Lorentz eterteori ( LEL ) har sina rötter i Hendrik Lorentz "elektronteori" , som var den sista punkten i utvecklingen av klassiska eterteorier i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet.
Lorentz teori skapades ursprungligen mellan 1892 och 1895. och baserades på hypotesen om en helt orörlig eter. Hon förklarade misslyckandena i försök att upptäcka rörelse i förhållande till etern i första ordningen v / c genom att införa en hjälpvariabel "lokal tid" för att kombinera system i vila och rörelse i etern. Dessutom ledde det negativa resultatet av Michelsons experiment 1892 till Lorentz kontraktionshypotes . Men resten av experimenten gav också ett negativt resultat, och (vägleds av relativitetsprincipen A. Poincaré ) 1899, 1904. Lorentz försökte utöka sin teori till alla v / c -order genom att introduceraLorentz transformationer . Han trodde också att icke-elektromagnetiska krafter (om de finns) omvandlas på samma sätt som elektromagnetiska . Lorentz gjorde dock ett misstag i formeln för laddningstätheten och strömmen, så hans teori uteslöt inte helt möjligheten att detektera etern. Som ett resultat, 1905, korrigerade Poincaré Lorentz misstag och inkluderade icke-elektromagnetiska krafter, inklusive gravitation , i teorin . Många aspekter av Lorentz teori inkluderades i den speciella relativitetsteorin (SRT) i verk av A. Einstein och G. Minkowski .
Idag tolkas TEL ofta som en sorts "Lorentz"-tolkning av den speciella relativitetsteorin [1] . Införandet av längdkontraktion och tidsutvidgning i den "privilegierade" referensramen , som spelar rollen som Lorentz fixerade eter, leder till fullständiga Lorentz-transformationer (se som ett exempel Robertson-Mansoury-Sekla-teorin ). Eftersom båda teorierna har samma matematiska formalism, finns det inget sätt att experimentellt skilja mellan TEL och SRT. Men eftersom förekomsten av en odetekterbar eter antas i TEL, och giltigheten av relativitetsprincipen bara verkar vara en slump, så ges i allmänhet företräde åt SRT.
Denna teori, som utvecklades huvudsakligen mellan 1892 och 1906. Lorentz och Poincaré, baserades på Augustin Jean Fresnels teori om eter , Maxwells ekvationer och Rudolf Clausius elektronteori . [B 1] Lorentz införde en strikt åtskillnad mellan materia (elektroner) och eter, vilket resulterade i att etern i hans modell är helt orörlig och inte sätts i rörelse i närheten av övervägd materia. Som Max Born senare sa , var det naturligt (även om det inte logiskt nödvändigt) för dåtidens vetenskapsmän att identifiera Lorentz etervila med Isaac Newtons absoluta utrymme [B 2] . Tillståndet för denna eter kan beskrivas av det elektriska fältet E och magnetfältet H, där dessa fält representerar eterns "tillstånd" (utan ytterligare specifikation) som är associerade med elektronladdningarna. Således ersätter den abstrakta elektromagnetiska etern de gamla modellerna av den mekanistiska etern. I motsats till Clausius, som höll med om att elektroner är föremål för långväga interaktion, framstår eterns elektromagnetiska fält som en mellanhand mellan elektroner, och förändringar i detta fält kan inte fortplanta sig snabbare än ljusets hastighet . Lorentz förklarade teoretiskt Zeeman-effekten utifrån sin teori, för vilken han fick Nobelpriset i fysik 1902. Joseph Larmor fann samtidigt en liknande teori, men hans koncept byggde på en mekanisk eter. Det grundläggande konceptet i Lorentz teori 1895 [A 1] var "motsvarande tillståndssats" för ordningsvillkor v / c . Detta teorem säger att en observatör som rör sig i förhållande till etern kan använda samma ekvationer elektrodynamiskt som en observatör i ett stationärt etersystem, så de observerar samma sak.
Det stora problemet för denna teori var Michelson-Morley-experimentet 1887. Enligt Fresnels och Lorentz teorier borde den relativa rörelsen för en fixerad eter bestämmas av detta experiment, men resultatet var negativt. Michelson trodde själv att resultatet stödde etertransporthypotesen, där etern är helt indragen i materien. Men andra experiment som Fizeaus och aberrationseffekten motbevisade denna modell.
En möjlig lösning kom till synen 1889 när Oliver Heaviside härledde från Maxwells ekvationer att vektorpotentialen för ett elektromagnetiskt fält runt en rörlig kropp varierar beroende på en faktor . Baserat på detta resultat och hypotesen om en fixerad eter, i enlighet med Michelson-Morley-experimentet, antydde George Fitzgerald 1889 (kvalitativt) och oberoende av honom Lorentz 1892 [A 2] (redan kvantitativt) att inte bara det elektrostatiska fältet , men också molekylära krafter påverkar på ett sådant sätt att storleken på kroppen längs rörelselinjen är mindre än storleken på kroppen vinkelrätt mot rörelselinjen. En observatör som rör sig med jorden skulle dock inte märka denna sammandragning, eftersom alla andra instrument är komprimerade med samma förhållande. 1895 [A 1] föreslog Lorenz tre möjliga förklaringar till denna relativa sammandragning: [B 3]
Även om en möjlig koppling mellan elektrostatiska och intermolekylära krafter användes av Lorentz som ett rimlighetsargument, sågs kompressionshypotesen snart som rent ad hoc . Det är också viktigt att en sådan sammandragning påverkar utrymmet mellan elektronerna, men inte själva elektronerna, varför det ibland kallas för den "intermolekylära hypotesen". Den så kallade Lorentz-kontraktionen utan expansion är vinkelrät mot rörelselinjen och det exakta värdet (där l 0 är vilolängden i etern) gavs av Larmor 1897 och Lorentz 1904. Samma år hävdade Lorentz också att denna sammandragning påverkar själva elektronerna [B 4] . Se #Lorentz- transformationer [A 3] för detaljer .
En viktig del av satsen för motsvarande stater 1892 och 1895. [A 1] var lokal tid , där t är tidskoordinaten för en observatör i vila i etern, och t ' är tidskoordinaten för en observatör som rör sig i etern. ( Woldemar Vogt hade tidigare använt samma uttryck för lokal tid 1887 för att relatera till dopplereffekten och inkompressibla medier). Med detta koncept kunde Lorentz förklara ljusets aberration , Dopplereffekten och Fizeau-experimentet (dvs. mätning av Fresnel-driftskoefficienten (eter) i rörliga och vilande vätskor. Även om Lorentz sammandragning var en verklig fysisk effekt, ansåg han transformationen av tid endast som en heuristisk arbetshypotes och ett matematiskt tillstånd som förenklar beräkningen när man går från ett system i vila till ett "fiktivt" rörligt system. Till skillnad från Lorentz såg Poincaré definitionen av lokal tid som något mer än ett matematiskt trick, som han kallade "Lorentz mest geniala idé" [A 4] . I The Measure of Time skrev han 1898 [A 5] :
Vi har ingen direkt intuition för samtidighet, och inte heller för jämlikhet mellan två perioder. Om vi tror på denna intuition är det en illusion. Vi hjälpte till med vissa regler som vi brukar använda utan att ge oss en redogörelse för det [...]. Därför väljer vi dessa regler, inte för att de är sanna, utan för att de är de mest bekväma, och vi skulle kunna sammanfatta dem genom att säga: "Samtidigheten av två händelser eller ordningen för deras följd - likvärdigheten mellan två varaktigheter - bör vara bestäms på ett sådant sätt att framställningen av naturlagar kan vara så enkel som möjligt. Med andra ord, alla dessa regler, alla dessa definitioner är bara frukten av omedveten opportunism.” [C 1]
År 1900 tolkade Poincaré lokal tid som ett resultat av en synkroniseringsprocedur baserad på ljussignaler. Han föreslog att två observatörer A och B , som rör sig i luften, synkroniserar sina klockor med hjälp av optiska signaler. Eftersom de tror att de är i vila behöver de bara ta hänsyn till signaleringstiden och sedan kombinera observationerna för att kontrollera om deras klockor är synkrona. Men från synvinkeln av en observatör som vilar i etern, är klockor inte synkrona och visar lokal tid . Men eftersom rörliga observatörer inte vet något om sin rörelse, kommer de inte att upptäcka detta [A 6] . 1904 illustrerade han samma procedur på följande sätt: A skickar en signal vid tidpunkten 0 till B , som tar emot den vid tidpunkten t . B sänder också en signal vid tidpunkten 0 till A , som tar emot den vid tidpunkten t . Om t i båda fallen har samma värde, så är klockorna synkrona, men bara i ett system där klockorna står i vila i etern. Så, enligt Darrigol [B 5] , förstod Poincaré lokal tid som en fysisk effekt precis som längdsammandragning, i motsats till Lorentz, som använde samma tolkning efter 1906. Men i motsats till Einstein, som senare använde en liknande synkroniseringsprocedur som kallas Einstein-synkronisering , säger Darrigol att Poincaré ansåg att klockor som vilade i etern visade sann tid [A 4] .
Det var dock inte känt i början att lokal tid inkluderade vad som nu kallas tidsutvidgning . Denna effekt märktes först av Larmor (1897), som skrev att " individuella elektroner beskriver motsvarande delar av deras banor flera gånger kortare för etersystemet i förhållande till eller ". Och 1899, för frekvensen av svängningar av oscillerande elektroner, noterade Lorentz [A 7] , " att i S kommer vibrationstiden att vara gånger längre än i S 0 ", där S 0 är referensramen för etern, S är den matematiskt fiktiva referensramen för den rörliga observatören, k = och är en obestämd faktor [B 6] .
Medan "lokal tid" kunde förklara det negativa resultatet av första ordningens eterdriftexperiment v / c , på grund av andra misslyckade eterdriftexperiment som Troughton–Noble Experiment , var det nödvändigt att ändra hypotesen till att inkludera andra ordningens effekter. Det matematiska verktyget för detta är den så kallade Lorentz-transformationen . Detta gjordes av Voigt 1887, som redan hade fått ett liknande ekvationssystem (men med en annan skalfaktor). Därefter erhöll Larmor 1897 och Lorentz 1899 [A 7] ekvationer i en form som är algebraiskt ekvivalent med de som fortfarande används (dock använde Lorentz en obestämd faktor l i sina transformationer ). I sin artikel Electromagnetic Phenomena in a System Moving at Any Speed Less than the Speed of Light (1904 [A 3] försökte Lorentz skapa en sådan teori att alla krafter mellan molekyler beror på Lorentz-transformationer (där Lorentz sätter faktor l till enhet) precis som de elektrostatiska krafterna. Lorentz försökte med andra ord skapa en teori där jordens och eterns relativa rörelse (nästan eller helt) inte kunde detekteras. Därför generaliserade han kontraktionshypotesen och hävdade att inte bara krafterna mellan elektroner utan även elektronerna själva drar ihop sig längs rörelselinjen.Max Abraham (1904) var dock snabb med att påpeka bristen i denna teori: inom ramen för en rent elektromagnetisk teori, den komprimerade elektronkonfigurationen är instabil, och en icke-elektronisk kraft måste införas för att stabilisera elektronerna.Abraham själv ifrågasatte möjligheten att inkludera sådana krafter i Lorentz teori.
För att lösa detta problem presenterade Poincaré [A 8] den 5 juni 1905 de så kallade "Poincaré-ansträngningarna". Dessa "krafter" tolkades av honom som ett externt icke-elektromagnetiskt tryck, som stabiliserade elektronerna, och fungerade också som en förklaring till längdkontraktionen [B 7] . Även om han hävdade att Lorentz hade lyckats skapa en teori som överensstämde med relativitetspostulatet, visade han att Lorentz elektrodynamiska ekvationer inte var helt Lorentz-kovarianta . Sålunda, med hänvisning till transformationens gruppegenskaper, visade Poincaré Lorentz-kovariansen av Maxwell-Lorentz-ekvationerna och korrigerade Lorentz-transformationsformlerna för laddningstäthet och strömtäthet . Han fortsatte med att skissa en modell av gravitation (inklusive gravitationsvågor ) som kunde vara kompatibel med dessa omvandlingar. Poincaré använde först termen "Lorentz-transformationer" och han gav dem den form som fortfarande används idag. (Var finns en godtycklig funktion som bör ställas in på ett för att bevara gruppegenskaperna och även ställa in ljusets hastighet till ett).
Ett i stort sett utökat verk (den så kallade "Palermo-tidningen") [A 9] presenterades för Poincaré den 23 juli 1905, men gavs ut i januari 1906, eftersom tidskriften endast utkom två gånger om året. Han talade bokstavligen om "relativitetspostulatet" och visade att omvandlingar är en följd av principen om minsta handling ; han demonstrerade gruppegenskaperna för transformationen mer i detalj, som han kallade Lorentz-gruppen , och visade att kombinationen är en invariant. När han utvecklade sin gravitationsteori märkte han att Lorentz-transformationen helt enkelt är en rotation i fyrdimensionell rymd runt ursprunget, som introducerades som den fjärde imaginära koordinaten. Han använde också en tidig form av fyrvektorn . Poincare sa dock senare att att översätta fysik till språket för fyrdimensionell geometri skulle innebära för mycket ansträngning, vilket endast skulle ge begränsad nytta, och därför vägrade han att utveckla konsekvenserna av denna idé. Detta gjordes senare av Minkowski, se "The shift to relativity" [B 8] .
J. Thomson (1881) och andra noterade att elektromagnetisk energi bidrar till massan av laddade kroppar med en mängd , som de kallade den elektromagnetiska eller "skenbara" massan. En annan härledning av en variation av den elektromagnetiska massan utfördes av Poincaré (1900). Med hjälp av impulsen från elektromagnetiska fält kom han till slutsatsen att dessa fält bidrar med massa till alla kroppar, vilket är nödvändigt för att bevara masscentrumsatsen .
Som Thomson och andra har noterat ökar denna massa också med hastigheten. Sålunda beräknade Lorentz 1899 att förhållandet mellan massan av en elektron i en rörlig referensram med avseende på eterreferensramen är parallell med rörelseriktningen och vinkelrät mot rörelseriktningen, där och är en odefinierad faktor [A 7] . Och 1904 fastställde han , efter att ha fått uttryck för massorna i olika riktningar (längsgående och tvärgående) [A 3] :
var
Många forskare trodde då att all massa och alla former av kraft var elektromagnetisk till sin natur. Men denna idé måste överges under utvecklingen av relativistisk mekanik . Abraham (1904) hävdade (som beskrivits i föregående avsnitt #Lorentz-transformationer ) att icke-elektriska bindningskrafter behövdes i Lorentz-modellen av elektroner. Men Abraham noterade också att olika resultat erhålls beroende på om den elektromagnetiska massan beräknas i termer av energi eller i termer av rörelsemängd. För att lösa dessa problem introducerade Poincare 1905 [A 8] och 1906 [A 9] en typ av tryck av icke-elektrisk karaktär, som tillför ett extra värde till kropparnas energi och därför förklarar 4/3-faktorn i uttryck för det elektromagnetiska mass-energiförhållandet. Men även om Poincarés uttryck för elektronernas energi var korrekt, sa han felaktigt att endast elektromagnetisk energi bidrar till massan av kroppar [B 9] .
4/3 multiplikatorproblemet blir mer förståeligt när den generaliserade Poyntings sats [2] används för alla agerande fält i ett fysiskt system . I det här fallet visas att orsaken till 4/3-multiplikatorproblemet är skillnaden mellan en 4-vektor och en 4-tensor av den andra rangen. I själva verket bildar systemets energi och momentum ett 4-momentum. Emellertid är det elektromagnetiska fältets energi- och momentumdensiteter tidskomponenter i energimomentumtensorn och bildar inte en 4-vektor. Detsamma gäller volymintegralerna för dessa komponenter. Som ett resultat, i en rätlinjig konstant rörelse av ett system som består av partiklar av materia och fält, är den relativistiska energin och rörelsemängden i systemets 4-momentum proportionella mot varandra. Däremot är energin och rörelsemängden i systemets elektromagnetiska (eller gravitationsfält) proportionella mot varandra med en extra faktor på 4/3.
Begreppet elektromagnetisk massa ses inte längre som orsaken till massan "i sig själv", eftersom all massa (inte bara dess elektromagnetiska del) är proportionell mot energi och kan "omvandlas" till olika former av energi, vilket förklaras av ekvivalens av massa och energi enligt Einstein [B 10 ] .
År 1900 [A 10] försökte Lorentz förklara gravitationen utifrån Maxwells ekvationer. Han övervägde först Le Sages teori om gravitation och hävdade att det kan finnas en universell strålning i form av ett fält, bestående av mycket starkt penetrerande elektromagnetisk strålning och utövande av ett enhetligt tryck på varje kropp. Lorentz visade att det verkligen skulle finnas en attraktionskraft mellan laddade partiklar, förutsatt att den infallande energin var helt absorberad. Detta var samma grundläggande problem som påverkade Le Sages andra modeller, eftersom strålningen måste försvinna på något sätt, och all absorption skulle behöva leda till enorm uppvärmning. Därför övergav Lorentz denna modell.
I samma arbete, som Mossoty och Zellner , föreslog han att attraktionen av motsatt laddade partiklar är starkare än avstötningen av likaladdade partiklar. Den resulterande slutkraften är vad som kallas universell gravitation, där tyngdhastigheten är ljusets hastighet. Detta leder till en konflikt med Isaac Newtons gravitationslag, där den ändliga gravitationshastigheten , som visas av Laplace , leder till någon form av aberration och därför gör banorna instabila. Lorentz visade dock att teorin var irrelevant för Laplaces kritik eftersom, på grund av strukturen i Maxwells ekvationer, endast effekter av ordningen v 2 / c 2 fungerar . Men Lorenz beräknade att värdet för Merkurius perihelionskifte var för lågt. Han skrev:
Kanske kan den speciella formen för dessa termer ändras. Det som har sagts är dock tillräckligt för att visa att gravitationen kan hänföras till handlingar som fortplantar sig med en hastighet som inte är högre än ljusets hastighet.
År 1908 [A 11] granskade Poincaré Lorentz gravitationsteori och klassificerade den som förenlig med relativitetsprincipen, men (liksom Lorentz) kritiserade han det oprecisa värdet av Merkurius perihelionförskjutning. I motsats till Poincaré ansåg Lorentz 1914 sin egen teori oförenlig med relativitetsprincipen och förkastade den [A 12] .
Lorentz-invariant gravitationslagÅr 1904 hävdade Poincaré att en gravitationshastighet större än c motsäger begreppet lokal tid och relativitetsprincipen. Han skrev: [A 4]
Vad skulle hända om vi kunde kommunicera med andra signaler än ljussignaler som färdas med andra hastigheter än ljusets hastighet? Om vi, efter att vi har justerat våra klockor på ett optimalt sätt, vill kontrollera resultatet med dessa nya signaler, bör vi observera avvikelser på grund av de två stationernas allmänna translationella rörelse. Är sådana signaler tänkbara ur Laplaces synvinkel, där den universella gravitationen sänds med en hastighet av en miljon gånger ljusets hastighet?
Men 1905 och 1906 påpekade Poincaré möjligheten av en gravitationsteori där förändringar fortplantar sig med ljusets hastighet och är Lorentz-kovarianta. Han påpekade att i en sådan teori beror gravitationskraften inte bara på massorna och deras inbördes avstånd, utan också på deras hastigheter och deras position på grund av interaktionens ändliga utbredningstid. Vid detta tillfälle introducerade Poincaré 4-vektorn [A 8] . Efter Poincaré försökte Minkowski (1908) och Arnold Sommerfeld (1910) upprätta en Lorentz invariant gravitationslag [B 11] . Dessa försök ersattes dock av Einsteins allmänna relativitetsteori , se " Steg in i relativitetsteori ".
Redan i sin Philosophical Letter on Time Measurements (1898) [A 5] skrev Poincaré att astronomer som Ole Römer , när de bestämmer ljusets hastighet, helt enkelt antar att ljuset har en konstant hastighet, och att denna hastighet är densamma i alla riktningar ( för mer information, se artikeln ljusets hastighet i en riktning ). Utan detta postulat skulle det vara omöjligt att bestämma ljusets hastighet från astronomiska observationer, som Römer gjorde när han observerade Jupiters månar. Poincaré noterade att Roemer också var tvungen att anta att Jupiters månar lyder Newtons lagar, inklusive tyngdlagen, medan man skulle kunna acceptera en annan ljushastighet med samma observationer om vi accepterade några andra (kanske mer komplexa) rörelselagar. Enligt Poincaré visar detta att vi antar ett värde för ljusets hastighet som gör mekanikens lagar så enkla som möjligt. (Detta är ett exempel på Poincarés gemensamma filosofi). Poincaré noterade också att ljusets hastighet kan (och används ofta i praktiken) för att bestämma samtidigheten mellan rumsligt åtskilda händelser. Men i denna artikel diskuterade han inte konsekvenserna av att tillämpa dessa "överenskommelser" på flera referensramar som rör sig i förhållande till varandra. Nästa steg togs av Poincaré 1900 [A 6] när han fick veta att synkronisering med hjälp av ljussignaler i jordens referensram leder till lokal Lorentz-tid [B 12] [B 13] (se avsnittet "Lokal tid" ovan ) . Och 1904 skrev Poincaré [A 4] :
Av alla dessa resultat, om de bekräftades, skulle en helt ny mekanik resultera, som i första hand skulle kännetecknas av att det inte kan finnas någon hastighet högre än ljusets hastighet, inte mer än temperaturer under absolut noll. För en observatör i rörelse framåt, som han inte är medveten om, kan ingen synbar hastighet överstiga ljusets hastighet, och detta skulle vara en motsägelse, om vi inte kommer ihåg det faktum att denna observatör inte använder samma klocka som en stationär observatör, utan snarare en klocka som ger "lokal tid. [...] Vi kanske också måste bygga helt ny mekanik där vi bara kan få en glimt av var trögheten ökar med hastigheten och ljusets hastighet blir en oöverstiglig gräns. Vanlig mekanik, enklare, förblev till en första approximation, eftersom detta skulle vara sant för hastigheter som inte är för höga, så att den gamla dynamiken kommer att inkluderas i den nya. skulle alltid vara exceptionellt, det säkraste sättet i praktiken skulle vara att fortsätta att agera som om vi fortsatte att tro på dem. De är så användbara att för de behöver spara utrymme. Att avgöra om man skulle utesluta dem helt och hållet skulle vara att beröva sig själv ett dyrbart vapen. Jag skyndar mig att säga avslutningsvis att vi ännu inte kommit fram till detta, och än så länge finns det inget som bevisar att principerna inte kommer att gå segrande och oförändrade ur striden.
År 1895 [A 13] [B 14] hävdade Poincaré att experiment som Michelson-Morley visar att det verkar omöjligt att upptäcka materiens absoluta rörelse, eller materiens relativa rörelse i förhållande till etern. Och även om de flesta fysiker hade andra åsikter, stod Poincare 1900 [A 14] vid sin åsikt och använde växelvis uttrycken "principen om relativ rörelse" och "rymdens relativitet". Han kritiserade Lorentz och sa att det skulle vara bättre att skapa en mer grundläggande teori för att förklara frånvaron av någon eterdrift än att skapa den ena hypotesen efter den andra. År 1902 [A 15] använde han först uttrycket "relativitetsprincipen". År 1904 [A 4] utvärderade han matematikernas arbete som hade bevarat vad han nu kallade " relativitetsprincipen " med hypoteser som lokal tid, men han medgav att denna risk endast var möjlig genom ackumulering av hypoteser. Och han definierade principen på detta sätt (enligt Miller [B 15] på basis av Lorentz-satsen för motsvarande stater): ”Relativitetsprincipen, enligt vilken lagarna för fysiska fenomen måste vara desamma för både en stationär observatör och en progressivt likformigt rörlig sådan, så att vi inte har några medel att avgöra och inte kan ha om vi är i en sådan rörelse."
Med hänvisning till Poincarés kritik från 1900 skrev Lorentz i sin berömda artikel 1904 där han utökade sin motsvarande tillståndssats: [A 3] ”Naturligtvis är kursen med att uppfinna speciella hypoteser för varje nytt experimentellt resultat något konstlat. Det skulle vara mer tillfredsställande om det kunde visas, genom några grundläggande antaganden och utan att försumma termer av en eller annan ordning, att många elektromagnetiska fenomen är helt oberoende av systemets rörelse."
En av de första utvärderingarna av Lorenz arbete gjordes i maj 1905 av P. Langevin . Enligt honom resulterade denna utvidgning av Lorentz och Larmors elektroniska teorier i "en fysisk omöjlighet att demonstrera jordens translationella rörelse". Poincare märkte dock 1905 att Lorentz teori från 1904 inte var helt "Lorentz-invariant" i flera ekvationer, såsom Lorentz uttryck för strömtätheten (medgavs av Lorentz 1921 vara defekt). Eftersom detta endast krävde mindre modifieringar av Lorentz arbete, hävdade Poincaré också [A 8] att Lorentz lyckades förena sin teori med relativitetsprincipen: ”Det verkar som om denna omöjlighet att demonstrera jordens absoluta rörelse är en allmän naturlag. . […] Lorentz försökte komplettera och ändra sin hypotes för att förena den med postulatet om den fullständiga omöjligheten att bestämma absolut rörelse. Det han lyckades med gjorde han i sin uppsats med titeln Electromagnetic Phenomena in a System Moving at Any Speed Less than the Speed of Light [Lorentz, 1904b]." [C2]
I sin papper i Palermo (1906) kallade Poincaré detta för "relativitetspostulatet", och även om han påstod att denna princip vid något tillfälle kunde vederläggas (och faktiskt nämnde han i slutet av artikeln att Villars upptäckt av magneto -katodstrålar (1904) verkar hota detta [B 16] ), tyckte han att det skulle vara intressant att överväga implikationerna om vi skulle anta att relativitetspostulatet håller utan begränsning. Detta skulle innebära att alla naturkrafter (inte bara elektromagnetism) måste vara oföränderliga under Lorentz-transformationen. [A 9] År 1921 skrev Lorentz, med hjälp av Poincarés förtroende, för att fastställa relativitetsprincipen och postulatet: [A 16] "Jag fastställde inte relativitetsprincipen som en strikt och universell sanning. Å andra sidan fick Poincaré den perfekta invariansen av elektrodynamikens ekvationer, och han formulerade "relativitetspostulatet", som han var den första att tillämpa." [C3]
Poincaré skrev inom sin filosofi om konventionalism 1889: [A 17] "Om etern existerar eller inte har ingen större betydelse, låt oss överlåta det till metafysikerna; det är viktigt för oss att allt sker som om det existerar, och att denna hypotes visar sig vara lämplig för att förklara fenomenen. När allt kommer omkring, har vi någon annan anledning att tro på att det finns materiella föremål? Detta är också en bekväm hypotes, bara den kommer aldrig att upphöra att vara sådan, även om en dag, utan tvekan, kommer etern att kastas åt sidan som värdelös .
Han förnekade också existensen av absolut rum och tid och sa 1901: [A 18] "1. Det finns inget absolut utrymme och vi uppfattar endast relativ rörelse, men i de flesta fall anges mekaniska fakta som om det finns ett absolut utrymme som de kan hänvisas till. 2. Det finns ingen absolut tid. När vi säger att två perioder är lika, är detta uttalande inte vettigt och kan bara vara meningsfullt enligt konvention. 3. Vi har inte bara en direkt intuition av likheten mellan två perioder, utan vi har inte ens en direkt intuition av samtidigheten av två händelser som inträffar på två olika platser. Jag förklarade detta i en artikel med titeln "Mesure du Temps" [1898]. 4. Slutligen, är inte vår euklidiska geometri i sig bara ett slags språkkonvention?
Poincare själv övergav dock aldrig eterhypotesen och deklarerade 1900: [A 14] ”Existrar vår eter verkligen? Vi vet ursprunget till vår tro på etern. Om ljuset tar flera år att nå oss från en avlägsen stjärna finns det inte längre på stjärnan eller på jorden. Det måste finnas någonstans och stödjas, så att säga, av någon materiell faktor . Och med hänvisning till upplevelsen av Fizeau skrev han till och med: "Etern är nästan i våra händer . " Han sa också att etern är nödvändig för att få Lorentz teori att överensstämma med Newtons tredje lag. Till och med 1912, i en artikel med titeln "Quantum Theory", använde Poincaré ordet "eter" tio gånger och beskrev ljus som "eterns lysande vibrationer . " [A19]
Och även om han insåg den relativa och konventionella karaktären av rum och tid, trodde han att den klassiska konventionen var mer "bekväm" och fortsatte att skilja mellan "sann" tid i etern och "skenbar" tid i rörliga system. Angående frågan om det skulle krävas en ny konvention om rum och tid, skrev han 1912: [A 20] ”Ska vi ändra våra slutsatser? Naturligtvis inte, vi accepterade avtalet eftersom det verkade bekvämt och vi sa att ingenting kunde hindra oss från att vägra det. Idag vill en del fysiker acceptera ett nytt avtal. Det betyder inte att de tvingas göra detta, de anser att det här nya avtalet är bekvämare, så är det bara. Och de som inte har denna åsikt kan med rätta behålla de gamla för att inte bryta sina gamla vanor, och jag tror, bara mellan oss, att det är vad de kommer att göra under en lång tid."
Även under sitt liv hävdade Lorentz att bland alla referensramar borde den där etern är i vila vara att föredra. Klockor i detta referenssystem visar "real" tid, och samtidighet är inte relativ. Men om riktigheten av relativitetsprincipen accepteras är det omöjligt att hitta ett sådant system experimentellt. [A-21]
1905 publicerade Albert Einstein sin artikel om vad som nu kallas den speciella relativitetsteorin . [A 22] I den här artikeln, som utforskar de grundläggande betydelserna av rums- och tidskoordinater som används i fysikaliska teorier, visade Einstein att de "effektiva" koordinaterna som ges av Lorentz-transformationer faktiskt var tröghetskoordinater med avseende på rörliga referensramar. Från detta följde alla fysiskt observerbara konsekvenser av TEL utan att behöva postulera en icke observerbar enhet (eter). Einstein identifierade två grundläggande principer, var och en baserad på erfarenhet, från vilka all Lorentz elektrodynamik följer:
Tillsammans (tillsammans med några andra implicita antaganden såsom isotropi och homogenitet i rymden) leder dessa två postulat entydigt till den speciella relativitetsteoriens matematik. Lorentz och Poincaré accepterade också samma principer som var nödvändiga för att uppnå sina slutliga resultat, men accepterade inte att de också var tillräckliga , och därför eliminerade de alla andra antaganden som låg bakom Lorentz ursprungliga slutsatser (av vilka många senare visade sig vara felaktiga [C 4] ). Därför fick den speciella relativitetsteorin mycket snabbt bred acceptans bland fysiker, och begreppet 1800-talets lysande eter förkastades. [B-17] [B-18]
1907 kompletterades Einsteins speciella relativitetsteori från 1905 av Hermann Minkowski, som visade att kvoterna hade en mycket naturlig tolkning. [C 5] i termer av en enda fyrdimensionell " rum-tid " där absoluta intervall erhålls genom en förlängning av Pythagoras sats. (Redan 1906 förutsåg Poincaré några av Minkowskis idéer, se avsnittet om Lorentz-förvandlingar). [B 19] Användbarheten och naturligheten i Einsteins och Minkowskis idéer bidrog till det snabba accepterandet av speciell relativitet och motsvarande förlust av intresse för Lorentz eterteori.
1909 [A 23] och 1912 [A 24] sa Einstein: [B 20]
...det är omöjligt att basera teorin om lagarna för omvandling av rum och tid endast på relativitetsprincipen. Som bekant hänger detta samman med relativiteten i begreppen "samtidighet" och "form av rörliga kroppar". För att fylla detta tomrum introducerade jag principen om ljushastighetens konstans, som jag lånade från teorin om den stationära ljusetern av H. A. Lorentz och som, liksom relativitetsprincipen, innehåller ett fysiskt antagande som tycktes vara motiverat. endast genom lämpliga experiment (experiment av Fizeau, Rowland etc.), [A 24]
Albert Einstein (1912), översatt av Anna Beck (1996).
År 1907 kritiserade Einstein " ad hoc "-naturen hos Lorentz kontraktionshypotes i sin teori om elektroner, eftersom det enligt hans åsikt var ett konstlat antagande att Michelson-Morley-experimentet överensstämde med Lorentz stationära eter och relativitetsprincipen. . [A 25] Einstein hävdade att Lorentz "lokal tid" helt enkelt kunde kallas "tid", och han konstaterade att en fixerad eter var otillfredsställande som en teoretisk grund för elektrodynamik. [A 26] 1920 skrev han: [A 27]
När det gäller den mekaniska naturen hos Lorentz eter kan vi säga att i viss mening är denna orörlighet den enda mekaniska egenskapen som H. A. Lorentz inte berövat honom. Det kan tilläggas att alla förändringar i begreppet eter, skapade av den speciella relativitetsteorin, bestod i att från etern ta bort dess sista mekaniska egenskap, nämligen dess orörlighet. [...] Men närmare eftertanke lär oss att speciell relativitet inte tvingar oss att förneka etern. Vi kan anta existensen av etern; endast vi måste vägra att tillskriva den en bestämd rörelse, d. v. s. vi måste ta bort från abstraktionen den sista mekaniska egenskap som Lorentz ännu inte har tagit bort.
Minkowski hävdade att Lorenzs införande av kontraktionshypotesen "låter ganska fantastiskt" eftersom det inte är resultatet av motstånd i etern, utan ser ut som en "gåva från ovan". Han sa att denna hypotes är "helt likvärdig med det nya begreppet rum och tid", även om det blir mycket mer förståeligt inom ramen för den nya rumtidsgeometrin. [A 28] Lorentz höll inte med om att detta var en "ad-hoc"-hypotes, och 1913 hävdade han att det var liten skillnad mellan hans teori och förkastandet av en föredragen ram, som i Einsteins och Minkowskis teori, så detta Det är en smaksak vem som föredrar vilken teori. [A-21]
Ekvivalensen mellan massa och energi erhölls av Einstein (1905) som en konsekvens av relativitetsprincipen, där tröghetsenergin faktiskt representeras som , men i motsats till 1900 års Poincaré-tidning insåg Einstein att materien själv förlorar eller vinner massa under emission eller absorption av strålning. [A 29] Således är massan av någon form av materia lika med någon mängd energi som kan omvandlas till och återvinnas från andra energiformer. Detta är ekvivalensen mellan massa och energi , representerad som . Därför behövde Einstein inte introducera "fiktiva" massor, och han behövde inte heller undvika problemet med perpetuum mobile , eftersom enligt Darrigol [B 21] kan Poincarés strålningsparadox enkelt lösas genom att tillämpa Einsteins ekvivalens. Om ljuskällan förlorar massa under strålning med en mängd , försvinner motsättningen i momentumlagen utan att det behövs någon kompenserande effekt i etern.
Liksom Poincaré drog Einstein 1906 slutsatsen att trögheten hos (elektromagnetisk) energi är ett nödvändigt villkor för att masscentrumsatsen ska vara giltig i system där elektromagnetiska fält och materia verkar på varandra. Baserat på ekvivalensen mellan massa och energi visade han att emission och absorption av e/m-strålning och därför överföringen av tröghet löser alla problem. Vid detta tillfälle hänvisade Einstein till en artikel från 1900 av Poincaré och skrev: [A 30]
Även om de enkla formella synpunkter som måste utföras för att bevisa detta uttalande redan huvudsakligen finns i H. Poincarés arbete [Lorentz-Festschrift, sid. 252, 1900], för tydlighetens skull, kommer jag inte att förlita mig på detta arbete. [C6]
Poincares förkastande av principen om motverkan, förknippad med brott mot lagen om bevarande av massa, kan också undvikas genom Einsteins , eftersom bevarande av massa verkar vara ett specialfall av lagen om bevarande av energi .
Lorentz och Poincarés (liksom Abrahams och Nordströms ) försök att formulera en ny gravitationsteori för att ersätta Newtons ersattes av Einsteins allmänna relativitetsteori . [B22] . Denna teori är baserad på principer som ekvivalensprincipen , den allmänna relativitetsprincipen , principen om allmän kovarians , geodetisk rörelse, Lorentz kovarians (lagarna för speciell relativitet gäller lokalt för alla tröghetsobservatörer), och i den krökningen av rumtid skapas av energin från spänningar i rum-tid.
1920 jämförde Einstein Lorentz eter med den allmänna relativitetsteterns "gravitationseter". Han sa att orörlighet är den enda mekaniska egenskapen som etern inte berövades av Lorentz, men, i motsats till Lorentz ljus och eter, har den allmänna relativitetens eter inga mekaniska egenskaper, inte ens orörlighet [A 27] :
Den allmänna relativitetsteterns eter är ett medium som i sig saknar alla mekaniska och kinematiska egenskaper, men som hjälper till att bestämma mekaniska (och elektromagnetiska) händelser. Grundläggande nytt i den allmänna relativitetsteorins eter, i motsats till Lorentz eter, är att tillståndet för den första på varje plats bestäms av sambandet med materien och tillståndet för etern på angränsande platser, som lyder de lagar i form av differentialekvationer; medan tillståndet för den Lorentziska etern i frånvaro av elektromagnetiska fält inte beror på något utanför sig själv och är detsamma överallt. Etern i den allmänna relativitetsteorin omvandlas begreppsmässigt till Lorentz eter, om vi ersätter konstanterna i rymdfunktionerna som beskriver modellen, utan att uppmärksamma orsakerna som bestämmer dess tillstånd. Sålunda kan vi också säga att den allmänna relativitetens eter erhålls från den Lorentziska etern genom relativisering.
Då och då uttrycks åsikten att de verkliga grundarna av den speciella relativitetsteorin är Poincaré och Lorentz, och inte Einstein, även om varken Lorentz eller Poincare någonsin gjort anspråk på sådan prioritet. Se fler artiklar: