Historia szczególnej teorii względności - History of special relativity

Historia szczególnej teorii względności składa się z wielu teoretycznych wyników i ustaleń empirycznych uzyskanych przez Albert Michelson , Hendrik Lorentz , Henri Poincaré i inni. Jej kulminacją była teoria szczególnej teorii względności zaproponowana przez Alberta Einsteina oraz późniejsze prace Maxa Plancka , Hermanna Minkowskiego i innych.

Wstęp

Choć Isaac Newton oparł swoje fizyki na temat absolutnego czasu i przestrzeni , on również przyklejona do zasady względności z Galileusza przekształcenie go właśnie dla systemów mechanicznych. Można to ująć w następujący sposób: jeśli chodzi o prawa mechaniki, wszyscy obserwatorzy w ruchu bezwładnym są jednakowo uprzywilejowani, a żadnemu szczególnemu obserwatorowi bezwładności nie można przypisać żadnego preferowanego stanu ruchu. Jednakże, jeśli chodzi o teorię elektromagnetyczną i elektrodynamikę, w XIX wieku szeroko akceptowano falową teorię światła jako zakłócenia „ośrodka świetlnego” lub eteru świetlnego , osiągając swoją najbardziej rozwiniętą formę w pracy Jamesa Clerka Maxwella . Zgodnie z teorią Maxwella wszystkie zjawiska optyczne i elektryczne rozchodzą się w tym ośrodku, co sugeruje, że powinno być możliwe eksperymentalne wyznaczenie ruchu względem eteru.

Niepowodzenie jakiegokolwiek znanego eksperymentu wykrywającego ruch w eterze skłoniło Hendrika Lorentza , począwszy od 1892 roku, do opracowania teorii elektrodynamiki opartej na nieruchomym świecącym eterze (o którego budowie materiału Lorentz nie spekulował), fizycznym skróceniu długości i „ czas lokalny”, w którym równania Maxwella zachowują swoją formę we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Pracując z teorią eteru Lorentza, Henri Poincaré , który wcześniej zaproponował „zasadę względności” jako ogólne prawo natury (w tym elektrodynamikę i grawitację ), użył tej zasady w 1905 roku, aby skorygować wstępne formuły transformacji Lorentza, co dało dokładny zestaw równań, które są teraz nazywane transformacjami Lorentza . Nieco później w tym samym roku Albert Einstein opublikował swoją oryginalną pracę o szczególnej teorii względności, w której, ponownie opierając się na zasadzie względności, niezależnie wyprowadził i radykalnie zreinterpretował transformacje Lorentza, zmieniając podstawowe definicje przestrzeni i przedziałów czasowych, porzucając bezwzględną zasadę względności. jednoczesność kinematyki Galileusza, unikając w ten sposób potrzeby odwoływania się do świecącego eteru w klasycznej elektrodynamice. Późniejsza praca Hermanna Minkowskiego , w której wprowadził czterowymiarowy geometryczny model „czasoprzestrzeni” dla wersji szczególnej teorii względności Einsteina, utorowała drogę późniejszemu rozwojowi jego ogólnej teorii względności i położyła podwaliny pod relatywistyczne teorie pola .

Eter i elektrodynamika poruszających się ciał

Modele eterowe i równania Maxwella

Po pracach Thomasa Younga (1804) i Augustina-Jeana Fresnela (1816) uważano, że światło rozchodzi się jako fala poprzeczna w elastycznym ośrodku zwanym świecącym eterem . Wprowadzono jednak rozróżnienie między zjawiskami optycznymi i elektrodynamicznymi, dlatego konieczne było stworzenie określonych modeli eterowych dla wszystkich zjawisk. Próby ujednolicenia tych modeli lub stworzenia ich pełnego mechanicznego opisu nie powiodły się, ale po znacznej pracy wielu naukowców, w tym Michaela Faradaya i Lorda Kelvina , James Clerk Maxwell (1864) opracował dokładną teorię elektromagnetyzmu , wyprowadzając zbiór równania w elektryczności , magnetyzmie i indukcyjności , zwane równaniami Maxwella . Jako pierwszy zaproponował, że światło jest w rzeczywistości falowaniem ( promieniowaniem elektromagnetycznym ) w tym samym ośrodku eterowym, który jest przyczyną zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Jednak teoria Maxwella była niezadowalająca w odniesieniu do optyki poruszających się ciał i chociaż był w stanie przedstawić kompletny model matematyczny, nie był w stanie dostarczyć spójnego mechanicznego opisu eteru.

Po tym, jak Heinrich Hertz w 1887 roku wykazał istnienie fal elektromagnetycznych, teoria Maxwella została szeroko zaakceptowana. Ponadto Oliver Heaviside i Hertz dalej rozwinęli teorię i wprowadzili zmodernizowane wersje równań Maxwella. Równania „Maxwella-Hertza” lub „Heaviside-Hertza” następnie stanowiły ważną podstawę dla dalszego rozwoju elektrodynamiki, a notacja Heaviside'a jest nadal używana. Inne ważne wkłady do teorii Maxwella wnieśli George FitzGerald , Joseph John Thomson , John Henry Poynting , Hendrik Lorentz i Joseph Larmor .

Szukaj eteru

Jeśli chodzi o ruch względny i wzajemny wpływ materii i eteru, istniały dwie kontrowersyjne teorie. Jeden został opracowany przez Fresnela (a następnie Lorentza). Model ten (Stacjonarna Teoria Eteru) zakładał, że światło rozchodzi się jako fala poprzeczna, a eter jest częściowo przeciągany z pewnym współczynnikiem przez materię. Opierając się na tym założeniu, Fresnel był w stanie wyjaśnić aberrację światła i wiele zjawisk optycznych.
Drugą hipotezę zaproponował George Gabriel Stokes , który w 1845 r. stwierdził, że eter jest całkowicie ciągnięty przez materię (później ten pogląd podzielał również Hertz). W tym modelu eter może być (przez analogię do paku sosnowego) sztywny dla szybkich obiektów i płynny dla wolniejszych obiektów. W ten sposób Ziemia mogłaby poruszać się przez nią dość swobodnie, ale byłaby wystarczająco sztywna, aby przenosić światło. Preferowano teorię Fresnela, ponieważ jego współczynnik oporu został potwierdzony w eksperymencie Fizeau w 1851 roku , w którym mierzono prędkość światła w poruszających się cieczach.

Albert A. Michelson (1881) próbował zmierzyć względny ruch Ziemi i eteru (Eter-Wiatr), jak oczekiwano w teorii Fresnela, za pomocą interferometru . Nie potrafił określić żadnego ruchu względnego, więc wynik zinterpretował jako potwierdzenie tezy Stokesa. Jednak Lorentz (1886) wykazał, że obliczenia Michelsona były błędne i że przeszacował dokładność pomiaru. To, wraz z dużym marginesem błędu, sprawiło, że wynik eksperymentu Michelsona był niejednoznaczny. Ponadto Lorentz wykazał, że całkowicie wleczony eter Stokesa prowadził do sprzecznych konsekwencji i dlatego popierał teorię eteru podobną do teorii Fresnela. Aby ponownie sprawdzić teorię Fresnela, Michelson i Edward W. Morley (1886) powtórzyli eksperyment Fizeau. Współczynnik przeciągania Fresnela został wówczas bardzo dokładnie potwierdzony i Michelson był teraz zdania, że ​​stacjonarna teoria eteru Fresnela była poprawna. Aby wyjaśnić sytuację, Michelson i Morley (1887) powtórzyli eksperyment Michelsona z 1881 roku i znacznie zwiększyli dokładność pomiaru. Jednak ten słynny teraz eksperyment Michelsona-Morleya ponownie przyniósł negatywny wynik, tj. nie wykryto ruchu aparatu w eterze (chociaż prędkość Ziemi jest inna o 60 km/s w północnej zimie niż w lecie). Fizycy zostali więc skonfrontowani z dwoma pozornie sprzecznymi eksperymentami: eksperyment z 1886 jako pozorne potwierdzenie stacjonarnego eteru Fresnela i eksperyment z 1887 jako pozorne potwierdzenie całkowicie przeciągniętego eteru Stokesa.

Możliwe rozwiązanie tego problemu wskazał Woldemar Voigt (1887), który zbadał efekt Dopplera dla fal rozchodzących się w nieściśliwym ośrodku sprężystym i wydedukował relacje transformacji, które pozostawiły niezmienione równanie falowe w wolnej przestrzeni, i wyjaśnił ujemny wynik Michelsona. – Eksperyment Morleya. Te transformacje Voigt zawierać czynnik Lorentza dla y, iz współrzędnych i nowej zmiennej w czasie , który później został nazwany „czas lokalny”. Twórczość Voigta została jednak całkowicie zignorowana przez współczesnych. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {1/{\ sqrt {1-{v ^ {2}} / {c ^ {2}}}}}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle {t'=t-vx/c ^ {2}}}$

FitzGerald (1889) przedstawił inne wyjaśnienie negatywnego wyniku eksperymentu Michelsona-Morleya. W przeciwieństwie do Voigta, spekulował, że siły międzycząsteczkowe są prawdopodobnie pochodzenia elektrycznego, tak że ciała materialne kurczą się w linii ruchu ( skrócenie długości ). Wiązało się to z pracą Heaviside'a (1887), który stwierdził, że pola elektrostatyczne w ruchu są zdeformowane (Heaviside Ellipsoid), co prowadzi do nieoznaczonych fizycznie warunków przy prędkości światła. Jednak pomysł FitzGeralda pozostał szeroko nieznany i nie był dyskutowany przed opublikowaniem przez Olivera Lodge'a podsumowania pomysłu w 1892 roku. Również Lorentz (1892b) zaproponował skrócenie długości niezależnie od FitzGeralda w celu wyjaśnienia eksperymentu Michelsona-Morleya. Ze względów prawdopodobieństwa Lorentz odniósł się do analogii skrócenia pól elektrostatycznych. Jednak nawet Lorentz przyznał, że nie jest to konieczny powód, a skrócenie długości pozostaje hipotezą ad hoc .

Teoria elektronów Lorentza

Lorentz (1892a) stworzył podstawy teorii eteru Lorentza , zakładając istnienie elektronów, które oddzielił od eteru i zastępując równania „Maxwella-Hertza” równaniami „Maxwella-Lorentza”. W jego modelu eter jest całkowicie nieruchomy i, wbrew teorii Fresnela, również nie jest częściowo ciągnięty przez materię. Ważną konsekwencją tego poglądu było to, że prędkość światła jest całkowicie niezależna od prędkości źródła. Lorentz nie wypowiedział się na temat mechanicznej natury eteru i procesów elektromagnetycznych, ale odwrotnie, próbował wyjaśnić procesy mechaniczne za pomocą elektromagnetycznych i dlatego stworzył abstrakcyjny elektromagnetyczny eter. W ramach swojej teorii Lorentz obliczył, podobnie jak Heaviside, skrócenie pól elektrostatycznych. Lorentz (1895) wprowadził również to, co nazwał „Twierdzeniem odpowiadających stanów” dla warunków pierwszego rzędu w . Twierdzenie to mówi, że poruszający się obserwator (względem eteru) w swoim „fikcyjnym” polu dokonuje tych samych obserwacji, co obserwator w stanie spoczynku w swoim „rzeczywistym” polu. Ważną jego częścią był czas lokalny , który utorował drogę do transformacji Lorentza i który wprowadził niezależnie od Voigta. Za pomocą tej koncepcji Lorentz mógł również wyjaśnić aberrację światła , efekt Dopplera i eksperyment Fizeau. Jednak czas lokalny Lorentza był tylko pomocniczym narzędziem matematycznym upraszczającym transformację z jednego systemu do drugiego – to Poincaré w 1900 roku uznał, że „czas lokalny” jest w rzeczywistości wskazywany przez poruszające się zegary. Lorentz uznał również, że jego teoria narusza zasadę akcji i reakcji, ponieważ eter działa na materię, ale materia nie może działać na nieruchomy eter. ${\displaystyle \scriptstyle {v/c}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle {t'=t-vx/c ^ {2}}}$

Bardzo podobny model stworzył Joseph Larmor (1897, 1900). Larmor był pierwszym, który umieścił transformację Lorentza z 1895 roku w formie algebraicznie równoważnej współczesnym transformacjom Lorentza, jednak stwierdził, że jego transformacje zachowały formę równań Maxwella tylko do drugiego rzędu . Lorentz zauważył później, że te przekształcenia w rzeczywistości zachowały formę równań Maxwella dla wszystkich rzędów . Larmor zauważył przy tej okazji, że skrócenie długości wynikało z modelu; ponadto obliczył pewien sposób dylatacji czasu dla orbit elektronowych. Larmor sprecyzował swoje rozważania w 1900 i 1904 roku. Niezależnie od Larmora, także Lorentz (1899) rozszerzył swoją transformację o wyrazy drugiego rzędu i odnotował również (matematyczny) efekt dylatacji czasu. ${\displaystyle \scriptstyle {v/c}}$${\displaystyle \scriptstyle {v/c}}$

Inni fizycy oprócz Lorentza i Larmora również próbowali opracować spójny model elektrodynamiki. Na przykład Emil Cohn (1900, 1901) stworzył alternatywną elektrodynamikę, w której jako jeden z pierwszych odrzucił istnienie eteru (przynajmniej w poprzedniej formie) i używał, podobnie jak Ernst Mach , gwiazd stałych jako zamiast tego ramka odniesienia. Ze względu na niespójności w jego teorii, takie jak różne prędkości światła w różnych kierunkach, została ona zastąpiona przez Lorentza i Einsteina.

Masa elektromagnetyczna

Podczas opracowywania teorii Maxwella JJ Thomson (1881) zauważył, że ciała naładowane są trudniejsze do wprawienia w ruch niż ciała nienaładowane. Pola elektrostatyczne zachowują się tak, jakby dodawały „masę elektromagnetyczną” do mechanicznej masy ciał. Tzn. według Thomsona energia elektromagnetyczna odpowiada pewnej masie. Zostało to zinterpretowane jako pewna forma samoindukcyjności pola elektromagnetycznego. Zauważył też, że masa ciała w ruchu zwiększa się o stałą wielkość. Dzieło Thomsona kontynuowali i udoskonalali FitzGerald, Heaviside (1888) i George Frederick Charles Searle (1896, 1897). Dla masy elektromagnetycznej podali — we współczesnym zapisie — wzór , gdzie jest masą elektromagnetyczną, a jest energią elektromagnetyczną. Heaviside i Searle zauważyli również, że przyrost masy ciała nie jest stały i zmienia się wraz z jego prędkością. W konsekwencji Searle zauważył niemożliwość prędkości nadświetlnych, ponieważ do przekroczenia prędkości światła potrzebna byłaby nieskończona energia. Również dla Lorentza (1899) integracja zależności prędkości mas, którą uznał Thomson, była szczególnie ważna. Zauważył, że masa zmienia się nie tylko ze względu na prędkość, ale jest również zależna od kierunku, i wprowadził to, co Abraham nazwał później masą „wzdłużną” i „poprzeczną”. (Masa poprzeczna odpowiada temu, co później nazwano masą relatywistyczną .) ${\ Displaystyle \ scriptstyle {m = (4/3) E / c ^ {2}}}$${\displaystyle \scriptstyle {m}}$${\displaystyle \scriptstyle {E}}$

Wilhelm Wien (1900) założył (za pracami Thomsona, Heaviside'a i Searle'a), że cała masa ma pochodzenie elektromagnetyczne, co zostało sformułowane w kontekście, że wszystkie siły natury są siłami elektromagnetycznymi („Elektromagnetyczny światopogląd”). Wien stwierdził, że jeśli założymy, że grawitacja jest również efektem elektromagnetycznym, to musi istnieć proporcjonalność między energią elektromagnetyczną, masą bezwładności i masą grawitacyjną. W tym samym artykule Henri Poincaré (1900b) znalazł inny sposób połączenia pojęć masy i energii. Uznał, że energia elektromagnetyczna zachowuje się jak fikcyjny płyn o gęstości masy (lub ) i zdefiniował również fikcyjny elektromagnetyczny moment pędu. Doszedł jednak do paradoksu promieniowania, który został w pełni wyjaśniony przez Einsteina w 1905 roku. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {m = E / c ^ {2}}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle {E = mc ^ {2}}}$

Walter Kaufmann (1901-1903) jako pierwszy potwierdził zależność masy elektromagnetycznej od prędkości, analizując stosunek (gdzie jest ładunek i masa) promieni katodowych . Stwierdził, że wartość maleje wraz z prędkością, wykazując, że przy założeniu stałej ładunku masa elektronu wzrastała wraz z prędkością. Uważał również, że te eksperymenty potwierdziły założenie Wien, że nie ma „rzeczywistej” masy mechanicznej, a jedynie „pozorna” masa elektromagnetyczna, czyli innymi słowy, masa wszystkich ciał ma pochodzenie elektromagnetyczne. ${\displaystyle \scriptstyle {e/m}}$${\displaystyle \scriptstyle {e}}$${\displaystyle \scriptstyle {m}}$${\displaystyle \scriptstyle {e/m}}$

Max Abraham (1902-1904), który był zwolennikiem światopoglądu elektromagnetycznego, szybko przedstawił wyjaśnienie eksperymentów Kaufmanna poprzez wyprowadzenie wyrażeń na masę elektromagnetyczną. Wraz z tą koncepcją Abraham wprowadził (podobnie jak Poincaré w 1900 r.) pojęcie „pędu elektromagnetycznego”, który jest proporcjonalny do . Ale w przeciwieństwie do fikcyjnych wielkości wprowadzonych przez Poincaré, uważał je za rzeczywisty byt fizyczny. Abraham zauważył również (podobnie jak Lorentz w 1899), że ta masa również zależy od kierunku i ukuł nazwy masy „wzdłużna” i „poprzeczna”. W przeciwieństwie do Lorentza, nie włączył hipotezy skrócenia do swojej teorii i dlatego jego terminy dotyczące masy różniły się od tych Lorentza. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {E/c ^ {2}}}$

Opierając się na poprzedniej pracy o masie elektromagnetycznej, Friedrich Hasenöhrl zasugerował, że część masy ciała (którą nazwał masą pozorną) można traktować jako promieniowanie odbijające się wokół wnęki. „Pozorna masa” promieniowania zależy od temperatury (ponieważ każde ogrzane ciało emituje promieniowanie) i jest proporcjonalna do jego energii. Hasenöhrl stwierdził, że ta relacja energia-masa pozorna utrzymuje się tylko tak długo, jak ciało promieniuje, tj. jeśli temperatura ciała jest większa niż 0 K. Najpierw podał wyrażenie na masę pozorną; jednak Abraham i Hasenöhrl w 1905 zmienili wynik na , taką samą wartość jak dla masy elektromagnetycznej ciała w spoczynku. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {m = (8/3) E / c ^ {2}}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle {m = (4/3) E / c ^ {2}}}$

Absolutna przestrzeń i czas

Niektórzy naukowcy i filozofowie nauki krytykowali definicję absolutnej przestrzeni i czasu Newtona. Ernst Mach (1883) twierdził, że absolutny czas i przestrzeń są zasadniczo pojęciami metafizycznymi, a zatem naukowo pozbawionymi sensu, i zasugerował, że tylko ruch względny między ciałami materialnymi jest użytecznym pojęciem w fizyce. Mach argumentował, że nawet efekty, które według Newtona zależą od ruchu przyspieszonego względem przestrzeni bezwzględnej, takie jak obrót, można opisać wyłącznie w odniesieniu do ciał materialnych, a efekty bezwładności przytaczane przez Newtona na poparcie przestrzeni bezwzględnej mogą być zamiast tego powiązane czysto do przyspieszenia względem gwiazd stałych. Carl Neumann (1870) wprowadził „Ciało alfa”, które reprezentuje pewnego rodzaju sztywne i nieruchome ciało do definiowania ruchu bezwładności. Opierając się na definicji Neumanna, Heinrich Streintz (1883) twierdził, że w układzie współrzędnych, w którym żyroskopy nie mierzą żadnych oznak obrotu, ruch bezwładności jest powiązany z „podstawowym ciałem” i „podstawowym układem współrzędnych”. Ostatecznie Ludwig Lange (1885) jako pierwszy ukuł wyrażenie inercyjne ramy odniesienia i „inercyjna skala czasu” jako operacyjne zamienniki absolutnej przestrzeni i czasu; zdefiniował „ramę inercyjną” jako „ układ odniesienia, w którym punkt masy rzucony z tego samego punktu w trzech różnych (nie współpłaszczyznowych) kierunkach podąża prostoliniowymi ścieżkami za każdym razem, gdy jest rzucany ”. W 1902 Henri Poincaré opublikował zbiór esejów zatytułowany Science and Hypothesis , który zawierał: szczegółowe dyskusje filozoficzne na temat względności przestrzeni, czasu i konwencjonalności odległej równoczesności; przypuszczenie, że naruszenie zasady względności nigdy nie zostanie wykryte; możliwy nieistnienie eteru, wraz z kilkoma argumentami przemawiającymi za eterem; i wiele uwag na temat geometrii nieeuklidesowej i euklidesowej.

Były też próby wykorzystania czasu jako czwartego wymiaru . Dokonał tego już w 1754 r. Jean le Rond d'Alembert w Encyclopédie oraz niektórzy autorzy w XIX wieku, tacy jak HG Wells w jego powieści Wehikuł czasu (1895). W 1901 roku Menyhért Palágyi opracował filozoficzny model , w którym przestrzeń i czas były tylko dwiema stronami pewnego rodzaju „czasoprzestrzeni”. Wykorzystał czas jako wyimaginowany czwarty wymiar, któremu nadał formę (gdzie , czyli liczba urojona ). Jednak współrzędna czasowa Palagyi nie jest powiązana z prędkością światła. Odrzucił też jakikolwiek związek z istniejącymi konstrukcjami przestrzeni n- wymiarowych i geometrią nieeuklidesową, więc jego model filozoficzny ma niewiele wspólnego z fizyką czasoprzestrzeni, którą później rozwinął Minkowski. ${\displaystyle \scriptstyle {it}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle {i = {\ sqrt {-1}}}}$

Stałość światła i zasada ruchu względnego

W drugiej połowie XIX wieku podejmowano wiele prób stworzenia ogólnoświatowej sieci zegarów synchronizowanych sygnałami elektrycznymi. W tym celu należało wziąć pod uwagę skończoną prędkość propagacji światła, ponieważ sygnały synchronizacji nie mogły przemieszczać się szybciej niż prędkość światła.

W swoim artykule The Measure of Time (1898) Henri Poincaré opisał kilka ważnych konsekwencji tego procesu i wyjaśnił, że astronomowie, określając prędkość światła, po prostu założyli, że światło ma stałą prędkość i że prędkość ta jest taka sama we wszystkich kierunkach . Bez tego postulatu niemożliwe byłoby wywnioskowanie prędkości światła z obserwacji astronomicznych, tak jak zrobił to Ole Rømer na podstawie obserwacji księżyców Jowisza. Poincaré zauważył również, że prędkość propagacji światła może być (i w praktyce często jest) wykorzystywana do definiowania jednoczesności między przestrzennie oddzielonymi zdarzeniami:

Jednoczesność dwóch zdarzeń lub kolejność ich następstwa, równość dwóch czasów trwania, należy tak określić, aby wypowiedzenie praw naturalnych było możliwie najprostsze. Innymi słowy, wszystkie te reguły, wszystkie te definicje są tylko owocem nieświadomego oportunizmu.

W kilku innych pracach (1895, 1900b) Poincaré twierdził, że eksperymenty takie jak Michelson i Morley pokazują niemożność wykrycia bezwzględnego ruchu materii, tj. względnego ruchu materii w stosunku do eteru. Nazwał to „zasadą względnego ruchu”. W tym samym roku zinterpretował czas lokalny Lorentza jako wynik procedury synchronizacji opartej na sygnałach świetlnych . Założył, że dwóch obserwatorów poruszających się w eterze synchronizuje swoje zegary za pomocą sygnałów optycznych. Ponieważ uważają, że są w spoczynku, biorą pod uwagę tylko czas transmisji sygnałów, a następnie porównują swoje obserwacje, aby sprawdzić, czy ich zegary są synchroniczne. Z punktu widzenia obserwatora odpoczywającego w eterze zegary nie są synchroniczne i wskazują czas lokalny , ale obserwatorzy poruszający się nie rozpoznają tego, ponieważ nie są świadomi swojego ruchu. Tak więc, w przeciwieństwie do Lorentza, czas lokalny zdefiniowany przez Poincaré może być mierzony i wskazywany przez zegary. Dlatego w swojej rekomendacji Lorentza w sprawie Nagrody Nobla w 1902 r. Poincaré argumentował, że Lorentz przekonująco wyjaśnił negatywny wynik eksperymentów dryfu eteru, wymyślając „zmniejszony” lub „lokalny” czas, tj. współrzędną czasową, w której dwa zdarzenia w różne miejsca mogą wydawać się symultaniczne, chociaż w rzeczywistości nie są symultaniczne. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {t '= t-{vx} / {c ^ {2}}}}$

Podobnie jak Poincaré, Alfred Bucherer (1903) wierzył w słuszność zasady względności w dziedzinie elektrodynamiki, ale w przeciwieństwie do Poincarégo Bucherer zakładał nawet, że oznacza to nieistnienie eteru. Jednak teoria, którą stworzył później w 1906 roku, była błędna i niespójna, a transformacja Lorentza również była nieobecna w jego teorii.

Model Lorentza z 1904 r.

W swoim artykule Zjawiska elektromagnetyczne w układzie poruszającym się z dowolną prędkością mniejszą niż prędkość światła Lorentz (1904) podążał za sugestią Poincarégo i próbował stworzyć sformułowanie elektrodynamiki, które wyjaśnia niepowodzenie wszystkich znanych eksperymentów dryfu eteru, tj. ważność zasady względności. Próbował udowodnić przydatność transformacji Lorentza dla wszystkich zamówień, choć nie do końca mu się to udało. Podobnie jak Wien i Abraham, argumentował, że istnieje tylko masa elektromagnetyczna, a nie masa mechaniczna, i wyprowadził prawidłowe wyrażenie na masę podłużną i poprzeczną , które były zgodne z eksperymentami Kaufmanna (chociaż te eksperymenty nie były wystarczająco precyzyjne, aby rozróżnić teorie Lorentza i Abrahama). Używając pędu elektromagnetycznego, mógł wyjaśnić negatywny wynik eksperymentu Troutona-Noble'a , w którym naładowany kondensator o równoległych płytach poruszający się w eterze powinien orientować się prostopadle do ruchu. Można również wyjaśnić eksperymenty Rayleigha i Brace'a . Kolejnym ważnym krokiem był postulat, że transformacja Lorentza musi dotyczyć również sił nieelektrycznych.

W tym samym czasie, gdy Lorentz opracował swoją teorię, Wien (1903) dostrzegł ważną konsekwencję zależności masy od prędkości. Twierdził, że prędkości superluminalne są niemożliwe, ponieważ wymagałoby to nieskończonej ilości energii — to samo zauważyli już Thomson (1893) i Searle (1897). A w czerwcu 1904, po przeczytaniu pracy Lorentza z 1904, zauważył to samo w odniesieniu do skrócenia długości, ponieważ przy prędkościach nadświetlnych czynnik staje się urojony. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {1-{v ^ {2}} / {c ^ {2}}}}}$

Teoria Lorentza została skrytykowana przez Abrahama, który wykazał, że z jednej strony jest ona zgodna z zasadą względności, az drugiej strony zakłada elektromagnetyczne pochodzenie wszystkich sił. Abraham wykazał, że oba założenia są nie do pogodzenia, ponieważ w teorii skróconych elektronów Lorentza potrzebne były siły nieelektryczne, aby zagwarantować stabilność materii. Jednak w teorii sztywnego elektronu Abrahama takie siły nie były potrzebne. Powstało więc pytanie, czy elektromagnetyczna koncepcja świata (zgodna z teorią Abrahama) czy zasada względności (zgodna z teorią Lorentza) była poprawna.

We wrześniu 1904 r. w wykładzie w St. Louis, zatytułowanym The Principles of Mathematical Physics , Poincaré wyciągnął pewne konsekwencje z teorii Lorentza i zdefiniował (w modyfikacji zasady względności Galileusza i twierdzenia Lorentza o odpowiadających stanach) następującą zasadę: „ Zasada względności, zgodnie do którego prawa zjawisk fizycznych muszą być takie same dla obserwatora stacjonarnego, jak dla obserwatora niesionego ruchem jednostajnym postępowym, tak że nie mamy i nie możemy mieć żadnych środków do ustalenia, czy jesteśmy przewożeni, czy nie. Taki ruch. ” Określił również swoją metodę synchronizacji zegara i wyjaśnił możliwość „nowej metody” lub „nowej mechaniki”, w której żadna prędkość nie może przekroczyć prędkości światła dla wszystkich obserwatorów. Krytycznie zauważył jednak, że zasada względności, działanie i reakcja Newtona, zachowanie masy i zachowanie energii nie są w pełni ustalone, a nawet są zagrożone przez niektóre eksperymenty.

Również Emil Cohn (1904) nadal rozwijał swój alternatywny model (jak opisano powyżej), a porównując swoją teorię z teorią Lorentza, odkrył kilka ważnych fizycznych interpretacji transformacji Lorentza. Zilustrował (jak Joseph Larmor w tym samym roku) tę transformację za pomocą prętów i zegarów: Jeśli są w spoczynku w eterze, wskazują prawdziwą długość i czas, a jeśli się poruszają, wskazują wartości skurczone i rozszerzone. Podobnie jak Poincaré, Cohn zdefiniował czas lokalny jako czas oparty na założeniu izotropowej propagacji światła. W przeciwieństwie do Lorentza i Poincarégo Cohn zauważył, że w teorii Lorentza rozdzielenie współrzędnych „rzeczywistych” i „pozornych” jest sztuczne, ponieważ żaden eksperyment nie może ich rozróżnić. Jednak zgodnie z własną teorią Cohna wielkości przekształcone przez Lorentza byłyby ważne tylko dla zjawisk optycznych, podczas gdy zegary mechaniczne wskazywałyby czas „rzeczywisty”.

Dynamika Poincarego elektronu

5 czerwca 1905 Henri Poincaré przedstawił streszczenie pracy, która zamknęła istniejące luki w pracy Lorentza. (Ten krótki artykuł zawierał wyniki bardziej kompletnej pracy, która została opublikowana później, w styczniu 1906). Wykazał, że równania elektrodynamiki Lorentza nie były w pełni kowariancyjne Lorentza. Wskazał więc na grupową charakterystykę transformacji i poprawił formuły Lorentza na transformacje gęstości ładunku i gęstości prądu (zawierające implicite relatywistyczną formułę addycji prędkości , którą rozwinął w maju w liście do Lorentza). Poincaré po raz pierwszy użył terminu „transformacja Lorentza” i nadał transformacjom ich symetryczną formę używaną do dziś. Wprowadził nieelektryczną siłę wiążącą (tzw. „naprężenia Poincarego”), aby zapewnić stabilność elektronów i wyjaśnić skrócenie długości. Nakreślił także niezmienniczy model Lorentza (w tym fale grawitacyjne), rozszerzając ważność niezmienności Lorentza na siły nieelektryczne.

Ostatecznie Poincaré (niezależnie od Einsteina) ukończył znacznie rozszerzoną pracę swojej gazety czerwcowej (tzw. „gazeta z Palermo”, otrzymana 23 lipca, wydrukowana 14 grudnia, opublikowana w styczniu 1906). Mówił dosłownie o „postulacie względności”. Pokazał, że przekształcenia są konsekwencją zasady najmniejszego działania i rozwinął właściwości naprężeń Poincaré. Wykazał bardziej szczegółowo grupową charakterystykę transformacji, którą nazwał grupą Lorentza i wykazał, że kombinacja jest niezmienna. Opracowując swoją teorię grawitacyjną, powiedział, że transformacja Lorentza jest jedynie obrotem w czterowymiarowej przestrzeni wokół początku, wprowadzając jako czwartą współrzędną urojoną (w przeciwieństwie do Palagyi, uwzględnił prędkość światła) i już zastosował cztero- wektory . Napisał, że odkrycie promieni magnetokatodowych przez Paula Ulricha Villarda (1904) wydawało się zagrażać całej teorii Lorentza, ale problem ten został szybko rozwiązany. Jednak chociaż w swoich pismach filozoficznych Poincaré odrzucał idee absolutnej przestrzeni i czasu, w swoich pracach fizycznych nadal odwoływał się do (niewykrywalnego) eteru. Kontynuował także (1900b, 1904, 1906, 1908b) opisywanie współrzędnych i zjawisk jako lokalnych/pozornych (dla obserwatorów poruszających się) i prawdziwych/rzeczywistych (dla obserwatorów spoczywających w eterze). Tak więc, z kilkoma wyjątkami, większość historyków nauki twierdzi, że Poincaré nie wynalazł tego, co obecnie nazywa się szczególną teorią względności, chociaż przyznaje się, że Poincaré przewidział wiele metod i terminologii Einsteina. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {x ^ {2} + Y ^ {2} + z ^ {2} - C ^ {2} t ^ {2}}}$${\displaystyle \scriptstyle {ct{\sqrt {-1}}}}$

Szczególna teoria względności

Einstein 1905

Elektrodynamika ciał w ruchu

26 września 1905 r. (otrzymany 30 czerwca) Albert Einstein opublikował swój artykuł annus mirabilis na temat tego, co obecnie nazywa się szczególną teorią względności . Artykuł Einsteina zawiera fundamentalną nową definicję przestrzeni i czasu (wszystkie współrzędne czasu i przestrzeni we wszystkich układach odniesienia są na równej stopie, więc nie ma fizycznej podstawy do odróżnienia czasu „prawdziwego” od „pozornego”) i sprawia, że ​​eter staje się zbędny. koncepcji, przynajmniej w odniesieniu do ruchu bezwładności. Einstein zidentyfikował dwie fundamentalne zasady, zasadę względności i zasadę stałości światła ( zasada światła ), które służyły jako aksjomatyczna podstawa jego teorii. Aby lepiej zrozumieć krok Einsteina, należy przedstawić podsumowanie sytuacji przed 1905 r., jak opisano powyżej (należy zauważyć, że Einstein znał teorię Lorentza z 1895 r. oraz Naukę i hipotezę Poincarégo, ale nie ich artykuły z lat 1904-1905):

a ) Elektrodynamika Maxwella, przedstawiona przez Lorentza w 1895 roku, była wówczas teorią odnoszącą największe sukcesy. Tutaj prędkość światła jest stała we wszystkich kierunkach w nieruchomym eterze i całkowicie niezależna od prędkości źródła;

b ) Niemożność znalezienia absolutnego stanu ruchu, tj . słuszności zasady względności jako konsekwencja negatywnych wyników wszystkich eksperymentów dryfu eteru i efektów, takich jak problem poruszającego się magnesu i przewodnika, które zależą tylko od ruchu względnego;

c ) Eksperyment Fizeau ;

d ) Aberracja światła ;

z następującymi konsekwencjami dla prędkości światła i znanych wówczas teorii:

1. Prędkość światła nie składa się z prędkości światła w próżni i prędkości preferowanego układu odniesienia, według b . Jest to sprzeczne z teorią (prawie) nieruchomego eteru.
2. Prędkość światła nie składa się z prędkości światła w próżni i prędkości źródła światła przez a i c . Jest to sprzeczne z teorią emisji .
3. Prędkość światła nie składa się z prędkości światła w próżni i prędkości eteru, który byłby wciągnięty w materię lub w jej pobliżu przez a, c i d . To przeczy hipotezie całkowitego oporu eteru .
4. Prędkość światła w poruszającym się ośrodku nie składa się z prędkości światła, gdy ośrodek jest w spoczynku i prędkości ośrodka, ale jest określana przez współczynnik przeciągania Fresnela, przez c .

Aby zasada względności wymagana przez Poincarégo była dokładnym prawem natury w teorii eteru nieruchomego Lorentza, konieczne było wprowadzenie różnych hipotez ad hoc , takich jak hipoteza skrócenia, czas lokalny, naprężenia Poincarégo itp. .. Metoda ta była krytykowana przez wielu badaczy, gdyż założenie o zmowie efektów, które całkowicie uniemożliwiają odkrycie dryfu eteru, jest uważane za bardzo nieprawdopodobne, a naruszyłoby to również brzytwę Ockhama . Einstein jest uważany za pierwszego, który całkowicie zrezygnował z takich hipotez pomocniczych i wyciągnął bezpośrednie wnioski z przedstawionych powyżej faktów: zasada względności jest poprawna, a bezpośrednio obserwowana prędkość światła jest taka sama we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Opierając się na swoim aksjomatycznym podejściu, Einstein był w stanie wyprowadzić  na kilku stronach wszystkie wyniki uzyskane przez jego poprzedników – a ponadto wzory na relatywistyczny efekt Dopplera i relatywistyczną aberrację – podczas gdy przed 1905 r. jego konkurenci poświęcili lata długich, skomplikowanych pracować nad osiągnięciem tego samego matematycznego formalizmu. Przed 1905 Lorentz i Poincaré przyjęli te same zasady, jako konieczne do osiągnięcia ostatecznych rezultatów, ale nie uznali, że są one wystarczające w tym sensie, że nie było natychmiastowej logicznej potrzeby zakładania istnienia nieruchomego eteru w celu dotarcia w transformacji Lorentza. Inny powód wczesnego odrzucenia przez Einsteina eteru w jakiejkolwiek formie (który później częściowo wycofał) mógł być związany z jego pracą nad fizyką kwantową . Einstein odkrył, że światło można również opisać (przynajmniej heurystycznie) jako rodzaj cząstki, więc eter jako medium dla „fal” elektromagnetycznych (co było bardzo ważne dla Lorentza i Poincarégo) nie pasował już do jego schematu pojęciowego.

Warto zauważyć, że artykuł Einsteina nie zawiera bezpośrednich odniesień do innych artykułów. Jednak wielu historyków nauki, takich jak Holton, Miller, Stachel, próbowało znaleźć możliwe wpływy na Einsteina. Stwierdził, że na jego myślenie wpłynęli filozofowie empirycy David Hume i Ernst Mach . Jeśli chodzi o zasadę względności, problem poruszającego się magnesu i przewodnika (prawdopodobnie po przeczytaniu książki Augusta Föppla ) oraz różne eksperymenty z ujemnym dryfem eteru były dla niego ważne, aby zaakceptować tę zasadę — ale zaprzeczył jakiemukolwiek znaczącemu wpływowi najważniejszego eksperymentu: Eksperyment Michelsona-Morleya. Inne prawdopodobne wpływy to Science and Hypothesis Poincarégo, gdzie Poincaré przedstawił Zasadę Względności (która, jak donosi przyjaciel Einsteina, Maurice Solovine, była dokładnie badana i omawiana przez Einsteina i jego przyjaciół na przestrzeni lat przed publikacją książki Einsteina z 1905 roku). papieru) oraz pisma Maxa Abrahama , od którego zapożyczył terminy „równania Maxwella-Hertza” oraz „masa podłużna i poprzeczna”.

Jeśli chodzi o jego poglądy na elektrodynamikę i zasadę stałości światła, Einstein stwierdził, że teoria Lorentza z 1895 r. (lub elektrodynamika Maxwella-Lorentza), a także eksperyment Fizeau miały znaczny wpływ na jego myślenie. W latach 1909 i 1912 powiedział, że zapożyczył tę zasadę ze stacjonarnego eteru Lorentza (co implikuje słuszność równań Maxwella i stałość światła w układzie eteru), ale uznał, że zasada ta wraz z zasadą względności odnosi się do jakiegoś eter niepotrzebny (przynajmniej w opisie elektrodynamiki w układach inercjalnych). Jak pisał w 1907 r. i późniejszych pracach, pozorną sprzeczność między tymi zasadami można rozwiązać, jeśli przyjmie się, że czas lokalny Lorentza nie jest wielkością pomocniczą, ale można go po prostu zdefiniować jako czas i jest powiązany z prędkością sygnału . Przed Einsteinem Poincaré również opracował podobną fizyczną interpretację czasu lokalnego i zauważył związek z prędkością sygnału, ale w przeciwieństwie do Einsteina nadal twierdził, że zegary w spoczynku w nieruchomym eterze pokazują prawdziwy czas, podczas gdy zegary w ruchu bezwładnym względem czasu eter pokazuje tylko pozorny czas. Ostatecznie, pod koniec swojego życia, w 1953 roku, Einstein opisał zalety swojej teorii nad teorią Lorentza w następujący sposób (chociaż Poincaré stwierdził już w 1905, że niezmienniczość Lorentza jest dokładnym warunkiem każdej teorii fizycznej):

Nie ma wątpliwości, że szczególna teoria względności, jeśli spojrzymy na jej rozwój z perspektywy czasu, dojrzała do odkrycia w 1905 roku. wgląd jeszcze dalej. Jeśli chodzi o mnie, znałem tylko ważne dzieło Lorentza z 1895 roku [...], ale nie późniejszą pracę Lorentza, ani kolejne badania Poincarégo. W tym sensie moja praca z 1905 roku była niezależna. [..] Nowością było uświadomienie sobie faktu, że namiar transformacji Lorentza wykracza poza jej związek z równaniami Maxwella i dotyczy ogólnie natury przestrzeni i czasu. Kolejnym nowym wynikiem było stwierdzenie, że „niezmienność Lorentza” jest ogólnym warunkiem każdej teorii fizycznej. Miało to dla mnie szczególne znaczenie, ponieważ już wcześniej odkryłem, że teoria Maxwella nie wyjaśnia mikrostruktury promieniowania i dlatego nie może mieć ogólnej słuszności.

Równoważność masy i energii

Już w §10 swojego artykułu o elektrodynamice Einstein użył wzoru

${\ Displaystyle E_ {kin} = mc ^ {2} \ lewo ({\ Frac {1} {\ sqrt {1-{\ Frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}}}} - 1\prawo)}$

dla energii kinetycznej elektronu. Rozwijając to, opublikował artykuł (otrzymany 27 września, listopad 1905), w którym Einstein wykazał, że gdy ciało materialne traci energię (albo promieniowanie, albo ciepło) o wielkości E , jego masa zmniejsza się o wielkość E / c ² . Doprowadziło to do słynnego wzoru na równoważność masy i energii : E  =  mc ² . Einstein uważał, że równanie równoważności ma ogromne znaczenie, ponieważ pokazało, że masywna cząstka posiada energię, „energię spoczynkową”, różną od jej klasycznej energii kinetycznej i potencjalnej. Jak pokazano powyżej, wielu autorów przed Einsteinem doszło do podobnych wzorów (w tym współczynnika 4/3) na stosunek masy do energii. Jednak ich praca koncentrowała się na energii elektromagnetycznej, która (jak wiemy dzisiaj) reprezentuje tylko niewielką część całej energii w materii. A więc to Einstein był pierwszym, który: (a) przypisał tę relację wszystkim formom energii oraz (b) zrozumiał związek równoważności masy i energii z zasadą względności.

Wczesny odbiór

Pierwsze oceny

Walter Kaufmann (1905, 1906) był prawdopodobnie pierwszym, który odniósł się do twórczości Einsteina. Porównał teorie Lorentza i Einsteina i chociaż powiedział, że preferowana jest metoda Einsteina, argumentował, że obie teorie są obserwacyjnie równoważne. Dlatego mówił o zasadzie względności jako o podstawowym założeniu „Lorentza-Einsteina”. Wkrótce potem Max Planck (1906a) był pierwszym, który publicznie obronił teorię i zainteresował tym sformułowaniem swoich uczniów, Maxa von Laue i Kurda von Mosengeila . Opisał teorię Einsteina jako „uogólnienie” teorii Lorentza i tej „teorii Lorentza-Einsteina” nadał nazwę „teoria względna”; podczas gdy Alfred Bucherer zmienił nomenklaturę Plancka w powszechną obecnie „teorię względności” („ Einsteinsche Relativitätstheorie ”). Z drugiej strony sam Einstein i wielu innych nadal odwoływał się po prostu do nowej metody jako „zasady względności”. W ważnym artykule przeglądowym na temat zasady względności (1908a) Einstein opisał SR jako „połączenie teorii Lorentza i zasady względności”, w tym podstawowe założenie, że czas lokalny Lorentza można opisać jako czas rzeczywisty. (Jednak wkład Poincarégo był rzadko wspominany w pierwszych latach po 1905 r.) Wszystkie te wyrażenia (teoria Lorentza-Einsteina, zasada względności, teoria względności) były używane naprzemiennie przez różnych fizyków w następnych latach.

Po Plancku, inni niemieccy fizycy szybko zainteresowali się teorią względności, w tym Arnold Sommerfeld , Wilhelm Wien , Max Born , Paul Ehrenfest i Alfred Bucherer. von Laue, który dowiedział się o teorii od Plancka, opublikował w 1911 roku pierwszą ostateczną monografię na temat względności. W 1911 roku Sommerfeld zmienił swój plan wypowiadania się na temat względności na Kongresie Solvaya, ponieważ teoria była już uznana za dobrze ugruntowaną.

Eksperymenty Kaufmanna-Bucherera

Kaufmann (1905, 1906) ogłosił wyniki swoich nowych eksperymentów nad stosunkiem ładunku do masy, czyli zależnością masy od prędkości. Stanowiły one, jego zdaniem, wyraźne odrzucenie zasady względności i teorii Lorentza-Einsteina oraz potwierdzenie teorii Abrahama. Przez kilka lat eksperymenty Kaufmanna stanowiły ważki sprzeciw wobec zasady względności, choć krytykowali ją Planck i Adolf Bestelmeyer (1906). Za Kaufmannem inni fizycy, tacy jak Alfred Bucherer (1908) i Günther Neumann (1914), również badali zależność masy od prędkości i tym razem uważano, że „teoria Lorentza-Einsteina” i zasada względności zostały potwierdzone, a teoria Abrahama obalony. Jednak później zwrócono uwagę, że eksperymenty Kaufmanna-Bucherera-Neumanna wykazały jedynie jakościowy wzrost masy poruszających się elektronów, ale nie były wystarczająco precyzyjne, aby odróżnić modele Lorentza-Einsteina i Abrahama. Trwało to do 1940 roku, kiedy tego rodzaju eksperymenty powtórzono z wystarczającą dokładnością, aby potwierdzić wzór Lorentza–Einsteina. Jednak ten problem wystąpił tylko przy tego rodzaju eksperymencie. Badania z konstrukcji cienkiej z linii wodoru już w 1917 roku, pod warunkiem jednoznaczne potwierdzenie o wzorze Lorentza-Einsteina i odrzucenia teorii Abraham.

Relatywistyczny pęd i masa

Planck (1906a) zdefiniował relatywistyczny pęd i podał prawidłowe wartości dla masy podłużnej i poprzecznej, korygując niewielki błąd w wyrażeniu Einsteina w 1905 r. Wyrażenia Plancka były w zasadzie równoważne z tymi użytymi przez Lorentza w 1899 r. Na podstawie W pracy Plancka koncepcja masy relatywistycznej została rozwinięta przez Gilberta Newtona Lewisa i Richarda C. Tolmana (1908, 1909), definiując masę jako stosunek pędu do prędkości. Tak więc starsza definicja masy podłużnej i poprzecznej, w której masa była definiowana jako stosunek siły do ​​przyspieszenia, stała się zbędna. Wreszcie Tolman (1912) interpretować masy relatywistycznej po prostu jak na masę ciała. Jednak wiele współczesnych podręczników teorii względności nie używa już pojęcia masy relatywistycznej, a masa w szczególnej teorii względności jest uważana za wielkość niezmienną.

Masa i energia

Einstein (1906) wykazał, że bezwładność energii (równoważność masy i energii) jest warunkiem koniecznym i wystarczającym zachowania twierdzenia o środku masy . Przy tej okazji zauważył, że formalna treść matematyczna artykułu Poincarégo na temat środka masy (1900b) i jego własnego artykułu były zasadniczo takie same, chociaż fizyczna interpretacja była inna w świetle teorii względności.

Kurd von Mosengeil (1906), rozszerzając obliczenia Hasenöhrla na promieniowanie ciała doskonale czarnego we wnęce, wyprowadził to samo wyrażenie na dodatkową masę ciała spowodowaną promieniowaniem elektromagnetycznym, co Hasenöhrl. Pomysł Hasenöhrla polegał na tym, że masa ciał zawierała wkład pola elektromagnetycznego, wyobrażał sobie ciało jako wnękę zawierającą światło. Jego związek między masą a energią, podobnie jak wszystkie inne przed-Einsteinowskie, zawierał nieprawidłowe prefaktory liczbowe (patrz Masa elektromagnetyczna ). Ostatecznie Planck (1907) wyprowadził ogólnie równoważność masy i energii w ramach szczególnej teorii względności , w tym sił wiążących w materii. Uznał priorytet pracy Einsteina z 1905 roku na temat , ale Planck uznał swoje podejście za bardziej ogólne niż Einsteina. ${\ Displaystyle E = mc ^ {2}}$

Eksperymenty Fizeau i Sagnac

Jak wyjaśniono powyżej, już w 1895 roku Lorentzowi udało się wyprowadzić współczynnik przeciągania Fresnela (do pierwszego rzędu v/c) oraz eksperyment Fizeau , wykorzystując teorię elektromagnetyczną i koncepcję czasu lokalnego. Po pierwszych próbach Jakoba Lauba (1907) stworzenia relatywistycznej „optyki ciał w ruchu”, to Max von Laue (1907) wyprowadził współczynnik dla wyrazów wszystkich rzędów przy użyciu koliniowego przypadku relatywistycznego prawa dodawania prędkości. Ponadto obliczenia Laue były znacznie prostsze niż skomplikowane metody stosowane przez Lorentza.

W 1911 roku Laue omówił również sytuację, w której na platformie wiązka światła jest rozdzielona i obie wiązki poruszają się po trajektorii w przeciwnych kierunkach. Po powrocie do punktu wejścia światło może opuścić platformę w taki sposób, że uzyskuje się wzór interferencji. Laue obliczył przemieszczenie wzorca interferencji, jeśli platforma się obraca – ponieważ prędkość światła jest niezależna od prędkości źródła, więc jedna wiązka pokonała mniejszą odległość niż druga. Eksperyment tego rodzaju przeprowadził Georges Sagnac w 1913 roku, który faktycznie zmierzył przemieszczenie wzoru interferencyjnego ( efekt Sagnaca ). Podczas gdy sam Sagnac doszedł do wniosku, że jego teoria potwierdza teorię spoczynku eteru, wcześniejsze obliczenia Laue wykazały, że jest ona zgodna również ze szczególną teorią względności, ponieważ w obu teoriach prędkość światła jest niezależna od prędkości źródła. Efekt ten można rozumieć jako elektromagnetyczny odpowiednik mechaniki rotacji, na przykład w analogii do wahadła Foucaulta . Już w latach 1909–11 Franz Harress (1912) przeprowadził eksperyment, który można uznać za syntezę eksperymentów Fizeau i Sagnaca. Próbował zmierzyć współczynnik przeciągania w szkle. W przeciwieństwie do Fizeau użył urządzenia obrotowego, dzięki czemu uzyskał ten sam efekt, co Sagnac. Chociaż sam Harress źle zrozumiał znaczenie wyniku, Laue wykazał, że teoretyczne wyjaśnienie eksperymentu Harressa jest zgodne z efektem Sagnaca. Ostatecznie eksperyment Michelsona-Gale-Pearsona (1925, odmiana eksperymentu Sagnaca) wskazał prędkość kątową samej Ziemi zgodnie ze szczególną teorią względności i spoczynkowym eterem.

Względność równoczesności

Uproszczono także pierwsze wyprowadzenia względności jednoczesności poprzez synchronizację z sygnałami świetlnymi. Daniel Frost Comstock (1910) umieścił obserwatora pośrodku pomiędzy dwoma zegarami A i B. Od tego obserwatora sygnał wysyłany jest do obu zegarów iw ramce, w której A i B są w spoczynku, synchronicznie zaczynają działać. Ale z perspektywy układu, w którym poruszają się A i B, najpierw wprawiany jest zegar B, a potem zegar A – a więc zegary nie są zsynchronizowane. Również Einstein (1917) stworzył model z obserwatorem pośrodku między A i B. Jednak w jego opisie dwa sygnały są wysyłane z A i B do obserwatora na pokładzie jadącego pociągu. Z perspektywy kadru, w którym A i B są w spoczynku, sygnały wysyłane są w tym samym czasie, a obserwator „ pędzi w kierunku wiązki światła wychodzącego z B, jadąc dalej przed wiązką światła nadchodzącą od A. Stąd obserwator zobaczy wiązkę światła wyemitowaną z B wcześniej niż zobaczy wiązkę światła wyemitowaną przez A. Obserwatorzy, którzy jadą pociągiem kolejowym jako ciało odniesienia, muszą zatem dojść do wniosku, że wyładowanie B nastąpiło wcześniej niż błyskawica A. ”

Fizyka czasoprzestrzeni

Czasoprzestrzeń Minkowskiego

Próba czterowymiarowego przeformułowania nowej mechaniki przez Poincaré nie była kontynuowana przez niego samego, więc to Hermann Minkowski (1907) opracował konsekwencje tego pojęcia (inne wkłady wnieśli Roberto Marcolongo (1906) i Richard Hargreaves ( 1908)). To była oparta na pracy wielu matematyków w wieku 19 jak Arthur Cayley , Felix Klein czy William Kingdon Clifford , którzy przyczynili się do teorii grup , teorii niezmiennego i geometrii rzutowej , formułowanie pojęć takich jak Cayley-Klein metryczny lub na hiperboloidę modelu w którym interwał i jego niezmienność zdefiniowano w kategoriach geometrii hiperbolicznej . Posługując się podobnymi metodami, Minkowskiemu udało się sformułować geometryczną interpretację transformacji Lorentza. Ukończył na przykład koncepcję czterech wektorów ; stworzył diagram Minkowskiego do przedstawienia czasoprzestrzeni; jako pierwszy użył wyrażeń takich jak linia świata , czas właściwy , niezmienność/kowariancja Lorentza itp.; a przede wszystkim przedstawił czterowymiarowe sformułowanie elektrodynamiki. Podobnie jak Poincaré, próbował sformułować niezmiennicze prawo grawitacji Lorentza, ale praca ta została później zastąpiona opracowaniami Einsteina na temat grawitacji. ${\displaystyle x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}-x_{4}^{2}}$

W 1907 Minkowski wymienił czterech poprzedników, którzy przyczynili się do sformułowania zasady względności: Lorentza, Einsteina, Poincarégo i Plancka. A w swoim słynnym wykładzie Przestrzeń i czas (1908) wymienił Voigta, Lorentza i Einsteina. Sam Minkowski uważał teorię Einsteina za uogólnienie teorii Lorentza i przypisywał Einsteinowi pełne stwierdzenie względności czasu, ale krytykował swoich poprzedników za niepełne rozwinięcie względności przestrzeni. Współcześni historycy nauki twierdzą jednak, że pretensja Minkowskiego do pierwszeństwa nie była uzasadniona, ponieważ Minkowski (podobnie jak Wien czy Abraham) trzymał się elektromagnetycznego obrazu świata i najwyraźniej nie do końca rozumiał różnicę między teorią elektronów Lorentza a kinematykami Einsteina. W 1908 Einstein i Laub odrzucili czterowymiarową elektrodynamikę Minkowskiego jako nadmiernie skomplikowaną „wyuczoną zbędność” i opublikowali „bardziej elementarne”, nie czterowymiarowe wyprowadzenie podstawowych równań dla poruszających się ciał. Ale to geometryczny model Minkowskiego (a) wykazał, że szczególna teoria względności jest kompletną i wewnętrznie spójną teorią, (b) dodał niezmienny właściwy przedział czasu Lorentza (który uwzględnia rzeczywiste odczyty pokazywane przez poruszające się zegary) i ( c) służył jako podstawa do dalszego rozwoju teorii względności. W końcu Einstein (1912) uznał wagę geometrycznego modelu czasoprzestrzeni Minkowskiego i wykorzystał go jako podstawę swojej pracy nad podstawami ogólnej teorii względności .

Dzisiaj szczególna teoria względności jest postrzegana jako zastosowanie algebry liniowej , ale w czasie, gdy szczególna teoria względności była rozwijana, dziedzina algebry liniowej była jeszcze w powijakach. Nie było podręczników na temat algebry liniowej jako współczesnej teorii przestrzeni wektorowej i transformacji, a notacja macierzowa Arthura Cayleya (która ujednolica przedmiot) nie weszła jeszcze do powszechnego użytku. Notacja macierzowa Cayley'a została wykorzystana przez Minkowskiego (1908) do formułowania elektrodynamiki relatywistycznej, chociaż później została zastąpiona przez Sommerfelda stosującego notację wektorową. Według niedawnego źródła transformacje Lorentza są równoważne obrotom hiperbolicznym . Jednak Varicak (1910) wykazał, że standardowa transformacja Lorentza jest translacją w przestrzeni hiperbolicznej.

Notacja wektorowa i systemy zamknięte

Formalizm czasoprzestrzenny Minkowskiego został szybko zaakceptowany i dalej rozwijany. Na przykład Arnold Sommerfeld (1910) zastąpił notację macierzową Minkowskiego eleganckim zapisem wektorowym i ukuł terminy „cztery wektory” i „sześć wektorów”. Wprowadził również trygonometryczne sformułowanie relatywistycznej reguły dodawania prędkości, które według Sommerfelda usuwa wiele dziwności tego pojęcia. Inny ważny wkład wniósł Laue (1911, 1913), który wykorzystał formalizm czasoprzestrzeni do stworzenia relatywistycznej teorii ciał odkształcalnych i teorii cząstek elementarnych. Rozszerzył wyrażenia Minkowskiego na procesy elektromagnetyczne na wszystkie możliwe siły, wyjaśniając w ten sposób pojęcie równoważności masy i energii. Laue wykazał również, że siły nieelektryczne są potrzebne do zapewnienia właściwych właściwości transformacji Lorentza i stabilności materii – mógł wykazać, że „naprężenia Poincarégo” (jak wspomniano powyżej) są naturalną konsekwencją teorii względności, tak że elektron może być systemem zamkniętym.

Transformacja Lorentza bez drugiego postulatu

Próbowano wyprowadzić transformację Lorentza bez postulatu stałości prędkości światła. Władimir Ignatowski (1910) użył w tym celu np. (a) zasady względności, (b) jednorodności i izotropii przestrzeni oraz (c) wymogu wzajemności. Philipp Frank i Hermann Rothe (1911) argumentowali, że to wyprowadzenie jest niekompletne i wymaga dodatkowych założeń. Własne obliczenia opierały się na założeniu, że: (a) transformacja Lorentza tworzy jednorodną grupę liniową, (b) przy zmianie ramek zmienia się tylko znak prędkości względnej, (c) skrócenie długości zależy wyłącznie od prędkości względnej. Jednak według Pauliego i Millera takie modele nie wystarczały do ​​utożsamienia niezmiennej prędkości w ich transformacji z prędkością światła — np. Ignatowski zmuszony był szukać w elektrodynamice odwoływania się do prędkości światła. Tak więc Pauli i inni argumentowali, że oba postulaty są potrzebne do wyprowadzenia transformacji Lorentza. Jednak do dziś inni kontynuowali próby wyprowadzenia szczególnej teorii względności bez postulatu światła.

Formuły nieeuklidesowe bez urojonej współrzędnej czasowej

Minkowski we wcześniejszych pracach z lat 1907 i 1908 podążał za Poincaré, przedstawiając razem przestrzeń i czas w złożonej formie (x,y,z,ict), podkreślając formalne podobieństwo do przestrzeni euklidesowej. Zauważył, że czasoprzestrzeń jest w pewnym sensie czterowymiarową nieeuklidesową rozmaitością. Sommerfeld (1910) wykorzystał złożoną reprezentację Minkowskiego do połączenia niewspółliniowych prędkości za pomocą geometrii sferycznej i wyprowadził w ten sposób wzór addycji Einsteina. Kolejni autorzy, głównie Varićak , zrezygnowali z wyobrażonej współrzędnej czasowej i pisali w formie wyraźnie nieeuklidesowej (tj. Łobaczewskiego), przeformułowując relatywizm, używając pojęcia szybkości, wprowadzonego wcześniej przez Alfreda Robba (1911); Edwin Bidwell Wilson i Gilbert N. Lewis (1912) wprowadzili notację wektorową dla czasoprzestrzeni; Émile Borel (1913) pokazał, jak transport równoległy w przestrzeni nieeuklidesowej stanowi kinematyczną podstawę precesji Thomasa dwanaście lat przed jej eksperymentalnym odkryciem przez Thomasa; Takie metody stosowali również Felix Klein (1910) i Ludwik Silberstein (1914). Pewien historyk twierdzi, że styl nieeuklidesowy miał niewiele do pokazania „w drodze twórczej mocy odkrywczej”, ale w niektórych przypadkach oferował korzyści notacyjne, zwłaszcza w prawie dodawania prędkości. (Tak więc w latach przed I wojną światową akceptacja stylu nieeuklidesowego była w przybliżeniu równa początkowemu formalizmowi czasoprzestrzeni i nadal była stosowana w podręcznikach teorii względności z XX wieku.

Dylatacja czasu i paradoks bliźniąt

Einstein (1907a) zaproponował metodę wykrywania poprzecznego efektu Dopplera jako bezpośredniej konsekwencji dylatacji czasu. I faktycznie, efekt ten został zmierzony w 1938 roku przez Herberta E. Ivesa i GR Stilwella ( eksperyment Ives-Stilwell ). Lewis i Tolman (1909) opisali wzajemność dylatacji czasu , używając dwóch zegarów świetlnych A i B, poruszających się z określoną prędkością względną. Zegary składają się z dwóch płaskich luster równoległych do siebie i do linii ruchu. Między lustrami odbija się sygnał świetlny, a dla obserwatora spoczywającego w tej samej ramce odniesienia co A, okres zegara A to odległość między lustrami podzielona przez prędkość światła. Ale jeśli obserwator spojrzy na zegar B, zobaczy, że w tym zegarze sygnał podąża dłuższą, pod kątem drogę, przez co zegar B jest wolniejszy niż A. Jednak dla obserwatora poruszającego się wraz z B sytuacja jest całkowicie odwrotna: Zegar B jest szybszy, a A wolniej. Również Lorentz (1910–1912) omawiał wzajemność dylatacji czasu i analizował „paradoks zegara”, który najwyraźniej występuje jako konsekwencja wzajemności dylatacji czasu. Lorentz pokazał, że nie ma paradoksu, jeśli weźmie się pod uwagę, że w jednym systemie używany jest tylko jeden zegar, podczas gdy w drugim potrzebne są dwa zegary, a względność równoczesności jest w pełni uwzględniona.

Podobną sytuację stworzył Paul Langevin w 1911 r. z tym, co później nazwano „ paradoksem bliźniaczym ”, w którym zastąpił zegary przez osoby (Langevin nigdy nie używał słowa „bliźniaki”, ale jego opis zawierał wszystkie inne cechy paradoksu). Langevin rozwiązał ten paradoks, nawiązując do faktu, że jeden z bliźniąt przyspiesza i zmienia kierunek, więc Langevin mógł wykazać, że symetria jest zepsuta, a przyspieszony bliźniak jest młodszy. Jednak sam Langevin zinterpretował to jako wskazówkę co do istnienia eteru. Chociaż wyjaśnienie Langevina jest nadal akceptowane przez niektórych, jego wnioski dotyczące eteru nie zostały ogólnie przyjęte. Laue (1913) zwrócił uwagę, że każde przyspieszenie może być dowolnie małe w stosunku do ruchu bezwładności bliźniaka, a prawdziwym wyjaśnieniem jest to, że jeden z bliźniaków podczas swojej podróży jest w spoczynku w dwóch różnych układach bezwładności, podczas gdy drugi bliźniak jest w stanie spoczynku. w spoczynku w pojedynczej ramie bezwładnościowej. Laue był również pierwszym, który przeanalizował sytuację w oparciu o model czasoprzestrzeni Minkowskiego dla szczególnej teorii względności – pokazując, jak linie świata bezwładnie poruszających się ciał maksymalizują właściwy czas, jaki upłynął między dwoma zdarzeniami.

Przyśpieszenie

Einstein (1908) próbował – na wstępie w ramach szczególnej teorii względności – włączyć do zasady względności również ramy przyspieszone. W trakcie tej próby uznał, że dla każdego pojedynczego momentu rozpędzania ciała można określić bezwładnościowy układ odniesienia, w którym rozpędzone ciało chwilowo znajduje się w spoczynku. Wynika z tego, że w tak zdefiniowanych klatkach przyspieszonych zastosowanie stałości prędkości światła do określenia jednoczesności ograniczone jest do małych miejscowości. Jednak zastosowana przez Einsteina w toku tych badań zasada równoważności , wyrażająca równość masy bezwładności i grawitacji oraz równoważność układów przyspieszonych i jednorodnych pól grawitacyjnych, przekroczyła granice szczególnej teorii względności i doprowadziła do sformułowania ogólnego względność.

Niemal równocześnie z Einsteinem także Minkowski (1908) rozważał szczególny przypadek jednostajnych przyspieszeń w ramach swojego formalizmu czasoprzestrzennego. Uznał, że linia świata tak przyspieszonego ciała odpowiada hiperboli . Pojęcie to zostało dalej rozwinięte przez Borna (1909) i Sommerfelda (1910), przy czym Born wprowadził wyrażenie „ ruch hiperboliczny ”. Zauważył, że jednolite przyspieszenie może być użyte jako przybliżenie dla dowolnej formy przyspieszenia w szczególnej teorii względności . Ponadto Harry Bateman i Ebenezer Cunningham (1910) wykazali, że równania Maxwella są niezmiennicze w znacznie szerszej grupie transformacji niż grupa Lorentza, tj. transformacje fal sferycznych , będące formą transformacji konforemnych . Pod wpływem tych przekształceń równania zachowują swoją postać dla niektórych typów ruchów przyspieszonych. Ogólne kowariantne sformułowanie elektrodynamiki w przestrzeni Minkowskiego zostało ostatecznie podane przez Friedricha Kottlera (1912), dzięki czemu jego sformułowanie jest również ważne dla ogólnej teorii względności. Jeśli chodzi o dalszy rozwój opisu ruchu przyspieszonego w szczególnej teorii względności, należy wspomnieć o pracach Langevina i innych dotyczących układów obrotowych ( współrzędne Borna ) oraz Wolfganga Rindlera i innych dla układów jednostajnych przyspieszonych ( współrzędne Rindlera ).

Sztywne korpusy i paradoks Ehrenfest

Einstein (1907b) omawiał kwestię, czy w ciałach sztywnych, jak również we wszystkich innych przypadkach, prędkość informacji może przekraczać prędkość światła i wyjaśniał, że w tych warunkach informacja może być przekazywana w przeszłość, a zatem przyczynowość byłaby być naruszone. Ponieważ jest to radykalnie sprzeczne z każdym doświadczeniem, uważa się, że prędkości superluminalne są niemożliwe. Dodał, że w ramach SR musi powstać dynamika ciała sztywnego . Ostatecznie Max Born (1909) w ramach swojej wyżej wspomnianej pracy dotyczącej ruchu przyspieszonego próbował włączyć pojęcie ciał sztywnych do SR. Jednak Paul Ehrenfest (1909) wykazał, że koncepcja Borna prowadzi do tzw. paradoksu Ehrenfesta , w którym ze względu na skrócenie długości obwód wirującego dysku ulega skróceniu, a promień pozostaje ten sam. Pytanie to rozważali także Gustav Herglotz (1910), Fritz Noether (1910) i von Laue (1911). Laue uznał, że klasyczna koncepcja nie ma zastosowania w SR, ponieważ „sztywne” ciało posiada nieskończenie wiele stopni swobody . Jednak chociaż definicja Borna nie miała zastosowania do ciał sztywnych, była bardzo użyteczna przy opisywaniu ruchów sztywnych ciał. W związku z paradoksem Ehrenfesta dyskutowano również ( Vladimir Varićak i inni), czy skrócenie długości jest „rzeczywiste” czy „pozorne” i czy istnieje różnica między dynamicznym skróceniem Lorentza a kinematycznym skróceniem Einsteina. Był to jednak raczej spór o słowa, ponieważ, jak powiedział Einstein, kinematyczne skrócenie długości jest „pozorne” dla współruchomego obserwatora, ale dla obserwatora w spoczynku jest „rzeczywiste”, a konsekwencje są wymierne.

Akceptacja szczególnej teorii względności

Planck w 1909 porównał implikacje nowoczesnej zasady względności — odniósł się w szczególności do względności czasu — z rewolucją systemu kopernikańskiego. Ważnym czynnikiem przyjęcia szczególnej teorii względności przez fizyków było jej rozwinięcie przez Minkowskiego w teorię czasoprzestrzeni. W rezultacie około 1911 roku większość fizyków teoretycznych zaakceptowała szczególną teorię względności. W 1912 Wilhelm Wien zarekomendował Lorentza (za ramy matematyczne) i Einsteina (za sprowadzenie go do prostej zasady) do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki  – chociaż komitet noblowski postanowił nie przyznawać tej nagrody za szczególną teorię względności. Tylko mniejszość fizyków teoretycznych, takich jak Abraham, Lorentz, Poincaré czy Langevin, wciąż wierzyła w istnienie eteru. Einstein później (1918–1920) określił swoje stanowisko argumentując, że można mówić o relatywistycznym eterze, ale nie można do niego zastosować „idei ruchu”. Lorentz i Poincare zawsze twierdzili, że ruch w eterze jest niewykrywalny. Einstein użył wyrażenia „specjalna teoria względności” w 1915 roku, aby odróżnić je od ogólnej teorii względności.

teorie relatywistyczne

Grawitacja

Pierwszą próbę sformułowania relatywistycznej teorii grawitacji podjął Poincaré (1905). Próbował zmodyfikować prawo grawitacji Newtona tak, aby przybrało formę kowariantną Lorentza. Zauważył, że istnieje wiele możliwości dla prawa relatywistycznego i omówił dwie z nich. Poincaré wykazał, że argument Pierre-Simona Laplace'a , który twierdził, że prędkość grawitacji jest wielokrotnie większa niż prędkość światła, nie jest słuszny w teorii relatywistycznej. Oznacza to, że w relatywistycznej teorii grawitacji orbity planet są stabilne nawet wtedy, gdy prędkość grawitacji jest równa prędkości światła. Podobne modele do modelu Poincarégo omawiali Minkowski (1907b) i Sommerfeld (1910). Jednak Abraham (1912) wykazał, że modele te należą do klasy „wektorowych teorii” grawitacji. Fundamentalną wadą tych teorii jest to, że zawierają one domyślnie ujemną wartość energii grawitacyjnej w sąsiedztwie materii, co naruszałoby zasadę energii. Jako alternatywę Abraham (1912) i Gustav Mie (1913) zaproponowali różne „teorie skalarne” grawitacji. Chociaż Mie nigdy nie sformułował swojej teorii w spójny sposób, Abraham całkowicie zrezygnował z koncepcji kowariancji Lorentza (nawet lokalnie), a zatem była nie do pogodzenia z teorią względności.

Ponadto wszystkie te modele naruszały zasadę równoważności, a Einstein twierdził, że niemożliwe jest sformułowanie teorii, która jest zarówno kowariantna Lorentza, jak i spełnia zasadę równoważności. Jednak Gunnar Nordström (1912, 1913) potrafił stworzyć model spełniający oba warunki. Udało się to osiągnąć, uzależniając zarówno masę grawitacyjną, jak i bezwładną od potencjału grawitacyjnego. Teoria grawitacji Nordströma była godna uwagi, ponieważ Einstein i Adriaan Fokker (1914) wykazali , że w tym modelu grawitację można całkowicie opisać w kategoriach krzywizny czasoprzestrzeni. Chociaż teoria Nordströma nie ma sprzeczności, z punktu widzenia Einsteina nadal istnieje fundamentalny problem: nie spełnia ważnego warunku ogólnej kowariancji, ponieważ w tej teorii wciąż można sformułować preferowane układy odniesienia. Tak więc w przeciwieństwie do tych „teorii skalarnych”, Einstein (1911–1915) opracował „teorię tensorową” (tj. ogólną teorię względności ), która spełnia zarówno zasadę równoważności, jak i ogólną kowariancję. W konsekwencji należało zrezygnować z koncepcji pełnej „specjalnej relatywistycznej” teorii grawitacji, ponieważ w ogólnej teorii względności stałość prędkości światła (i kowariancja Lorentza) jest ważna tylko lokalnie. Decyzja między tymi modelami została podjęta przez Einsteina, kiedy był w stanie dokładnie wyprowadzić precesję peryhelium Merkurego , podczas gdy inne teorie dały błędne wyniki. Ponadto tylko teoria Einsteina podała prawidłową wartość odchylenia światła w pobliżu Słońca.

Kwantowa teoria pola

Potrzeba połączenia teorii względności i mechaniki kwantowej była jedną z głównych motywacji rozwoju kwantowej teorii pola . Pascual Jordan i Wolfgang Pauli wykazali w 1928 roku, że pola kwantowe mogą być relatywistyczne, a Paul Dirac stworzył równanie Diraca dla elektronów i tym samym przewidział istnienie antymaterii .

Wiele innych dziedzin zostało od tego czasu przeformułowanych za pomocą relatywistycznych zabiegów: relatywistyczna termodynamika , relatywistyczna mechanika statystyczna , relatywistyczna hydrodynamika , relatywistyczna chemia kwantowa , relatywistyczne przewodzenie ciepła itp.

Dowody eksperymentalne

Ważne początku doświadczenia potwierdzające szczególną względność jak wspomniano powyżej były takie eksperyment Fizeau The eksperyment Michelsona Morley , że eksperymenty Kaufmann-Bucherer-Neumann The Trouton Noble eksperymentu , że eksperymenty Rayleigha i Brace , a eksperyment Trouton-Rankine'a .

W latach dwudziestych przeprowadzono serię eksperymentów typu Michelsona-Morleya , które potwierdziły względność z jeszcze większą precyzją niż oryginalny eksperyment. Innym rodzajem eksperymentu interferometrycznego był eksperyment Kennedy'ego-Thorndike'a z 1932 roku, w którym potwierdzono niezależność prędkości światła od prędkości aparatu. Również dylatację czasu zmierzono bezpośrednio w eksperymencie Ives-Stilwell w 1938 r. oraz mierząc tempo rozpadu poruszających się cząstek w 1940 r. Wszystkie te eksperymenty zostały powtórzone kilkakrotnie z większą precyzją. Ponadto w wielu testach relatywistycznej energii i pędu zmierzono, że prędkość światła jest nieosiągalna dla masywnych ciał . Dlatego znajomość tych relatywistycznych efektów jest wymagana przy budowie akceleratorów cząstek .

W 1962 JG Fox zwrócił uwagę, że wszystkie dotychczasowe eksperymentalne testy stałości prędkości światła były przeprowadzane przy użyciu światła, które przeszło przez nieruchomy materiał: szkło, powietrze lub niepełną próżnię przestrzeni kosmicznej. W rezultacie wszyscy podlegali skutkom twierdzenia o wygaśnięciu . Sugerowało to, że mierzone światło miałoby inną prędkość niż oryginalne źródło. Doszedł do wniosku, że prawdopodobnie nie ma jeszcze akceptowalnego dowodu drugiego postulatu szczególnej teorii względności. Ta zaskakująca luka w zapisie eksperymentalnym została szybko zlikwidowana w następnych latach dzięki eksperymentom Foxa i Alvagera et al., którzy wykorzystywali promienie gamma pochodzące z mezonów o wysokiej energii. Wysokie poziomy energii mierzonych fotonów, wraz z bardzo dokładnym uwzględnieniem efektów ekstynkcji, wyeliminowały wszelkie istotne wątpliwości z ich wyników.

Przeprowadzono wiele innych testów szczególnej teorii względności, testując możliwe naruszenia niezmienności Lorentza w pewnych odmianach grawitacji kwantowej . Jednak nie znaleziono żadnych śladów anizotropii prędkości światła nawet na poziomie ^10-17 , a niektóre eksperymenty wykluczyły nawet naruszenia Lorentza na poziomie ^10-40 , zobacz Współczesne wyszukiwania naruszenia Lorentza .

Priorytet

Niektórzy twierdzą, że Poincaré i Lorentz, a nie Einstein, są prawdziwymi odkrywcami szczególnej teorii względności. Więcej informacji znajdziesz w artykule na temat sporu o pierwszeństwo w stosunkach względnych .

Krytyka

Niektórzy krytykowali Szczególną Teorię Względności z różnych powodów, takich jak brak dowodów empirycznych, wewnętrzne niespójności, odrzucenie fizyki matematycznej per se lub powody filozoficzne. Chociaż nadal istnieją krytycy teorii względności poza głównym nurtem naukowym, przeważająca większość naukowców zgadza się, że Szczególna Teoria Względności została zweryfikowana na wiele różnych sposobów i nie ma w tej teorii niespójności.

Zobacz też

• Eksperymenty myślowe Einsteina
• Historia przemian Lorentza
• Testy szczególnej teorii względności
• Galileuszowa niezmienność klasycznego elektromagnetyzmu

Bibliografia

Podstawowe źródła

Uwagi i źródła wtórne

Zewnętrzne linki

• O'Connor, John J .; Robertson, Edmund F. , „Szczególna teoria względności” , archiwum historii matematyki MacTutor , University of St Andrews
• Mathpages: odpowiadające stany , koniec mojej łaciny , kto wymyślił względność? , Poincaré kontempluje Kopernika
• Berger, Andy „ Wszystko w głowie Einsteina ” czerwiec 2016, magazyn Discover , wyjaśnienia eksperymentów myślowych Einsteina