другие (вероятно, более сложные) законы движения. По мнению Пуанкаре, это иллюстрирует, что мы принимаем для скорости света значение, которое делает законы механики максимально простыми. (Это пример конвенционалистской философии Пуанкаре.) Пуанкаре также отметил, что скорость распространения света может быть (и на практике часто используется) использована для определения одновременности между пространственно разделенными событиями. Однако в этой статье он не стал обсуждать последствия применения этих «условностей» к нескольким относительно движущимся системам отсчета. Этот следующий шаг был сделан Пуанкаре в 1900 году, ^{[A 6],} когда он понял, что синхронизация световыми сигналами в системе отсчета Земли приводит к местному времени Лоренца. ^{[B 12] [B 13]} (См. раздел о «местном времени» выше). А в 1904 году Пуанкаре написал: ^{[A 4]}

Из всех этих результатов, если бы они были подтверждены, вытекала бы совершенно новая механика, которая была бы охарактеризована прежде всего тем фактом, что не может быть скорости, большей скорости света, так же как и температуры ниже абсолютного нуля. Для наблюдателя, участвующего сам в движении поступательного движения, о котором он не подозревает, никакая видимая скорость не может превзойти скорость света, и это было бы противоречием, если только не вспомнить тот факт, что этот наблюдатель не использует тот же тип часов, что и неподвижный наблюдатель, а скорее часы, показывающие «местное время». […] Возможно, также нам придется построить совершенно новую механику, которую мы сможем увидеть только мельком, где инерция увеличивается со скоростью, скорость света станет непреодолимым пределом. Обычная механика, более простая, останется первым приближением, поскольку она будет верна для скоростей не слишком больших, так что старая динамика все еще будет обнаруживаться при новой. Нам не пришлось бы сожалеть о том, что мы поверили в принципы, и даже, поскольку скорости, слишком большие для старых формул, всегда будут только исключительными, самым верным способом на практике было бы продолжать действовать так, как будто мы продолжаем верить в них. Они настолько полезны, что необходимо было бы сохранить для них место. Решиться исключить их полностью означало бы лишить себя драгоценного оружия. Спешу сказать в заключение, что мы еще не достигли этого, и пока ничто не доказывает, что принципы не выйдут из схватки победителями и невредимыми».

Принцип относительности

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 по отношению к эфиру. И хотя большинство физиков придерживались других взглядов, Пуанкаре в 1900 году ^{[A 14]} стоял на своем и попеременно использовал выражения «принцип относительного движения» и «относительность пространства». Он критиковал Лоренца, говоря, что было бы лучше создать более фундаментальную теорию, которая объясняет отсутствие какого-либо эфирного дрейфа, чем создавать одну гипотезу за другой. В 1902 году ^{[A 15]} он впервые использовал выражение «принцип относительности». В 1904 году ^{[A 4]} он оценил работу математиков, которые спасли то, что он теперь называл « принципом относительности », с помощью гипотез вроде местного времени, но он признал, что это предприятие было возможно только путем накопления гипотез. И он определил принцип следующим образом (согласно Миллеру ^{[B 15]} на основе теоремы Лоренца о соответственных состояниях): «Принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для того, кто движется равномерно и поступательно, так что у нас нет и не может быть средств определить, движется ли мы или нет».

Ссылаясь на критику Пуанкаре 1900 года, Лоренц писал в своей знаменитой статье 1904 года, где он расширил свою теорему о соответствующих состояниях: ^{[A 3]} «Безусловно, путь изобретения специальных гипотез для каждого нового экспериментального результата является несколько искусственным. Было бы более удовлетворительно, если бы можно было показать с помощью некоторых фундаментальных предположений и не пренебрегая членами того или иного порядка величины, что многие электромагнитные действия совершенно независимы от движения системы».

Одной из первых оценок статьи Лоренца был Поль Ланжевен 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 идеально «инвариантной Лоренцу» в нескольких уравнениях, таких как выражение Лоренца для плотности тока (Лоренц признал в 1921 году, что это были дефекты). Поскольку это потребовало лишь незначительных изменений в работе Лоренца, Пуанкаре также утверждал ^{[A 8]} , что Лоренцу удалось согласовать свою теорию с принципом относительности: «Кажется, что эта невозможность продемонстрировать абсолютное движение Земли является общим законом природы. [...] Лоренц пытался дополнить и изменить свою гипотезу, чтобы согласовать ее с постулатом полной невозможности определения абсолютного движения. Это то, что ему удалось сделать в его статье под названием « Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света » [Лоренц, 1904b]». ^{[C 2]}

В своей статье в Палермо (1906) Пуанкаре назвал это «постулатом относительности», и хотя он утверждал, что этот принцип может быть в какой-то момент опровергнут (и на самом деле он упомянул в конце статьи, что открытие магнитокатодных лучей Полем Ульрихом Вилларом (1904), по-видимому, ставит его под угрозу ^{[B 16]} ), он считал интересным рассмотреть последствия, если мы предположим, что постулат относительности действителен без ограничений. Это означало бы, что все силы природы (не только электромагнетизм) должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. ^{[A 9]} В 1921 году Лоренц приписал Пуанкаре установление принципа и постулата относительности и написал: ^{[A 16]} «Я не установил принцип относительности как строго и универсально верный. Пуанкаре, с другой стороны, получил полную инвариантность электромагнитных уравнений и сформулировал «постулат относительности», термины, которые он первым применил». ^{[C 3]}

Эфир

Пуанкаре писал в духе своей конвенционалистской философии в 1889 году: ^{[A 17]} «Существует ли эфир или нет, не имеет большого значения — предоставим это метафизикам; для нас существенно то, чтобы все происходило так, как если бы он существовал, и чтобы эта гипотеза оказалась пригодной для объяснения явлений. В конце концов, есть ли у нас другие основания верить в существование материальных объектов? Это тоже всего лишь удобная гипотеза; только она никогда не перестанет быть таковой, тогда как когда-нибудь, без сомнения, эфир будет отброшен как бесполезный».

Он также отрицал существование абсолютного пространства и времени , заявив в 1901 году: ^{[A 18]} «1. Абсолютного пространства не существует, и мы представляем себе только относительное движение; и все же в большинстве случаев механические факты формулируются так, как будто существует абсолютное пространство, к которому их можно отнести. 2. Абсолютного времени не существует. Когда мы говорим, что два периода равны, это утверждение не имеет смысла и может приобрести смысл только благодаря соглашению. 3. У нас нет не только прямой интуиции равенства двух периодов, но у нас нет даже прямой интуиции одновременности двух событий, происходящих в двух разных местах. Я объяснил это в статье под названием «Mesure du Temps» [1898]. 4. Наконец, не является ли наша евклидова геометрия сама по себе лишь своего рода языковой конвенцией?»

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

И хотя он признавал 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 том, нужна ли новая конвенция о пространстве и времени, он писал в 1912 году: ^{[A 20]} «Будем ли мы обязаны изменить наши выводы? Конечно, нет; мы приняли конвенцию, потому что она казалась удобной, и мы говорили, что ничто не может заставить нас отказаться от нее. Сегодня некоторые физики хотят принять новую конвенцию. Это не значит, что они вынуждены это сделать; 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 полагаю, только между нами, что это то, что они будут делать в течение долгого времени в будущем».

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

Переход к теории относительности

Альберт Эйнштейн

Специальная теория относительности

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 являются инерциальными координатами относительно движущихся систем отсчета. Из этого вытекали все физически наблюдаемые следствия ЛЭТ, наряду с другими, все 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 относительно любой системы инерциальных координат ( принцип относительности ).
2. В пустом пространстве свет распространяется с абсолютной скоростью с в любой системе инерциальных координат (принцип постоянства света).

Взятые вместе (вместе с несколькими другими неявными предположениями, такими как изотропность и однородность пространства), эти два постулата однозначно приводят к математике специальной теории относительности. Лоренц и Пуанкаре также приняли эти же принципы, как необходимые для достижения своих конечных результатов, но не осознали, что они также были достаточными , и, следовательно, что они устранили все другие предположения, лежащие в основе первоначальных выводов Лоренца (многие из которых впоследствии оказались неверными ^{[C 4]} ). Поэтому специальная теория относительности очень быстро получила широкое признание среди физиков, и концепция светоносного эфира 19-го века больше не считалась полезной. ^{[B 17] [B 18]}

Пуанкаре (1905) и Герман Минковский (1905) показали, что специальная теория относительности имеет очень естественную интерпретацию ^{[C 5]} в терминах единого четырехмерного « пространства-времени », в котором абсолютные интервалы рассматриваются как заданные расширением теоремы Пифагора. ^{[B 19]} Полезность и естественность представления пространства-времени способствовали быстрому принятию специальной теории относительности и соответствующей потере интереса к эфирной теории Лоренца.

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

...невозможно построить теорию законов преобразования пространства и времени только на принципе относительности. Как известно, это связано с относительностью понятий «одновременности» и «формы движущихся тел». Чтобы заполнить этот пробел, я ввел принцип постоянства скорости света, заимствованный мною из теории неподвижного светоносного эфира Х. А. Лоренца, который, как и принцип относительности, содержит физическое предположение, которое, казалось, оправдывалось только соответствующими экспериментами (опытами Физо, Роуленда и т. д.) ^{[A 24]}

В 1907 году Эйнштейн раскритиковал « ad hoc » характер гипотезы сокращения Лоренца в своей теории электронов, поскольку, по его мнению, это было искусственное предположение, чтобы заставить эксперимент Майкельсона-Морли соответствовать неподвижному эфиру Лоренца и принципу относительности. ^{[A 25]} Эйнштейн утверждал, что «локальное время» Лоренца можно просто назвать «временем», и он заявил, что неподвижный эфир как теоретическая основа электродинамики неудовлетворителен. ^{[A 26]} Он писал в 1920 году: ^{[A 27]}

Что касается механической природы лоренцевского эфира, то о нем можно сказать, в несколько игривом духе, что неподвижность — единственное механическое свойство, которого он не был лишен Г. А. Лоренцом. Можно добавить, что все изменение в концепции эфира, которое внесла специальная теория относительности, состояло в том, что у эфира отняли его последнее механическое качество, а именно, неподвижность. [...] Более внимательное размышление учит нас, однако, 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 отнять у него последнюю механическую характеристику, которую Лоренц ему еще оставил.

Минковский утверждал, что введение Лоренцом гипотезы сокращения «звучит довольно фантастично», поскольку это не продукт сопротивления в эфире, 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 она была «ad-hoc», и в 1913 году он утверждал, что между его теорией и отрицанием предпочтительной системы отсчета, как в теории Эйнштейна и Минковского, мало различий, так что это дело вкуса, какую теорию предпочесть. ^{[A 21]}

Эквивалентность массы и энергии

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 приобретает массу во время излучения или поглощения. ^{[A 29]} Таким образом, масса любой формы материи равна определенному количеству энергии, которая может быть преобразована в и повторно преобразована из других форм энергии. Это эквивалентность массы и энергии , представленная . Таким образом, Эйнштейну не пришлось вводить «фиктивные» массы, а также избегать проблемы вечного движения , потому что, согласно Дарриголю, ^{[B 21]} Парадокс излучения Пуанкаре можно просто решить, применив эквивалентность Эйнштейна. Если источник света теряет массу во время излучения , противоречие в законе импульса исчезает без необходимости какого-либо компенсирующего эффекта в эфире. ${\displaystyle E/c^{2}}$ ${\displaystyle E=mc^{2}}$ ${\displaystyle E/c^{2}}$

Подобно Пуанкаре, Эйнштейн в 1906 году пришел к выводу, что инерция (электромагнитной) энергии является необходимым условием для того, чтобы теорема о центре масс выполнялась в системах, в которых электромагнитные поля и материя действуют друг на друга. Основываясь на эквивалентности массы и энергии, он показал, что испускание и поглощение электромагнитного излучения, а следовательно, и перенос инерции, решают все проблемы. В этом случае Эйнштейн сослался на статью Пуанкаре 1900 года и написал: ^{[A 30]}

Хотя простые формальные представления, которые необходимо выполнить для доказательства этого утверждения, уже в основном содержатся в работе А. Пуанкаре [Lorentz-Festschrift, стр. 252, 1900], ради ясности я не буду опираться на эту работу. ^{[C 6]}

Также отказ Пуанкаре от принципа реакции из-за нарушения закона сохранения массы можно обойти с помощью Эйнштейна , поскольку сохранение массы выступает как частный случай закона сохранения энергии . ${\displaystyle E=mc^{2}}$

Общая теория относительности

Попытки Лоренца и Пуанкаре (и другие попытки, подобные попыткам Абрахама и Гуннара Нордстрёма ) сформулировать теорию гравитации были вытеснены общей теорией относительности Эйнштейна . ^{[B 22]} Эта теория основана на таких принципах, как принцип эквивалентности , общий принцип относительности , принцип общей ковариантности , геодезическое движение, локальная лоренц-ковариантность (законы специальной теории относительности применяются локально для всех инерциальных наблюдателей), и на том, что кривизна пространства-времени создается энергией-импульсом внутри пространства-времени.

В 1920 году Эйнштейн сравнил эфир Лоренца с «гравитационным эфиром» общей теории относительности. Он сказал, что неподвижность — единственное механическое свойство, которого не лишил эфир Лоренц, но, в отличие от светоносного и эфира Лоренца, эфир общей теории относительности не имеет никаких 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. Что принципиально нового 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 местах, которые подчиняются законам в форме дифференциальных уравнений; тогда как состояние лоренцевского эфира при отсутствии электромагнитных полей ничем вне его не обусловлено и везде одинаково. Эфир общей теории относительности концептуально преобразуется в эфир Лоренца, если мы заменим константами функции пространства, которые описывают первый, игнорируя причины, обусловливающие его состояние. Таким образом, я думаю, мы можем также сказать, что эфир общей теории относительности является результатом лоренцевского эфира посредством релятивизации.

Приоритет

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

Дальнейшая деятельность

Рассматриваемая как теория элементарных частиц, теория электрона/эфира Лоренца была вытеснена в течение первых нескольких десятилетий 20-го века сначала квантовой механикой, а затем квантовой теорией поля. Как общая теория динамики, Лоренц и Пуанкаре уже (примерно к 1905 году) сочли необходимым обратиться к самому принципу относительности, чтобы заставить теорию соответствовать всем доступным эмпирическим данным. К этому моменту большинство остатков существенного эфира были устранены из теории «эфира» Лоренца, и она стала как эмпирически, так и дедуктивно эквивалентной специальной теории относительности. Главным отличием был метафизический постулат об уникальной абсолютной системе отсчета, которая была эмпирически необнаружима и не играла никакой роли в физических предсказаниях теории, как писал Лоренц в 1909, ^{[C 7]} 1910 (опубликовано в 1913), ^{[C 8]} 1913 (опубликовано в 1914), ^{[C 9]} или в 1912 (опубликовано в 1922). ^{[C 10]}

В результате термин «теория эфира Лоренца» сегодня иногда используется для обозначения неолоренцевской интерпретации специальной теории относительности. ^{[B 23]} Префикс «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 отстаивало лоренцевский подход к физике. Многие из них, такие как Герберт Э. Айвз (который вместе с Г. Р. Стилуэллом выполнил первое экспериментальное подтверждение замедления времени), были мотивированы убеждением, что специальная теория относительности логически противоречива, и поэтому для примирения релятивистских явлений необходима какая-то другая концептуальная основа. Например, Айвз писал: « «Принцип» постоянства скорости света не просто «непонятен», он не подкреплен «объективными фактами»; он несостоятелен... ». ^{[C 11]} Однако логическая последовательность специальной теории относительности (а также ее эмпирический успех) хорошо известна, поэтому взгляды таких людей считаются необоснованными в рамках основного научного сообщества.

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

Также некоторые проверочные теории специальной теории относительности используют своего рода лоренцевскую структуру. Например, проверочная теория Робертсона–Мансури–Сексла вводит предпочтительную эфирную систему отсчета и включает параметры, указывающие различные комбинации изменений длины и времени. Если замедление времени и сокращение длины тел, движущихся в эфире, имеют свои точные релятивистские значения, можно вывести полное преобразование Лоренца, и эфир будет скрыт от любого наблюдения, что делает его кинематически неотличимым от предсказаний специальной теории относительности. Используя эту модель, эксперимент Майкельсона–Морли , эксперимент Кеннеди–Торндайка и эксперимент Айвса–Стилвелла накладывают строгие ограничения на нарушения инвариантности Лоренца.

Ссылки

1. Крейг, Уильям Лейн; Смит, Квентин (2008). Эйнштейн, относительность и абсолютная одновременность . Лондон: Routledge. ISBN 9780415701747. OCLC  69020927.
2. Mansouri R.; Sexl RU (1977). «Тестовая теория специальной теории относительности. I: Одновременность и синхронизация часов». Gen. Rel. Gravit . 8 (7): 497–513. Bibcode :1977GReGr...8..497M. doi :10.1007/BF00762634. S2CID  67852594.
3. I. Schmelzer (2012). «Обобщение эфира Лоренца на гравитацию с общерелятивистским пределом». Advances in Applied Clifford Algebras . 22 : 203–242. doi :10.1007/s00006-011-0303-7. ISSN  0188-7009.

Более полный список с источниками многих других авторов см. в разделе История специальной теории относительности#Ссылки .

Работы Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Минковского (группа А)

1. Лоренц (1895)
2. Лоренц (1892)
3. Лоренц (1904b)
4. Пуанкаре (1904); Пуанкаре (1905а), Гл. 8
5. Пуанкаре (1898); Пуанкаре (1905a), гл. 2
6. Пуанкаре (1900b)
7. Лоренц (1899)
8. Пуанкаре (1905b)
9. Пуанкаре (1906)
10. Лоренц (1900)
11. Пуанкаре (1908a); Пуанкаре (1908b) Книга 3, Гл. 3
12. Лоренц (1914) основные источники
13. Пуанкаре (1895)
14. Пуанкаре (1900a); Пуанкаре (1902), гл. 9–10
15. Пуанкаре (1902), Гл. 13
16. Лоренц (1921), стр. 247–261.
17. Пуанкаре (1889); Пуанкаре (1902), Гл. 12
18. Пуанкаре (1901a); Пуанкаре (1902), Гл. 6
19. Пуанкаре 1912; Пуанкаре 1913, гл. 6
20. Пуанкаре (1913), Гл. 2
21. Lorentz (1913), стр. 75
22. Эйнштейн (1905a)
23. Эйнштейн (1909)
24. Эйнштейн (1912)
25. Эйнштейн (1908a)
26. Эйнштейн (1907)
27. Эйнштейн (1922)
28. Минковский (1908)
29. Эйнштейн (1905б)
30. Эйнштейн (1906)

• Лоренц, Хендрик Антун (1886), «De l'influence du mouvement de la terre sur les phénomènes lumineux», Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles , 21 : 103–176

• Лоренц, Хендрик Антун (1892a), «Электромагнитная теория Максвелла и ее применение в движении тела», Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles , 25 : 363–552

• Лоренц, Хендрик Антун (1892b), «De relatieve bebeging van de aarde en den aether» [Относительное движение Земли и эфира], Zittingsverlag Akad. В. Мокрый. , 1 : 74–79

• Лоренц, Хендрик Антун (1895), Versuch  einer Theorie der electricschen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern [ Попытка теории электрических и оптических явлений в движущихся телах ], Лейден: Э. Дж. Брилл

• Лоренц, Хендрик Антон (1899), «Упрощенная теория электрических и оптических явлений в движущихся системах»  , Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 1 : 427–442

• Лоренц, Хендрик Антон (1900), «Соображения о гравитации»  , Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 2 : 559–574

• Лоренц, Хендрик Антун (1904a), «Weiterbildung der Maxwellschen Theorie. Elektronentheorie», Encyclopädie der Mathematischen Wissenschaften , 5 (2): 145–288

• Лоренц, Хендрик Антон (1904b), «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света»  , Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 6 : 809–831

• Лоренц, Хендрик Антон (1909), Теория электронов и ее приложения к явлениям света и лучистого тепла , Лейпциг и Берлин: BG Teubner

• Лоренц, Хендрик Антон; Эйнштейн, Альберт и Минковский, Герман (1913), Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen , Лейпциг и Берлин: Б. Г. Тойбнер

• Лоренц, Хендрик Антун (1914), Das Relativitätsprinzip. Drei Vorlesungen gehalten в Teylers Stiftung zu Haarlem  , Лейпциге и Берлине: Б. Г. Тойбнер

• Лоренц, Хендрик Антон (1914), «La Gravitation», Scientia , 16 : 28–59, архивировано из оригинала 2008-12-06 , извлечено 2007-09-11

• Лоренц, Хендрик Антун (1921) [1914], «Deux Mémoires de Henri Poincaré sur la Physique Mathématique»  [Две статьи Анри Пуанкаре по математической физике], Acta Mathematica , 38 (1): 293–308, doi : 10.1007/BF02392073

• Лоренц, Хендрик Антон (1931) [1922], Лекция по теоретической физике, том 3 (Лекции, прочитанные в 1910–1912 гг., впервые опубликованы на голландском языке в 1922 г., перевод на английский язык в 1931 г.) , Лондон: MacMillan

• Лоренц, Хендрик Антон; Лоренц, HA; Миллер, DC; Кеннеди, RJ; Хедрик, ER; Эпштейн, PS (1928), «Конференция по эксперименту Майкельсона–Морли», The Astrophysical Journal , 68 : 345–351, Bibcode : 1928ApJ....68..341M, doi : 10.1086/143148

• Пуанкаре, Анри (1889), Математическая теория света , том. 1, Париж: Ж. Карре и К. Но.Предисловие частично перепечатано в « Науке и гипотезах », гл. 12.

• Пуанкаре, Анри (1895), «По поводу Теории де М. Лармор», L'Éclairage éclairique , 5 : 5–14. Перепечатано в Poincaré, Oeuvres, том IX, стр. 395–413

• Пуанкаре, Анри (1913) [1898], «Измерение времени»  , Основы науки , Нью-Йорк: Science Press, стр. 222–234

• Пуанкаре, Анри (1900а), «Отношения между экспериментальным и математическим физиками», Revue Générale des Sciences Pures et Appliquées , 11 : 1163–1175.. Перепечатано в «Науке и гипотезах», гл. 9–10.

• Пуанкаре, Анри (1900b), «Теория Лоренца и принцип реакции»  , Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles , 5 : 252–278. См. также перевод на английский язык.

• Пуанкаре, Анри (1901a), «Sur les principes de la mécanique», Bibliothèque du Congrès International de Philosophie : 457–494.. Перепечатано в «Науке и гипотезах», гл. 6–7.

• Пуанкаре, Анри (1901b), Électricité et optique, Париж: Готье-Виллар - через Интернет-архив

• Пуанкаре, Анри (1902), Наука и гипотеза, Лондон и Ньюкасл-он-Кайн: The Walter Scott Publishing Co. – через Интернет-архив

• Пуанкаре, Анри (1906a) [1904], «Принципы математической физики»  , Конгресс искусств и науки, всемирная выставка, Сент-Луис, 1904 , т. 1, Бостон и Нью-Йорк: Houghton, Mifflin and Company, стр. 604–622

• Пуанкаре, Анри (1905b), «Sur la dynamice de l'électron»  [О динамике электрона], Comptes Rendus , 140 : 1504–1508.

• Пуанкаре, Анри (1906b) [1905], «Sur la dynamice de l'électron» [О динамике электрона], Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo , 21 : 129–176, Бибкод : 1906RCMP...21.. 129P, doi : 10.1007/BF03013466, hdl : 2027/uiug.30112063899089 , S2CID  120211823

• Пуанкаре, Анри (1913) [1908], «Новая механика»  , Основы науки (Наука и метод) , Нью-Йорк: Science Press, стр. 486–522

• Пуанкаре, Анри (1909), «Новая механика (Лилль)»  , Revue Scientifique , 47 : 170–177.

• Пуанкари, Анри (1910) [1909], «Новая механика (Геттинген)»  , Sechs Vorträge über ausgewählte Gegenstände aus der reinen Mathematik und mathematischen Physik , Лейпциг и Берлин: BGTeubner, стр. 41–47

• Пуанкаре, Анри (1911) [1910], Die neue Mechanik (Берлин)  , Лейпциг и Берлин: Б. Г. Тойбнер

• Пуанкаре, Анри (1912), «L'hypothèse des quanta», Revue Scientifique , 17 : 225–232.Перепечатано в Пуанкаре 1913, гл. 6.

• Пуанкаре, Анри (1913), Последние эссе, Нью-Йорк: Dover Publication (1963) – через Интернет-архив

• Эйнштейн, Альберт (1905a), «Zur Elektrodynamik bewegter Körper» (PDF) , Annalen der Physik , 322 (10): 891–921, Бибкод : 1905AnP...322..891E, doi : 10.1002/andp.19053221004. См. также: перевод на английский язык.

• Эйнштейн, Альберт (1905b), «Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?» (PDF) , Annalen der Physik , 323 (13): 639–643, Бибкод : 1905AnP...323..639E, doi : 10.1002/andp.19053231314

• Эйнштейн, Альберт (1906), «Das Prinzip von der Erhaltung der Schwerpunktsbewegung und die Trägheit der Energie» (PDF) , Annalen der Physik , 325 (8): 627–633, Бибкод : 1906AnP...325..627E, doi :10.1002/andp.19063250814, S2CID  120361282

• Эйнштейн, Альберт (1907), «Über die vom Relativitätsprinzip geforderte Trägheit der Energie» (PDF) , Annalen der Physik , 328 (7): 371–384, Бибкод : 1907AnP...328..371E, doi : 10.1002/andp .19073280713

• Эйнштейн, Альберт (1908a) [1907], «Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen» (PDF) , Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik , 4 : 411–462, Бибкод : 1908JRE.....4..411E

• Эйнштейн, Альберт и Лауб, Якоб (1908b), «Über die elektromagnetischen Grundgleichungen für bewegte Körper» (PDF) , Annalen der Physik , 331 (8): 532–540, Бибкод : 1908AnP...331..532E, doi : 10.1002/андп.19083310806

• Эйнштейн, Альберт (1909), «Развитие наших взглядов на состав и сущность радиации»  , Physikalische Zeitschrift , 10 (22): 817–825.

• Эйнштейн, Альберт (1912), «Относительность и гравитация. Erwiderung auf eine Bemerkung von M. Авраам» (PDF) , Annalen der Physik , 38 (10): 1059–1064, Бибкод : 1912AnP...343.1059E, doi : 10.1002 /andp.19123431014, S2CID  120162895. Английский перевод : Эйнштейн, Альберт (1996). Собрание статей Альберта Эйнштейна, том 4: Швейцарские годы: сочинения, 1912–1914 (дополнение к английскому переводу; перевод Анны Бек, с Доном Ховардом, консультантом-редактором). Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-02610-7.

• Эйнштейн А. (1916), Относительность: Специальная и общая теория  , Springer

• Эйнштейн, Альберт (1922), Эфир и теория относительности  , Лондон: Methuen & Co.

• Минковский, Герман (1909) [1908], «Пространство и время»  , Physikalische Zeitschrift , 10 : 75–88.

Вторичные источники (группа B)

1. Уиттекер (1951), 386ff
2. Родился (1964), 172ff
3. Браун (2001)
4. Миллер (1981), 70–75,
5. Дарригол (2005), 10–11
6. Янссен (1995), Гл. 3.5.4
7. Янссен/Мекленбург (2007)
8. Уолтер (2007), Глава 1
9. Янссен/Мекленбург (2007)
10. Миллер (1981), 359–360
11. Уолтер (2007)
12. Галисон (2002)
13. Миллер (1981), 186–189
14. Кацир (2005), 275–288
15. Миллер (1981), 79
16. Уолтер (2007), Гл. 1
17. Дарригол (2005), 15–18
18. Янссен (1995), Глава 4
19. Уолтер (1999)
20. Мартинес (2009)
21. Дарригол (2005), 18–21
22. Уолтер 2007
23. Балашов / Янссен, 2002
24. Дж. Белл, Как преподавать специальную теорию относительности

• Борн, Макс (1964), Теория относительности Эйнштейна , Dover Publications, ISBN 978-0-486-60769-6

• Браун, Харви Р. (2001), «Истоки сокращения длины: I. Гипотеза деформации Фицджеральда-Лоренца», American Journal of Physics , 69 (10): 1044–1054, arXiv : gr-qc/0104032 , Bibcode : 2001AmJPh..69.1044B, doi : 10.1119/1.1379733, S2CID  2945585

• Дарриголь, Оливье (2000), Электродинамика от Ампера до Эйнштейна , Оксфорд: Clarendon Press, ISBN 978-0-19-850594-5

• Дарригол, Оливье (2005), «Происхождение теории относительности» (PDF) , Séminaire Poincaré , 1 : 1–22, Бибкод : 2006eins.book....1D, doi : 10.1007/3-7643-7436- 5_1, ISBN 978-3-7643-7435-8

• Галисон, Питер (2003), Часы Эйнштейна, Карты Пуанкаре: Империи времени , Нью-Йорк: WW Norton, ISBN 978-0-393-32604-8

• Янссен, Мишель (1995), Сравнение теории эфира Лоренца и специальной теории относительности в свете экспериментов Траутона и Нобла (диссертация)

• Юрий Балашов / М. Янссен (2002), «Презентизм и относительность», Британский журнал философии науки , 54 (2): 327–346, CiteSeerX  10.1.1.114.5886 , doi :10.1093/bjps/54.2.327
• Янссен, Мишель и Мекленбург, Мэтью (2007), В.Ф. Хендрикс и др. (ред.), «От классической к релятивистской механике: электромагнитные модели электрона», Взаимодействия: Математика, Физика и Философия , Дордрехт: 65–134

• Кацир, Шауль (2005), «Релятивистская физика Пуанкаре: ее истоки и природа», Phys. Perspect. , 7 (3): 268–292, Bibcode : 2005PhP.....7..268K, doi : 10.1007/s00016-004-0234-y, S2CID  14751280

• Альберто А. Мартинес (2009), Кинематика: утерянные истоки теории относительности Эйнштейна , Johns Hopkins University Press, ISBN 978-0-8018-9135-9

• Миллер, Артур И. (1981), Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна. Возникновение (1905) и ранняя интерпретация (1905–1911) , Чтение: Addison–Wesley, ISBN 978-0-201-04679-3

• Паули, Вольфганг (1921), «Die Relativitätstheorie», Encyclopädie der Mathematischen Wissenschaften , 5 (2): 539–776.

На английском языке: Pauli, W. (1981) [1921]. Теория относительности . Фундаментальные теории физики. Т. 165. ISBN 978-0-486-64152-2.

• Walter, Scott (1999), H. Goenner; J. Renn; J. Ritter; T. Sauer (ред.), "Minkowski, mathematicians, and themathical theory of relativity", Einstein Studies , 7 : 45–86, Bibcode : 1999ewgr.book...45W, архивировано из оригинала 2009-01-30 , извлечено 2009-03-04

• Walter, Scott (2007), Renn, J. (ред.), «Breaking in the 4-vectors: the four-dimensional movement in gravitation, 1905–1910», The Genesis of General Relativity , 3 , Berlin: 193–252, Bibcode : 2007ggr..conf..193W, архивировано из оригинала 2009-01-30 , извлечено 2009-03-04

• Уиттекер, Эдмунд Тейлор (1951), История теорий эфира и электричества . Том 1: Классические теории (2-е изд.), Лондон: Нельсон

Другие примечания и комментарии (группа C)

1. Французский оригинал: Nous n'avons pas l'intuition Directe de la Simultanéité, pas plus que celle de l'égalité de deux durées. Если мы знаем эту интуицию, это иллюзия. Мы и дополняем некоторые правила, которые мы применяем, прежде чем мы сможем сделать это без нашего участия. [...] Nous choisissons donc ces ses règles, not parce qu'elles sont vraies, mais parce qu'elles sont les plus commodes, et nous pourrions les resumer en disant: «La simultanéité de deux événements, ou l'ordre de leur» преемственность, l'égalité de deux durées, doivent être définies de Telle sorte que l'énonce des lois naturallles, так что это просто, что возможно. В других терминах все эти правила, все эти определения не являются плодами бессознательного оппортунизма. »
2. Французский оригинал: Il semble que Cette Impossabilité de démontrer le Mouvement Absolu soit une loi générale de la Nature [..] Лоренц a cherché à compléter et à modifier son histhèse de façon à la mettre en concordance avec le postulate de l'impossabilité complète абсолютное определение движения. C'est ce qu'il a réussi dans son article intitulé Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света .
3. Французский оригинал: je n'ai pas établi le principe de relativité comme rigourusement et Universellement vrai. Пуанкаре, напротив, получил паритетную инвариантность уравнений электродинамики и формулу «постулат относительности», условия, которые етэ ле премьер-работодатель.
4. Три наиболее известных примера: (1) предположение уравнений Максвелла, и (2) предположения о конечной структуре электрона, и (3) предположение, что вся масса имеет электромагнитное происхождение. Уравнения Максвелла впоследствии были признаны недействительными и были заменены квантовой электродинамикой, хотя одна особая черта уравнений Максвелла, инвариантность характерной скорости, осталась. Масса электрона теперь рассматривается как точечная частица, и Пуанкаре уже в 1905 году показал, что невозможно, чтобы вся масса электрона имела электромагнитное происхождение. Вот как теория относительности опровергла надежды 19 века на то, чтобы основать всю физику на электромагнетизме.
5. См. «Историю эфира» Уиттекера, в которой он пишет: «Великие достижения Минковского были связаны с его формулировкой физики в терминах четырехмерного многообразия... для того, чтобы представлять природные явления без введения случайных элементов, необходимо отказаться от привычной трехмерной системы координат и работать в четырех измерениях». См. также «Суть Господа» Пайса, в которой говорится об интерпретации Минковского: «Так началось колоссальное упрощение специальной теории относительности». См. также «Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна» Миллера, в которой говорится: «Результаты Минковского привели к более глубокому пониманию теории относительности».
6. Немецкий оригинал: Trotzdem die einfachen formalen Betrachtungen, die zum Nachweis dieser Behauptung durchgeführt werden müssen, in der Hauptsache bereits in einer Arbeit von H. Poincaré enthalten sind [Lorentz-Festschrift, p. 252, 1900], werde ich mich doch der Übersichtlichkeit halber nicht auf jene Arbeit stützen.
7. Лоренц 1909, стр. 229: Из сказанного станет ясно, что впечатления, полученные двумя наблюдателями A0 _и A, будут во всех отношениях одинаковы. Было бы невозможно решить, кто из них движется или стоит на месте относительно эфира, и не было бы никаких оснований предпочитать времена и длины, измеренные одним, тем, которые определены другим, или говорить, что кто-то из них обладает «истинным» временем или «истинной» длиной. Это тот момент, на котором Эйнштейн сделал особый акцент в теории, в которой он исходит из того, что он называет принципом относительности, т. е. принципа, согласно которому уравнения, с помощью которых могут быть описаны физические явления, не изменяются по форме, когда мы меняем оси координат на другие, имеющие равномерное движение поступательного движения относительно исходной системы.
   Я не могу здесь говорить о многих весьма интересных приложениях, которые Эйнштейн сделал из этого принципа. Его результаты, касающиеся электромагнитных и оптических явлений (...), в основном согласуются с теми, которые мы получили на предыдущих страницах, главное отличие состоит в том, что Эйнштейн просто постулирует то, что мы вывели, с некоторым трудом и не совсем удовлетворительно, из фундаментальных уравнений электромагнитного поля. Поступая так, он, безусловно, может поставить себе в заслугу то, что заставил нас увидеть в отрицательном результате экспериментов, подобных экспериментам Майкельсона, Рэлея и Брейса, не случайную компенсацию противоположных эффектов, а проявление общего и фундаментального принципа.
   Тем не менее, я думаю, что кое-что можно также утверждать в пользу формы, в которой я представил теорию. Я не могу не рассматривать эфир, который может быть местом электромагнитного поля с его энергией и его колебаниями, как наделенный определенной степенью субстанциальности, как бы он ни отличался от всей обычной материи. В этом направлении мысли кажется естественным не предполагать с самого начала, что никогда не может быть никакой разницы, движется ли тело через эфир или нет, и измерять расстояния и отрезки времени с помощью стержней и часов, имеющих фиксированное положение относительно эфира.
   Было бы несправедливо не добавить, что, помимо захватывающей смелости своей отправной точки, теория Эйнштейна имеет еще одно заметное преимущество перед моей. В то время как мне не удалось получить для уравнений, относящихся к движущимся осям, точно такую ​​же форму, как и для тех, которые применяются к неподвижной системе, Эйнштейн добился этого с помощью системы новых переменных, несколько отличающихся от тех, которые я ввел.
8. Лоренц 1913, стр. 75: При условии, что есть эфир, то во всех системах x, y, z, t предпочтение отдается тому факту, что оси координат, а также часы покоятся в эфире. Если связать с этим идею (от которой я бы отказался лишь неохотно), что пространство и время — это совершенно разные вещи, и что существует «истинное время» (одновременность, таким образом, не зависит от местоположения, в соответствии с тем обстоятельством, что мы можем иметь идею бесконечно больших скоростей), то можно легко увидеть, что это истинное время должно указываться часами, покоящимися в эфире. Однако, если бы принцип относительности имел общую справедливость в природе, то нельзя было бы определить, является ли только что использованная система отсчета предпочтительной. Тогда мы приходим к тем же результатам, как если бы мы (вслед за Эйнштейном и Минковским) отрицали существование эфира и истинного времени и считали все системы отсчета одинаково действительными. Какой из этих двух способов мышления мы придерживаемся, это, конечно, может быть предоставлено индивидууму.
9. Лоренц 1914, стр. 23: Если наблюдатели хотят видеть концепцию времени как нечто первичное, нечто полностью отделенное от концепции пространства, то они, безусловно, признают, что существует абсолютная одновременность; хотя они оставят нерешенным, указывает ли одновременность равными значениями t , или равными значениями t′ , или, может быть, ни тем, ни другим.
   Эйнштейн сказал в двух словах, что все эти упомянутые вопросы не имеют смысла. Затем он приходит к «отказу» от эфира. Кстати, последнее в определенной степени является спором о словах: не имеет большого значения, говорим ли мы о вакууме или эфире. В любом случае, по Эйнштейну, не имеет смысла говорить о движении относительно эфира. Он также отрицает существование абсолютной одновременности.
   Безусловно, примечательно, что эти концепции относительности, также и по отношению ко времени, были включены так быстро.
   Оценка этих понятий в значительной степени принадлежит эпистемологии , которой мы можем предоставить суждение, полагая, что она может рассмотреть обсуждаемые вопросы с необходимой тщательностью. Но несомненно, что в значительной степени это зависит от привычного образа мышления, от того, чувствует ли человек влечение к той или иной точке зрения. Что касается самого лектора, то он находит определенное удовлетворение в старых взглядах, что эфир имеет по крайней мере некоторую субстанциальность, что пространство и время могут быть строго разделены, что можно говорить об одновременности без дальнейших уточнений. Что касается последнего, то, вероятно, можно сослаться на способность, по крайней мере, вообразить нами произвольно большие скорости. Тем самым мы очень близко подходим к понятию абсолютной одновременности.
10. Лоренц 1922, стр. 125: Таким образом, у нас есть выбор между двумя различными планами: мы можем придерживаться концепции эфира или же мы можем предположить истинную одновременность. Если строго придерживаться релятивистского взгляда, что все системы эквивалентны, то нужно отказаться от субстанциальности эфира, а также от концепции истинного времени. Выбор точки зрения зависит, таким образом, от весьма фундаментальных соображений, особенно относительно времени.
    Конечно, описание природных явлений и проверка того, что теория относительности должна сказать о них, могут быть выполнены независимо от того, что мы думаем об эфире и времени. С физической точки зрения эти вопросы можно оставить в стороне, и особенно вопрос истинного времени можно передать теории познания.
    Современные физики, такие как Эйнштейн и Минковский, вообще больше не говорят об эфире. Однако это вопрос вкуса и слов. Ибо, есть ли эфир или нет, электромагнитные поля, безусловно, существуют, а также и энергия электрических колебаний. Если нам не нравится название «эфир», мы должны использовать другое слово как крючок, на который можно повесить все эти вещи. Неясно, может ли «пространство» быть настолько расширено, чтобы заботиться не только о геометрических свойствах, но и об электрических.
    Нельзя отрицать за носителем этих свойств определенную субстанциальность, и если это так, то можно со всей скромностью назвать истинным временем время, измеряемое часами, которые зафиксированы в этой среде, и рассматривать одновременность как первичное понятие.
11. Герберт Э. Айвз, «Пересмотр преобразований Лоренца», 27 октября 1950 г.

Внешние ссылки

• Mathpages: Соответствующие состояния, Конец моей латыни, Кто изобрел теорию относительности?, Пуанкаре размышляет о Копернике, Уиттекер и эфир, Еще один вывод эквивалентности массы и энергии