Кіріспе

Арнайы салыстырмалылық теориясының тарихы Альберт А. Микельсон, Хендрик Лоренц, Анри Пуанкаре және тағы басқалардың алған көптеген теориялық және тәжірибелік нәтижелерінен тұрады. Ол Альберт Эйнштейн ұсынған арнайы салыстырмалылық теориясымен және Макс Планк, Герман Минковский және басқалардың одан кейінгі жұмыстарымен аяқталды.

Кіріспе

Исаак Ньютон өзінің физикасын абсолютті уақыт пен кеңістікке негіздегенмен, ол сондай-ақ Галилео Галилейдің салыстырмалылық принципін, оны механикалық жүйелер үшін дәл қайталап, ұстанды. Бұл принципти былай формулировать етіп болады: механика заңдары тұрғысынан, инерциялық қозғалыстағы барлық бақылаушылар тең дәрежеде құқылы, және ешбір инерциялық бақылаушыға ерекше қозғалыс күйін тағайындауға болмайды. Дегенмен, 19 ғасырда электромагниттік теория мен электродинамика саласында жарық толқынының теориясы, "жарық ортасының" немесе люминесцентті эфирдің бұзылуы ретінде кеңінен қабылданды, бұл теория Джеймс Клерк Максвеллдің еңбектерінде ең дамыған күйіне жетті. Максвеллдің теориясына сәйкес, барлық оптикалық және электрлік құбылыстар осы орта арқылы таралады, бұл эфирге қатысты қозғалысты эксперименттік жолмен анықтауға болады деген ойға жетеледі. Бірақ, эфир арқылы қозғалысты анықтауға бағытталған ешбір тәжірибе сәтті аяқталмады, соның салдарынан Хендрик Лоренц 1892 жылдан бастап, қозғалмайтын люминесцентті эфирге (оның материалдық құрамы туралы Лоренц ешқандай болжам жасаған жоқ), физикалық ұзындықтың қысқаруы және Максвелл теңдеулерінің барлық инерциялық санақ жүйелерінде өз формасын сақтайтын "жергілікті уақытқа" негізделген электродинамика теориясын жасады. Лоренцтің эфир теориясымен жұмыс істеген Анри Пуанкаре, бұрын "салыстырмалылық принципін" табиғаттың жалпы заңы ретінде ұсынған (электродинамика мен гравитацияны да қамтиды), 1905 жылы осы принципті қолданып, Лоренцтің алдын ала түрлендіру формулаларын түзеді, нәтижесінде қазір Лоренц түрлендірулері деп аталатын теңдеулер жиынтығы пайда болды. Осы жылдың соңында Альберт Эйнштейн өзінің ерекше салыстырмалылық теориясы туралы алғашқы мақаласын жариялады, онда ол, салыстырмалылық принципіне сүйене отырып, Лоренц түрлендірулерін тәуелсіз түрде шығарды және кеңістік пен уақыт аралықтардың негізгі анықтамаларын өзгертіп, оларды радикалды түрде қайта қарастырды, сондай-ақ Галилей кинематикасының абсолютті бірмезгілдігінен бас тартып, классикалық электродинамикада люминесцентті эфирге сілтеме жасау қажеттілігін жойды. Кейіннен Герман Минковскийдің жұмысы, ол Эйнштейннің ерекше салыстырмалылық теориясы үшін 4 өлшемді геометриялық "кеңістік-уақыт" моделін енгізді, Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясын одан әрі дамытуға және салыстырмалылық өрістік теорияларының негізін қалауға жағдай жасады.

Эфир модельдері мен Максвелл теңдеулері

Томас Янгтың (1804) және Августин Жан Френельдің (1816) жұмыстарынан кейін, жарық эластикалық ортада, жарық эфирі деп аталатын ортада көлденең толқын ретінде тарайды деп есептелді. Дегенмен, оптикалық және электродинамикалық құбылыстар арасында ерекшелік жасалды, сондықтан барлық құбылыстар үшін жеке эфирлік модельдер құру қажет болды. Осы модельдерді біріктіруге немесе олардың толық механикалық сипаттамасын жасауға жасалған әрекеттер сәтсіз аяқталды. Бірақ Майкл Фарадей және Лорд Кельвин сияқты көптеген ғалымдардың едәуір еңбегінен кейін, Джеймс Клерк Максвелл (1864) электр, магнетизм және индукция салаларындағы теңдеулер жиынтығын тудырып, электромагнетизмнің дәл теориясын жасады. Ол жарықтың, шын мәнінде, электрлік және магниттік құбылыстардың себебі болатын бірдей эфирлік ортадағы тербеліс (электромагниттік сәулелену) екенін алға тартты. Алайда, Максвеллдің теориясы қозғалатын денелердің оптикасы тұрғысынан толық қанағаттандырмады. Ол толық математикалық модельді ұсынса да, эфирдің дәйекті механикалық сипаттамасын беруге қол жеткізе алмады. Генрих Герц 1887 жылы электромагниттік толқындардың бар екенін көрсеткеннен кейін, Максвеллдің теориясы кеңінен қабылданды. Оливер Хевисайд пен Герц бұл теорияны одан әрі дамытып, Максвелл теңдеулерінің жаңартылған нұсқаларын енгізді. "Максвелл-Герц" немесе "Хевисайд-Герц" теңдеулері электродинамиканың одан әрі дамуы үшін маңызды негіз болды, ал Хевисайдтың нотациясы бүгінгі күнге дейін қолданылады. (60 км/с солтүстік жазда қысқа қарағанда өзгеше). Осылайша физиктер екі көріне қайшы экспериментке тап болды: 1886 жылғы эксперимент Френельдің тұрақты эфирін растағандай болды, ал 1887 жылғы эксперимент Стокстің толық сүйрелінетін эфирін растағандай болды. Бұл мәселенің мүмкін шешімін Волдемар Войт (1887) көрсетті. Ол сығылмайтын серпінелі ортада таралатын толқындар үшін Доплер эффектін зерттеді және еркін кеңістіктегі толқын теңдеуін өзгертусіз қалдыратын трансформация қатынастарын тапты, сондай-ақ Микельсон-Морли экспериментінің теріс нәтижесін түсіндірді. Войт трансформацияларына y және z координаттары үшін Лоренц факторы және кейіннен "жергілікті уақыт" деп аталған жаңа уақыт айнымалысы кірді. Алайда, Войттың жұмысы замандастары тарапынан толығымен назарсыз қалды. Фитцджеральд (1889) Микельсон-Морли экспериментінің теріс нәтижесіне басқаша түсіндірме ұсынды. Войтке қарсы, ол молекулалық күштердің электрлік табиғаты болуы мүмкін екенін болжады, сондықтан материалдық денелер қозғалыс бағытында жиырылады (ұзындығының қысқаруы). Бұл Хевисайдтың (1887) жұмысымен байланысты болды, ол қозғалыстағы электростатикалық өрістердің деформацияланатынын анықтады (Хевисайд эллипсоиды), бұл жарық жылдамдығында физикалық анықталмаған жағдайларға әкеледі. Алайда, Фитцджеральдтың идеясы кеңінен танылмады және Оливер Лодж 1892 жылы бұл идеяның тұжырымдамасын жариялағанға дейін талқыланбады. Сондай-ақ, Лоренц (1892b) Микельсон-Морли экспериментін түсіндіру үшін Фитцджеральдтан тәуелсіз түрде ұзындықтың қысқаруын ұсынды. Лоренц нақтылық үшін электростатикалық өрістердің жиырылуының аналогиясына сілтеме жасады. Алайда, тіпті Лоренц бұл қажетті себеп емес екенін мойындады, сондықтан ұзындықтың қысқаруы нәтижелі гипотеза болып қалды.

Лоренцтің электрон теориясы

Лоренц (1892а) Лоренц эфирі теориясының негізін қалады, ол эфирден бөлінген электрондардың бар екенін қабылдап, «Максвелл-Герц» теңдеулерін «Максвелл-Лоренц» теңдеулерімен алмастырды. Оның моделінде эфир толығымен қозғалмайды және Френель теориясына керісінше, материяның ішінара тартылуымен да шектелмейді. Бұл ұғымның маңызды салдары – жарық жылдамдығы көзінің жылдамдығынан толығымен тәуелсіз екендігі болды. Лоренц эфирдің механикалық табиғаты мен электромагниттік процестер туралы ешқандай мәлімдеме жасамады, керісінше, механикалық процестерді электромагниттік процестермен түсіндіруге тырысты және осылайша абстрактілі электромагниттік эфирді құрды. Теориясының шеңберінде Лоренц, Хевисайд сияқты, электростатикалық өрістердің жиырылуын есептеп шығарды. Лоренц сондай-ақ өзінің теориясы әрекет және реакция принципін бұзатынын мойындады, себебі эфир материяға әсер етеді, бірақ материя жылжымайтын эфирге әсер ете алмайды. Джозеф Лармор (1897, 1900) осыған ұқсас модельді жасады. Лармор Лоренцтің 1895 жылғы түрленуін қазіргі Лоренц түрленулеріне алгебралық тұрғыдан тең формаға алғаш рет енгізді, бірақ оның түрленулері Максвелл теңдеулерінің формасын тек екінші ретте сақтайтынын айтты. Кейін ол бұл түрленулер шын мәнінде Максвелл теңдеулерінің формасын барлық реттерде сақтайтынын атап өтті. Лармор сол кезде ұзындықтың жиырылуы модельден туындайтынын байқады; сонымен қатар, ол электрон орбиталары үшін уақыттың өзгеруінің бір түрін есептеп шығарды. Лармор өз ойларын 1900 және 1904 жылдары нақтылады. Лармордан тәуелсіз, Лоренц (1899) екінші реттік мүшелерге өз түрленуін кеңейтті және (математикалық) уақыттың созылу әсерін де атап өтті. Лоренц пен Лармордан басқа физиктер де электродинамиканың тұрақты моделін жасауға тырысты. Мысалы, Эмиль Кох (1900, 1901) балама электродинамикасын жасады, онда ол біріншілердің бірі ретінде эфирдің болуын (кем дегенде бұрынғы түрінде) жоққа шығарды және Эрнст Мах сияқты, координаттар жүйесі ретінде жылдыздарды пайдаланды. Оның теориясындағы әртүрлі бағыттардағы жарық жылдамдықтары сияқты қарама-қайшылықтарға байланысты, ол Лоренц пен Эйнштейннің теориясымен ығыстырылды.

Электромагниттік масса

Максвелл теориясын әзірлеу кезінде Дж. Дж. Томсон (1881) зарядталған денелерді зарядталмаған денелерге қарағанда қозғалысқа келтірудің қиын екенін мойындады. Электростатикалық өрістер денелердің механикалық массасына «электромагниттік массаны» қосатын сияқты әрекет етеді. Яғни, Томсонның айтуынша, электромагниттік энергия белгілі бір массаға сәйкес келеді. Бұл электромагниттік өрістің өзіндік индукцияның бір түрі ретінде түсіндірілді. Ол сондай-ақ, дене қозғалғанда массасы тұрақты шамамен артатынын байқады. Томсонның жұмысын Фицджеральд, Хевисайд (1888) және Джордж Фредерик Чарльз Сёрл (1896, 1897) жалғастырып, жетілдірді. Электромагниттік масса үшін олар – қазіргі таңбалауда – формуласын берді, мұнда – электромагниттік масса, ал – электромагниттік энергия. Хевисайд пен Сёрл дене массасының артуы тұрақты емес екенін және оның жылдамдығына қарай өзгеретінін мойындады. Осының салдарынан Сёрл жарық жылдамдығынан асып түсу мүмкін емес екенін атап өтті, себебі жарық жылдамдығынан асу үшін шексіз энергия қажет болар еді. Лоренц үшін (1899) Томсон анықтаған массаның жылдамдыққа тәуелділігін интеграциялау ерекше маңызды болды. Ол массаның жылдамдыққа ғана емес, сонымен қатар бағытына да байланысты өзгеретінін байқады және кейіннен Абрахам «ұзындық» және «көлденең» масса деп атаған ұғымды енгізді. (Көлденең масса кейін релятивистік масса деп аталатын нәрсеге сәйкес келеді.) Вильгельм Вьен (1900) Томсон, Хевисайд және Сёрлдің еңбектерін басшылыққа ала отырып, барлық массаның электромагниттік тегі бар деген болжам жасады, бұл табиғаттың барлық күштері электромагниттік екендігі туралы түсінікпен байланысты («Электромагниттік әлемді көру»). Вьен гравитация да электромагниттік эффект болса, электромагниттік энергия, инерциялық масса және гравитациялық масса арасында пропорционалдық болуы керек деп мәлімдеді. Осы мақалада Анри Пуанкаре (1900б) масса мен энергия ұғымдарын біріктірудің тағы бір жолын тапты. Ол электромагниттік энергияның масса тығыздығы (немесе ) бар, көзге көрінбейтін сұйықтық сияқты әрекет ететінін мойындады және көзге көрінбейтін электромагниттік импульсті де анықтады. Алайда, ол 1905 жылы Эйнштейн толық түсіндірген сәулелену парадоксына келді. Вальтер Кауфманн (1901–1903) катод сәулелерінің (заряд пен масса қатынасы) талдау арқылы электромагниттік массаның жылдамдыққа тәуелділігін алғаш рет растады. Ол жылдамдық артқан сайын оның төмендегенін анықтады, бұл заряд тұрақты болған жағдайда электрон массасы жылдамдықпен бірге артатынын көрсетті. Ол сондай-ақ бұл эксперименттер Вьеннің «нақты» механикалық масса жоқ, тек «көрінетін» электромагниттік масса бар деген болжамын растады, яғни барлық денелердің массасы электромагниттік тектің нәтижесі деп сенді. Электромагниттік әлемді көруді жақтаған Макс Абрахам (1902–1904) Кауфманның эксперименттерін электромагниттік массаның өрнектерін шығару арқылы тез арада түсіндірді. Осы ұғыммен бірге Абрахам (Пуанкаре сияқты 1900 жылы) «электромагниттік импульс» ұғымын енгізді, ол пропорционалды. Бірақ Пуанкаре енгізген көзге көрінбейтін шамалардан айырмашылығы, ол оны нақты физикалық құбылыс ретінде қарастырды. Абрахам сондай-ақ (Лоренц сияқты 1899 жылы) бұл массаның бағытқа да тәуелді екенін атап өтті және «ұзындық» және «көлденең» масса деген атауларды берді. Лоренцке қарағанда, ол өзінің теориясына қысқару гипотезасын қоспады, сондықтан оның массалық өрнектері Лоренцтің өрнектерінен өзгеше болды. Электромагниттік масса туралы бұрынғы жұмыстардың негізінде Фридрих Хасенорл дененің массасының бір бөлігін (оның «көрінетін масса» деп атаған) қуыс ішінде шағылысып жүрген сәуле ретінде қарастыруға болатынын ұсынды. Сәулеленудің «көрінетін массасы» температураға байланысты (себебі әрбір қыздырылған дене сәулелену шығарады) және оның энергиясына пропорционалды. Хасенорл бұл энергия мен көрінетін масса арасындағы қатынас тек дене сәулеленген кезде ғана сақталады, яғни дене температурасы 0 К-ден жоғары болса ғана сақталады деп мәлімдеді. Алдымен ол көрінетін массаға өрнегін берді; алайда Абрахам және Хасенорлдің өзі 1905 жылы нәтижені -ге өзгертті, бұл тыныш күйдегі дене үшін электромагниттік массаның мәнімен бірдей.

Абсолюттік кеңістік пен уақыт

Кейбір ғалымдар мен ғылым философтары Ньютонның абсолютті кеңістік пен уақыт туралы анықтамаларын сынға алды. Эрнст Мах (1883) абсолютті уақыт пен кеңістік негізінен метафизикалық ұғымдар болып табылады және сондықтан ғылыми тұрғыдан мағынасыз деп, физикада материалдық денелер арасындағы салыстырмалы қозғалыс ғана пайдалы ұғым болып табылады деп ұсынды. Мах Ньютонның абсолютті кеңістікке қатысты жылдамдатылған қозғалысқа байланысты әсерін, мысалы айналуды, тек материалдық денелерге қатысты сипаттауға болады деп, ал Ньютонның абсолютті кеңістікке қолдау ретінде келтірген инерциялық әсерлері тек тұрақты жұлдыздарға қатысты жылдамдықпен байланысты болуы мүмкін деп дәлелдеді. Карл Нойман (1870) инерциялық қозғалысты анықтау үшін қандай да бір қатты және тұрақты денені білдіретін "Альфа дене" енгізді. Нейманның анықтамасы негізінде Генрих Штрейнц (1883) гироскоптар айналудың ешқандай белгілерін өлшемейтін координаттар жүйесінде инерциялық қозғалыс "негізгі дене" және "негізгі координаттар жүйесі" дегенге байланысты деп дәлелдеді. Ақырында Людвиг Ланге (1885) абсолютті кеңістік пен уақытқа операциялық ауыстыру ретінде инерциялық эталондық жүйе және "инерциялық уақыт шкаласы" сөздерін алғаш рет қолданды; ол "инерциялық жүйені" "бір нүктеден үш түрлі (бір-біріне жанаспайтын) бағытта лақтырылған массалық нүкте әр лақтырылған сайын түзу сызықты жолдарды ұстанатын эталондық жүйе" деп анықтады. 1902 жылы Анри Пуанкаре "Ғылым және гипотеза" атты очерктер жинағын жариялады, оған: кеңістіктің салыстырмалылығы, уақыт және алыстағы бір мезгілдестіктің дәстүрлілігі туралы егжей-тегжейлі философиялық талқылаулар; салыстырмалылық қағидасының бұзылуы ешқашан анықталмайды деген болжам; эфирдің мүмкін болмауы, эфирді қолдайтын кейбір аргументтермен бірге; және Эвклидтік емес геометрияға қарсы Эвклидтік геометрияға қатысты көптеген ескертулер кірді. Сонымен қатар, уақытты төртінші өлшем ретінде пайдаланудың кейбір әрекеттері болды. Бұл 1754 жылы Жан ле Ронд д’Алембер «Энциклопедияда» және ХІХ ғасырдағы кейбір авторлар, мысалы, Г. Г. Уэллс өзінің «Уақыт машинасы» романында (1895) көрсеткен. 1901 жылы философиялық модельді Мэньхерт Палаги әзірледі, онда кеңістік пен уақыт "кеңістік-уақыттың" екі жағы ғана болды. Ол уақытты жорамал төртінші өлшем ретінде пайдаланды, оған ол форма берді (мұнда , яғни жорамал сан). Алайда Палагидің уақыт координатасы жарық жылдамдығына байланысты емес. Ол сондай-ақ n өлшемді кеңістіктер мен Эвклидтік емес геометрияның қолданыстағы конструкцияларымен кез келген байланысты қабылдамады, сондықтан оның философиялық моделі кейінірек Минковский дамытқан кеңістік-уақыт физикасына аз ғана ұқсайды.

Лоренцтің 1904 жылғы моделі

Лоренц (1904) өзінің «Жарық жылдамдығынан кем жылдамдықпен қозғалатын жүйедегі электромагниттік құбылыстар» деген еңбегінде Пуанкаре ұсынған идеяны қолдап, белгілі барлық эфирлік дрейф тәжірибелерінің нәтижесіздігін, яғни салыстырмалылық принципінің дұрыстығын түсіндіретін электродинамиканың қағидасын құруға тырысты. Ол Лоренц түрлендіруінің барлық реттерге қолданылатынын дәлелдеуге ұмтылды, бірақ толыққанды сәттілікке жете алмады. Виен мен Абрахам сияқты, ол тек электромагниттік массаның ғана бар екенін, механикалық массаның жоқтығын көрсетті және Кауфманның тәжірибелерімен сәйкесетін бойлық және көлденең массаның дұрыс формуласын шығарды (бірақ бұл тәжірибелер Лоренц пен Абрахам теорияларын ажыратуға жеткілікті дәлдікке ие болған жоқ). Электромагниттік импульсті пайдаланып, ол Троутон-Нобль тәжірибесінің теріс нәтижесін түсіндіре алды, онда эфир арқылы қозғалатын зарядталған параллель тақталық конденсатор қозғалысқа перпендикуляр бағытта орналасуы керек еді. Рэйли мен Брейстің тәжірибелерін де түсіндіруге болады. Лоренц түрлендіруі электрлік емес күштерге де қатысты жарамды болуы керек деген постулат тағы бір маңызды қадам болды. Сонымен қатар, Лоренц өзінің теориясын жасап жатқанда, Виен (1903) массаның жылдамдыққа тәуелділігінің маңызды салдарына тоқталды. Ол жарық жылдамдығынан асатын жылдамдықтар мүмкін емес екенін, себебі ол шексіз энергияны қажет етеді деп мәлімдеді – бұл туралы Томсон (1893) және Сёрл (1897) бұрыннан айтқан. 1904 жылғы маусымда Лоренцтің 1904 жылғы мақаласын оқығаннан кейін, ол ұзындықтың қысқаруына қатысты да осыны байқады, өйткені жарықтан жоғары жылдамдықтарда фактор нақты емес болады. Лоренц теориясын Абрахам сынға алды, ол теорияның бір жағынан салыстырмалылық принципіне бағынатынын, екінші жағынан барлық күштердің электромагниттік табиғатқа ие екенін көрсетті. Абрахам екі талаптың да қақтығыс екенін көрсетті, өйткені Лоренцтің жиырылған электрондар теориясында материяның тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін электрлік емес күштер қажет болды. Алайда, Абрахамның қатты электрондар теориясында мұндай күштердің қажеті болған жоқ. Осылайша, әлемнің электромагниттік түсінігі (Абрахам теориясымен сәйкес) немесе салыстырмалылық принципі (Лоренц теориясымен сәйкес) дұрыс па деген сұрақ туды. 1904 жылғы қыркүйекте Сент-Луисте өткен «Математикалық физика принциптері» атты лекциясында Пуанкаре Лоренц теориясынан туындайтын кейбір салдарларды қарастырып, келесі принципті анықтады (Галилейдің салыстырмалылық принципі мен Лоренцтің сәйкес күйлер теоремасын өңдеу арқылы): «Салыстырмалылық принципі, оған сәйкес физикалық құбылыстардың заңдары тұрақты бақылаушы үшін де, біртекті қозғалыста жүрген бақылаушы үшін де бірдей болуы керек, сондықтан мұндай қозғалыста жүріп жатқандығымызды анықтаудың ешқандай құралы жоқ және бола алмайды». Ол сондай-ақ сағаттарды синхрондау әдісін нақтылады және барлық бақылаушылар үшін жарық жылдамдығынан асып түспейтін «жаңа әдіс» немесе «жаңа механика» мүмкіндігін түсіндірді. Алайда, ол салыстырмалылық принципі, Ньютонның әрекеті мен реакциясы, массаның және энергияның сақталуы толыққанды дәлелденбегенін және кейбір тәжірибелерде тіпті қауіп төндіріп отырғанын атап өтті. Эмиль Кон (1904) да өзінің баламалы моделін (жоғарыда сипатталғандай) әзірлеуді жалғастырды және өзінің теориясын Лоренцтің теориясымен салыстыра отырып, Лоренц түрлендірулерінің маңызды физикалық интерпретацияларын ашты. Ол (сол жылы Джозеф Лармор сияқты) бұл түрлендіруді таяқшалар мен сағаттарды пайдалану арқылы көрсетті: егер олар эфирде тыныш тұрса, олар нақты ұзындық пен уақытты көрсетеді, ал егер қозғалса, олар қысқарған және кеңейген мәндерді көрсетеді. Пуанкаре сияқты, Кон жергілікті уақытты жарықтың изотроптық таралуының болжамына негізделген уақыт деп анықтады. Лоренц пен Пуанкареге қарсы, Кон Лоренц теориясында «нақты» және «көрінетін» координаттарды бөлудің жасанды екенін байқады, өйткені ешқандай тәжірибе оларды ажырата алмайды. Алайда, Конның жеке теориясына сәйкес, Лоренц түрлендірілген шамалар тек оптикалық құбылыстар үшін ғана жарамды болады, ал механикалық сағаттар «нақты» уақытты көрсетеді. Соңында Пуанкаре (Эйнштейннен тәуелсіз) өзінің маусымдағы мақаласының едәуір кеңейтілген жұмысын аяқтады (қазіргі «Палермо мақаласы» деп аталатын, 23 шілдеде алынған, 14 желтоқсанда басылған, 1906 жылы қаңтарда жарияланған). Ол тікелей «салыстырмалылық постулаты» туралы айтты. Ол түрлендірулердің ең аз әрекет принципінің салдары екенін көрсетті және Пуанкаре кернеулерінің қасиеттерін дамытты. Ол түрлендірулердің топтық сипаттамаларын, оны Лоренц тобы деп атады, еңбектеп көрсетті және комбинацияның инвариант екенін көрсетті. Өзінің гравитациялық теориясын жасап жатқанда, ол Лоренц түрлендіруі төрт өлшемді кеңістікте координаталардың төңкерілуі екенін айтты, төртінші жорамал координатаны енгізе отырып (Палагиге қарсы, ол жарық жылдамдығын қосты), және ол төрт векторларды қолданды. Пол Ульрих Виллардтың (1904) катод сәулелерінің магнетолық ашылуы Лоренц теориясының барлығына қауіп төндіргендей көрінеді, бірақ бұл мәселе тез шешілді. Алайда, философиялық жазбаларында Пуанкаре абсолютті кеңістік және уақыт идеяларын жобаға салса да, физикалық мақалаларында ол (анықталмайтын) эфирге сілтеме жасауын жалғастырды. Ол сондай-ақ (1900b, 1904, 1906, 1908b) координаттар мен құбылыстарды қозғалмалы бақылаушылар үшін жергілікті/көрінетін, ал эфирде тыныш бақылаушылар үшін нақты/шынайы деп сипаттауды жалғастырды. Осылайша, көптеген ғылым тарихшылары Пуанкаре қазіргі кезде арнайы салыстырмалылық деп аталатын нәрсені ойлап таппағанын, бірақ Эйнштейннің әдістері мен терминологиясының көп бөлігін болжағандығын мойындайды.

Релятивистік импульс және масса

Планк (1906а) релятивистік импульсті анықтады және Айнштейннің 1905 жылғы өрнегіндегі шағын қателікті түзете отырып, бойлық және көлденең массаның дұрыс мәндерін келтірді. Планктың өрнектері принципі бойынша Лоренцтің 1899 жылы қолданған өрнектерімен теңдес болды. Планктың жұмысына сүйене отырып, Гилберт Ньютон Льюис және Ричард С. Толман (1908, 1909) массаны импульс пен жылдамдық арақатынасы ретінде анықтап, релятивистік масса тұжырымдамасын дамытты. Осылайша, масса күш пен үдеу арақатынасы ретінде анықталған бойлық және көлденең массаның бұрынғы анықтамасы қажетсіз болып қалды. Соңында, Толман (1912) релятивистік массаны дененің массасы деп қарапайым түсіндірді. Дегенмен, қазіргі көптеген салыстырмалылық оқулықтарында релятивистік масса тұжырымдамасы қолданылмайды және ерекше салыстырмалылық теориясында масса өзгермейтін шама ретінде қарастырылады.

Масса және энергия

Эйнштейн (1906) энергияның инерциясының (масса-энергия эквиваленттігі) масса орталығы теоремасының сақталуы үшін қажетті және жеткілікті шарт екенін көрсетті. Осыған орай, ол Пуанкаренің масса орталығы жөніндегі (1900б) және өзінің мақаласының формалды математикалық мазмұнының басым бөлігі бірдей екенін, бірақ физикалық түсіндірудің салыстырмалылық теориясы тұрғысынан ерекшеленетінін атап өтті.

Физо мен Сагнактың тәжірибелері

Жоғарыда түсіндірілгендей, Лоренц 1895 жылы электромагниттік теория мен жергілікті уақыт тұжырымын қолдану арқылы Френельдің сүйреу коэффициентін (v/c шамасының бірінші дәрежесімен) және Физо экспериментін алуға жетістікке ие болды. Якоб Лаубтың (1907) релятивистік "қозғалатын денелердің оптикасын" жасауға жасаған алғашқы тың бастауларынан кейін, Макс фон Лауэ (1907) релятивистік жылдамдықтарды қосу заңының коллинеарлық жағдайын пайдаланып, барлық дәрежелер үшін коэффициентті шығарды. Сонымен қатар, Лауэнің есептеуі Лоренц қолданған күрделі әдістерге қарағанда әлдеқайда оңай болды. 1909–11 жылдары Франц Харрес (1912) Физо және Сагнак эксперименттерінің синтезі саналатын эксперимент жүргізді. Ол шыны ішіндегі сүйреу коэффициентін өлшеуге тырысты. Физодан өзгеше, ол айналмалы құрылғы қолданды, сондықтан Сагнакпен ұқсас эффектті тапты. Харрес өзі нәтиженің мағынасын дұрыс түсінбесе де, Лауэ Харрес экспериментінің теориялық түсіндірмесі Сагнак эффектісімен сәйкес келетінін көрсетті. Соңында, Микельсон–Гейл–Пирсон эксперименті (1925, Сагнак экспериментінің бір түрі) Жердің бұрыштық жылдамдығын көрсетті, бұл арнайы салыстырмалылық теориясымен және тыныш эфирмен үйлесімді болды.

Бір мезгілде болудың салыстырмалылығы

Сонымен қатар, жарық сигналдарымен синхрондау арқылы бір мезгілделік салыстырмалылығының алғашқы есептеулері де қарапайымдатылды. Дэниел Фрост Комсток (1910) бақылаушыны А және В екі сағатының арасына орналастырды. Осы бақылаушыдан екі сағатқа да сигнал жіберіледі, ал А мен В тыныш тұрғанда олар бір уақытта іске қосылады. Бірақ А мен В қозғалыстағы жүйеден қарағанда, алдымен В сағаты іске қосылады, содан кейін А сағаты – демек, сағаттар синхронды емес. Сондай-ақ Эйнштейн (1917) А мен В арасында бақылаушы орналасқан модель жасады. Дегенмен, оның сипаттамасында қозғалып келе жатқан пойыздың ішіндегі бақылаушыға А және В-дан екі сигнал жіберіледі. А мен В тыныш тұрған жүйеден қарағанда, сигналдар бір уақытта жіберіледі және бақылаушы "В-дан келе жатқан жарық сәулесіне қарай асығып барады, ал А-дан келе жатқан жарық сәулесінен озады. Сондықтан бақылаушы В сәулесін А сәулесінен бұрын көреді. Осылайша, теміржол пойзын салыстыру нүктесі ретінде қабылдаған бақылаушылар, В найзағайы А найзағайынан бұрын болды деген қорытындыға келуі керек".

Минковскийдің кеңістігі

Понкаре жаңа механиканы төрт өлшемді түрде қайта құруға тырысты, бірақ оны өзі жалғастырмады. Бұл 19 ғасырдағы көптеген математиктердің, мысалы Артур Кейли, Феликс Клейн немесе Уильям Кингдон Клиффордтың жұмысына негізделген. Олар топтар теориясы, инварианттар теориясы және проективті геометрияға үлес қосты, сондай-ақ Кейли-Клейн метрикасы немесе гиперболоидтық модель сияқты ұғымдарды тұжырымдады, онда интервал және оның инварианттылығы гиперболалық геометрия тұрғысынан анықталды. Осыған ұқсас әдістерді қолдана отырып, Минковский Лоренц түрлендіруінің геометриялық интерпретациясын жасады. Ол, мысалы, төрт вектор ұғымын толықтырды, кеңістік-уақытты бейнелеу үшін Минковский диаграммасын жасады, алғаш рет әлем сызығы, өзіндік уақыт, Лоренц инварианттығы/коварианттығы сияқты терминдерді қолданды және электродинамиканың төрт өлшемді формулировкасын ұсынды. Поинкаре сияқты, ол да Лоренц инвариантты гравитация заңын тұжырымдауға тырысты, бірақ бұл жұмысы кейін Эйнштейннің гравитация бойынша жасаған еңбектерімен ығыстырылды. 1907 жылы Минковский салыстырмалылық принципін формулировкалауға үлес қосқан төрт алдасты атады: Лоренц, Эйнштейн, Понкаре және Планк. Ал 1908 жылғы «Ғарыш және уақыт» атты танымал лекциясында ол Войгт, Лоренц және Эйнштейн туралы айтты. Минковский Эйнштейннің теориясын Лоренцтің жалпылауы деп есептеді және Эйнштейннің уақыттың салыстырмалылығын толыққанды тұжырымдағаны үшін оған риза болды, бірақ ол алдыңғыларын кеңістіктің салыстырмалылығын толық дамытпағаны үшін сынады. Дегенмен, қазіргі ғылым тарихшылары Минковскийдің басымдыққа талап етуі негізсіз деп санайды, себебі Минковский (Вин немесе Абрахам сияқты) электромагниттік әлем туралы көзқарасқа мойын бұрды және, көрінетіндей, Лоренцтің электрондық теориясы мен Эйнштейннің кинематикасы арасындағы айырмашылықты толыққанды түсінбеді. 1908 жылы Эйнштейн мен Лауб Минковскийдің төрт өлшемді электродинамикасын тым күрделі, «артық білім» деп қарастырып, қозғалатын денелерге арналған негізгі теңдеулердің «әлдеқайда қарапайым», төрт өлшемді емес туындысын жариялады. Бірақ, дәл Минковскийдің геометриялық моделі (а) арнайы салыстырмалылық теориясы толық және ішкі тұйықталған теория екенін көрсетті, (b) Лоренц инвариантты өзіндік уақыт аралығын қосты (бұл қозғалатын сағаттардың нақты көрсеткіштерін ескереді) және (с) салыстырмалылық теориясын одан әрі дамытуға негіз болды. Соңғы деректерге сәйкес, Лоренц түрлендірулері гиперболалық айналымдарға баламалы. Алайда Варичак (1910) стандартты Лоренц түрлендіруі гиперболалық кеңістіктегі трансляция екенін көрсетті.

Векторлық жазу және жабық жүйелер

Минковскийдің кеңістік-уақыт формализмі тез қабылданып, одан әрі дамытылды. Ол Минковскийдің электромагниттік процестерге арналған өрнектерін барлық мүмкін күштерге дейін кеңейтті, соның арқасында масса-энергия эквиваленттігінің түсінігі нақтыланды. Лауэ де Лоренц трансформациясының қасиеттерін қамтамасыз ету үшін электрлік емес күштердің қажеттігін көрсетті, сондай-ақ материяның тұрақтылығы үшін "Пуанкаре кернеулері" (жоғарыда айтылғандай) – салыстырмалылық теориясының табиғи салдары екенін дәлелдеді, осылайша электрон жабық жүйе бола алады.

Екінші постулатсыз Лоренц түрлендіруі

Лоренц түрлендіруін жарық жылдамдығының тұрақтылығы постулатысыз шығаруға әрекеттер жасалды. Владимир Игнатовский (1910) мысалы, осы мақсатта (а) салыстырмалылық принципін, (b) кеңістіктің біртектілігі мен изотропиясын және (с) өзаралық талабын пайдаланды. Филипп Франк пен Герман Роте (1911) бұл шығару толық емес және қосымша болжамдар қажет екенін дәлелдеді. Олардың өз есептеулері мына болжамдарға негізделген: (а) Лоренц түрлендіруі біртекті сызықтық топты құрайды, (b) координаттар жүйесін ауыстырғанда, салыстырмалы жылдамдықтың таңбасы ғана өзгереді, (в) ұзындық қысқаруы тек салыстырмалы жылдамдыққа ғана байланысты. Дегенмен, Паули мен Миллердің пікірінше, мұндай модельдер өз түрлендірулеріндегі өзгермейтін жылдамдықты жарық жылдамдығымен сәйкестендіру үшін жеткіліксіз болды – мысалы, Игнатовский жарық жылдамдығын қосу үшін электродинамикаға жүгінуге мәжбүр болды. Сондықтан Паули және басқалар Лоренц түрлендіруін шығару үшін екі постулаттың да қажет екенін айтты. Алайда, бүгінгі күнге дейін басқалар да арнайы салыстырмалылықты жарық постулатынсыз шығаруға тырысып келеді.

Эвклидтік емес формулалар қиялдық уақыт координатысыз

Минковский өзінің 1907 және 1908 жылдардағы ертедегі еңбектерінде Пуанкареге еріп, кеңістік пен уақытты бірге күрделі түрде (x, y, z, ict) көрсетіп, Евклид кеңістігімен формалды ұқсастығын атап өтті. Ол кеңістік-уақыттың белгілі бір мағынада төрт өлшемді Евклидтік емес манифольд екенін байқады. Сомерфельд (1910) Минковскийдің күрделі бейнелеуін шар геометриясы арқылы бір-біріне параллель емес жылдамдықтарды біріктіру үшін пайдаланды, соның нәтижесінде Эйнштейннің қосу формуласын туындатты. Кейінгі авторлар, негізінен Варичак, жолжаба уақыт координатасын қолданбай, нақты Евклидтік емес (яғни Лобачевский) формада жазып, Альфред Роббтың (1911) бұрын енгізген жылдамдық концепциясын пайдалана отырып, салыстырмалылықты қайта қарастырды; Эдвин Бидуэлл Уилсон және Гилберт Н. Льюис (1912) кеңістік-уақыт үшін векторлық нотация енгізді; Эмиль Борел (1913) Эвклидтік емес кеңістіктегі параллель көшудің Томас прецессиясының кинематикалық негізін қалай қамтамасыз ететінін, Томас оны эксперименталды түрде ашқаннан он екі жыл бұрын көрсетті; Феликс Кляйн (1910) және Людвик Сильберштейн (1914) де осындай әдістерді қолданды. Бір тарихшының пікірінше, Евклидтік емес стиль "жаңалықтар ашудағы шығармашылық күші" жағынан көп көрсетпеген, бірақ кейбір жағдайларда, әсіресе жылдамдықтарды қосу заңында, белгілі бір нотациялық артықшылықтарды ұсынды.

Уақыт дилатациясы және егіздер парадоксы

Эйнштейн (1907а) уақыттың кеңеюінің тікелей салдары ретінде көлденең Допплер эффектін анықтау әдісін ұсынды. Ал шындығында, бұл эффект 1938 жылы Герберт Ивс және Г. Р. Стилвелл (Ивс-Стилвелл эксперименті) өлшеді. Льюис және Толман (1909) екі жарық сағаты А және В арқылы уақыттың кеңеюінің өзара байланысын сипаттады, бұл сағаттар бір-біріне белгілі бір салыстырмалы жылдамдықпен қозғалады. Сағаттар бір-біріне және қозғалыс бағытына параллель екі жазық айнадан тұрады. Айналар арасында жарық сигналы серпіліп, А-мен бірдей координаттық жүйедегі бақылаушы үшін А сағатының периоды – айналар арасындағы қашықтық, жарық жылдамдығына бөлінген. Бірақ егер бақылаушы В сағатына қараса, ол сигналдың ішінде ұзақ, бұрышты жолмен қозғалатынын көреді, демек В сағаты А-дан баяу. Дегенмен, В сағатымен бірге қозғалатын бақылаушы үшін жағдай толығымен кері: В сағаты жылдам, ал А – баяу. Лоренц (1910–1912) уақыттың кеңеюінің өзара байланысын талқылады және уақыттың кеңеюінің өзара байланысының салдарынан туындайтын сағаттық «парадокс» талдады. Лоренц бір жүйеде бір ғана сағат қолданылатынын, ал екінші жүйеде екі сағат қажет екенін, сондай-ақ бір мезгілдестіктің салыстырмалылығы толық ескерілетінін көрсетті, осылайша парадоксқа орын жоқ екенін дәлелдеді. 1911 жылы Пол Лангевин осындай жағдайды жасады, кейін «екі егіздің парадоксы» деп аталды, онда ол сағаттарды адамдармен ауыстырды (Лангевин ешқашан «екі егіз» деген сөзді қолданған жоқ, бірақ оның сипаттамасында парадоксқа тән барлық басқа белгілер бар). Лангевин парадоксқа шешім тапты, бір егіздің үдеп, бағытын өзгертетінін көрсетті, сондықтан симметрия бұзылады және үдетілген егіз жас болады. Алайда Лангевин мұны эфирдің бар екендігіне меңзеу ретінде түсіндірді. Лангевиннің түсіндірмесін кейбір адамдар әлі де қабылдаса да, эфирге қатысты оның тұжырымдары кеңінен қабылданбады. Лауэ (1913) кез келген үдеуді егіздің инерциялық қозғалысына қатысты кез келген деңгейде кішірейте алатынын көрсетті, сондай-ақ нақты түсіндірме – егіздің біреуі саяхаты кезінде екі түрлі инерциялық жүйеде тыныштықта болады, ал екінші егіз бір инерциялық жүйеде тыныштықта болады. Лауэ сондай-ақ ерекше салыстырмалылық теориясы үшін Минковскинің кеңістік-уақыт моделіне негізделген жағдайды алғаш рет талдады, инерциялық қозғалатын денелердің әлемдік сызықтары екі оқиға арасындағы өткен уақытты қалай барынша арттыратынын көрсетті.

Жылдамдату

Эйнштейн (1908) арнайы салыстырмалылық теориясының шеңберінде, алдын ала, үдемелі жүйелерді де салыстырмалылық принципіне енгізуге тырысты. Осы әрекеті барысында ол, дененің кез келген үдеу сәті үшін, үдемелі дененің уақытша тоқтатылатын инерциялық эталондық жүйені анықтауға болатынын байқады. Соның салдарынан, осылай анықталған үдемелі жүйелерде, жарық жылдамдығының тұрақтылығын қолданып бір мезгілділікті анықтау, тек шағын аумақтармен ғана шектеледі. Алайда, Эйнштейн осы зерттеу барысында қолданған теңдестік принципі – инерциялық және гравитациялық массаның теңдігін, сондай-ақ үдемелі жүйелер мен біртекті гравитациялық өрістердің эквиваленттігін білдіретін принцип – арнайы салыстырмалылықтың шегінен асып, жалпы салыстырмалылықтың қалыптасуына әкелді. Эйнштейнмен дер кезінде Минковский (1908) өзінің кеңістік-уақыт формализмінде біркелкі үдеулердің ерекше жағдайын қарастырды. Ол, мұндай үдемелі дененің траекториясы гиперболаға сәйкес келетінін анықтады. Бұл идеяны Борн (1909) және Сомерфельд (1910) одан әрі дамытты, Борн «гиперболалық қозғалыс» терминін енгізді. Ол, біркелкі үдеуді арнайы салыстырмалылықтағы кез келген үдеу түрінің жуықтауы ретінде қолдануға болатынын атап өтті. Сонымен қатар, Гарри Бейтман мен Эбенезер Каннингэм (1910) Максвелл теңдеулерінің Лоренц тобынан гөрі әлдеқайда кең трансформация тобына қатысты инвариантты екенін көрсетті, яғни сфералық толқын трансформациялары – конформдық трансформациялардың бір түрі. Осы трансформациялар кезінде теңдеулер кейбір үдемелі қозғалыстар үшін өз формасын сақтайды. Минковский кеңістігіндегі электродинамиканың жалпы ковариантты формулировкасын Фридрих Коттлер (1912) берді, бұл формулировка жалпы салыстырмалылық үшін де жарамды. Арнайы салыстырмалылықтағы үдемелі қозғалыстың сипаттамасын одан әрі дамытуға қатысты, Лангевин және басқалардың айналмалы жүйелер (Борн координаттары), ал Вольфганг Риндлер және басқалардың біркелкі үдемелі жүйелер (Риндлер координаттары) бойынша жұмыстарын атап өту қажет.

Қатты денелер және Эренфест парадоксы

Эйнштейн (1907б) қатты денелерде де, барлық басқа жағдайларда да ақпараттың жылдамдығы жарық жылдамдығынан асып кете ала ма деген сұраққа тоқталды және осы жағдайда ақпарат өткенге жіберілуі мүмкін екенін, соның салдарынан себеп-салдарлық байланыс бұзылатынын түсіндірді. Бұл тәжірибедегі барлық деректерге қайшы болғандықтан, жарықтан асып түсетін жылдамдықтар мүмкін емес деп есептеледі. Ол сондай-ақ, қатаң дененің динамикасын арнайы салыстырмалылық теориясының (СР) шеңберінде құру қажеттігін атап өтті. Соңында Макс Борн (1909) үдемелі қозғалысқа қатысты жоғарыда аталған жұмысында, SR-ға қатты денелер тұжырымдамасын енгізуге тырысты. Бірақ Пол Эренфест (1909) Борнның тұжырымдамасы Эренфест парадоксына алып келетінін көрсетті, онда ұзындық қысқарудың нәтижесінде айналмалы дискінің шеңбері қысқарады, ал радиусы өзгермейді. Бұл мәселені Гюстав Герглоц (1910), Фриц Нотер (1910) және фон Лауэ (1911) де қарастырды. Лауэ классикалық тұжырымдаманың SR-да қолданылмайтынын мойындады, себебі "қатаң" дененің шексіз көп еркіндік дәрежесі бар. Борнның анықтамасы қатты денелерге қолданылмаса да, денелердің қатты қозғалысын сипаттауда өте пайдалы болды. Эренфест парадоксымен байланысты, ұзындықтың қысқаруы "шынайы" ма, әлде "көрінетін" бе, және Лоренцтің динамикалық қысқаруы мен Эйнштейннің кинематикалық қысқаруы арасында айырмашылық бар ма деген мәселе де талқыланды (Владимир Варичак және басқалар). Алайда, бұл негізінен терминологиялық дау болды, өйткені Эйнштейннің айтуынша, кинематикалық ұзындықтың қысқаруы бірге қозғалатын бақылаушы үшін "көрінетін", ал тыныш тұрған бақылаушы үшін "шынайы" және оның салдары өлшенуге жатады.

Арнайы салыстырмалылық теориясын қабылдау

Планк 1909 жылы қазіргі салыстырмалылық принципінің салдарларын – ол әсіресе уақыттың салыстырмалылығына тоқталды – Коперник жүйесі жасаған төңкеріспен салыстырды. Поанкаре 1905 жылы ұқсас аналогия келтірді. Физиктердің арнайы салыстырмалылықты қабылдауына ықпал еткен маңызды фактор – Поанкаре мен Минковскийдің оны кеңістік-уақыт теориясына жетілдіруі болды. Аз ғана теориялық физиктер, мысалы, Абрахам, Лоренц, Пуанкаре немесе Ланжевен ғана эфирдің бар екендігіне сеніп қалды. Лоренц және Поанкаре эфир арқылы қозғалысты анықтау мүмкін емес деп үнемі дәлелдеген. Эйнштейн 1915 жылы оны жалпы салыстырмалылық теориясынан ерекшелеу үшін "арнайы салыстырмалылық теориясы" терминін қолданды.

Гравитация

Гравитацияның релятивистік теориясын тұжырымдауға алғашқы тытынуды Пуанкаре (1905) жасады. Ол Ньютонның гравитация заңының Лоренц ковариантты формаға ие болуы үшін оны өзгертуге тырысты. Ол релятивистік заңның көптеген мүмкіндіктері бар екенін атап өтті және олардың екеуін талқылады. Пьер Симон Лапластың гравитация жылдамдығы жарық жылдамдығынан әлдеқайда жоғары деген пікірінің релятивистік теория аясында дұрыс еместігін Пуанкаре көрсетті. Яғни, гравитацияның релятивистік теориясында, гравитация жылдамдығы жарық жылдамдығына тең болған жағдайда да планеталардың орбиталары тұрақты болады. Поанкаре ұсынған сияқты модельдерді Минковский (1907b) және Зоммерфельд (1910) да талқылады. Дегенмен, Авраам (1912) осы модельдердің гравитацияның «векторлық теориялары» класына жататынын көрсетті. Бұл теориялардың басты кемшілігі – олар заттың маңындағы гравитациялық энергияның теріс мәнін қамтиды, бұл энергия принципін бұзуға әкеледі. Соған альтернатива ретінде Авраам (1912) және Густав Ми (1913) гравитацияның әртүрлі «скалярлық теорияларын» ұсынды. Ми өзінің теориясын ешқашан дәйекті түрде тұжырымдамаса, Авраам Лоренц коварианттылығынан (оның ішінде локальды түрде) толығымен бас тартты, сондықтан ол релятивистік теориямен үйлесімсіз болды. Бұған қоса, барлық модельдер теңдік принципін бұзды, ал Эйнштейн Лоренц коварианттылығын қанағаттандыратын және теңдік принципіне сәйкес келетін теорияны құру мүмкін емес екенін айтты. Алайда, Гуннар Нордстрём (1912, 1913) екі талапты да қанағаттандыратын модель құра алды. Бұл гравитациялық және инерциялық массаны гравитациялық потенциалға тәуелді ету арқылы іске асырылды. Нордстрёмнің гравитация теориясы ерекше болды, себебі Эйнштейн мен Адриан Фокер (1914) көрсеткендей, бұл модельде гравитацияны кеңістік-уақыт қисықтығы тұрғысынан толық сипаттауға болады. Нордстрёмнің теориясы қарама-қайшылықсыз болғанымен, Эйнштейннің пікірінше, маңызды мәселе сақталды: ол жалпы коварианттылықтың маңызды шартын орындамайды, себебі бұл теорияда әлі де ерекше анықтамалық жүйелерді құруға болады. Осы себепті, аталған «скалярлық теорияларға» қарсы Эйнштейн (1911–1915) «тензорлық теорияны» (яғни жалпы салыстырмалылық теориясын) жасады, ол теңдік принципі мен жалпы коварианттылықты да қанағаттандырады. Соның салдарынан, гравитацияның толық «арнайы релятивистік» теориясы туралы түсініктерден бас тарту қажет болды, өйткені жалпы салыстырмалылық теориясында жарық жылдамдығының тұрақтылығы (және Лоренц коварианттылығы) тек локальды түрде ғана жарамды. Бұл модельдердің арасындағы шешімді Эйнштейн шығарды, ол Меркурий планетасының перигелийлік прецессиясын дәл есептесе, ал басқа теориялар қате нәтижелер берді. Бұған қоса, Күнге жақын жарықтың бұрылуының дұрыс мәнін тек Эйнштейннің теориясы ғана көрсетті.

Кванттық өріс теориясы

Салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканы біріктіру қажеттілігі кванттық өріс теориясының дамуындағы маңызды себептердің бірі болды. Паскуаль Джордан мен Вольфганг Паули 1928 жылы кванттық өрістерді релятивистік болуға бейімдеуге болатынын көрсетті, ал Пол Дирак электрондар үшін Дирак теңдеуін жасап, осы арқылы антиматерияның бар екенін болжады. Содан бері көптеген басқа да салалар релятивистік тұрғысынан қайта қарастырылды: релятивистік термодинамика, релятивистік статистикалық механика, релятивистік гидродинамика, релятивистік кванттық химия, релятивистік жылу өткізгіштік және т.б.

Эксперименттік дәлелдер

Жоғарыда айтылғандай, арнайы салыстырмалылықты растайтын маңызды алғашқы эксперименттер Физо эксперименті, Микельсон-Морли эксперименті, Кауфман-Бухерер-Нейманн эксперименттері, Траутон-Нобль эксперименті, Рэйли және Брейс эксперименттері, сондай-ақ Траутон-Ранкин эксперименті болды. 1920 жылдары Микельсон-Морли типтес эксперименттер сериясы өткізіліп, салыстырмалылық бастапқы экспериментке қарағанда одан да жоғары дәлдікпен расталды. Басқа бір типтегі интерферометрлік эксперимент – 1932 жылғы Кеннеди-Торндайк эксперименті, ол жарық жылдамдығының аппараттың жылдамдығынан тәуелсіз екенін көрсетті. Уақыттың өзгеруі 1938 жылғы Айвс-Стилвелл экспериментімен және 1940 жылы қозғалмалы бөлшектердің ыдырау жылдамдығын өлшеу арқылы тікелей өлшенді. Осы эксперименттердің барлығы бірнеше рет қайталанып, дәлдігі артты. Сонымен қатар, жарық жылдамдығына массивті денелердың жете алмайтыны көптеген релятивистік энергия және импульс сынақтарында анықталды. Сондықтан, бөлшектерді үдеткіштерін құрастыруда осы релятивистік эффекттерді білу қажет. 1962 жылы Дж.Г. Фокс жарық жылдамдығының тұрақтылығын тексеруге жасалған барлық бұрынғы эксперименттік сынақтар стационар материал арқылы өткен жарықпен жүргізілгенін көрсетті: шыны, ауа немесе терең ғарыш кеңістігінің толық емес вакуумы. Осының салдарынан, барлығы жойылу теоремасының әсеріне ұшырады. Бұл өлшенген жарықтың жылдамдығы бастапқы көзінен өзгеше болуы мүмкін екенін білдірді. Ол арнайы салыстырмалылықтың екінші постулатының әлі толыққанды дәлелденбегенін атап өтті. Эксперименттік деректердегі бұл күтпеген олқылық Фокс және Альвагер және басқалар жүргізген эксперименттер арқылы жылдам жабылды. Бұл эксперименттерде жоғары энергиялы мезондардан алынған гамма-сәулелері қолданылды. Өлшенген фотондардың жоғары энергия деңгейі және жойылу эффектілерін ең мұқият ескеру олардың нәтижелеріндегі кез келген күмәнді жойды. Арнайы салыстырмалылықты тексеру үшін көптеген басқа да сынақтар жүргізілді, кванттық гравитацияның белгілі бір варианттарында Лоренц инварианттығының бұзылу мүмкіндігі зерттелді. Алайда, жарық жылдамдығының анизотропиясының белгісі тіпті 10−17 деңгейінде де табылған жоқ, ал кейбір эксперименттер тіпті 10−40 деңгейінде Лоренц бұзылуын жоққа шығарды, қараңыз Лоренц бұзылуын іздеудің қазіргі әдістері.

Басымдық

Кейбіреулер Эйнштейн емес, Поанкаре мен Лоренц ерекше салыстырмалылық теориясын ашқан нағыз адамдар деп санайды. Толығырақ ақпаратты "Салыстырмалылық теориясының авторлық құқығы үшін күрес" мақаласынан қараңыз.

Сындар

Кейбіреулер Арнайы салыстырмалылық теориясын әр түрлі себептермен сынға алды, мысалы, эмпирикалық деректердің жетіспеуі, ішкі үйлесімсіздіктер, математикалық физиканы принцип бойынша қабылдамау, немесе философиялық көзқарастар. Дегенмен, ғылыми қауымдастықтың басым көпшілігі Арнайы салыстырмалылық теориясы көптеген тә тәжірибелермен расталғандығына және теорияның ішінде ешқандай қайшылықтар жоқ екендігіне келіседі.