Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
none
The history of special relativity consists of many theoretical results and empirical findings obtained by Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré and others. It culminated in the theory of special relativity proposed by Albert Einstein and subsequent work of Max Planck, Hermann Minkowski and others.
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.
Although Isaac Newton based his physics on absolute time and space, he also adhered to the principle of relativity of Galileo Galilei restating it precisely for mechanical systems. This can be stated as: as far as the laws of mechanics are concerned, all observers in inertial motion are equally privileged, and no preferred state of motion can be attributed to any particular inertial observer. However, as to electromagnetic theory and electrodynamics, during the 19th century the wave theory of light as a disturbance of a "light medium" or luminiferous aether was widely accepted, the theory reaching its most developed form in the work of James Clerk Maxwell. According to Maxwell's theory, all optical and electrical phenomena propagate through that medium, which suggested that it should be possible to experimentally determine motion relative to the aether. The failure of any known experiment to detect motion through the aether led Hendrik Lorentz, starting in 1892, to develop a theory of electrodynamics based on an immobile luminiferous aether (about whose material constitution Lorentz did not speculate), physical length contraction, and a "local time" in which Maxwell's equations retain their form in all inertial frames of reference. Working with Lorentz's aether theory, Henri Poincaré, having earlier proposed the "relativity principle" as a general law of nature (including electrodynamics and gravitation), used this principle in 1905 to correct Lorentz's preliminary transformation formulas, resulting in an exact set of equations that are now called the Lorentz transformations. A little later in the same year Albert Einstein published his original paper on special relativity in which, again based on the relativity principle, he independently derived and radically reinterpreted the Lorentz transformations by changing the fundamental definitions of space and time intervals, while abandoning the absolute simultaneity of Galilean kinematics, thus avoiding the need for any reference to a luminiferous aether in classical electrodynamics. Subsequent work of Hermann Minkowski, in which he introduced a 4 dimensional geometric "spacetime" model for Einstein's version of special relativity, paved the way for Einstein's later development of his general theory of relativity and laid the foundations of relativistic field theories.
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.
Following the work of Thomas Young (1804) and Augustin Jean Fresnel (1816), it was believed that light propagates as a transverse wave within an elastic medium called luminiferous aether. However, a distinction was made between optical and electrodynamical phenomena so it was necessary to create specific aether models for all phenomena. Attempts to unify those models or to create a complete mechanical description of them did not succeed, but after considerable work by many scientists, including Michael Faraday and Lord Kelvin, James Clerk Maxwell (1864) developed an accurate theory of electromagnetism by deriving a set of equations in electricity, magnetism and inductance, named Maxwell's equations. He first proposed that light was in fact undulations (electromagnetic radiation) in the same aetherial medium that is the cause of electric and magnetic phenomena. However, Maxwell's theory was unsatisfactory regarding the optics of moving bodies, and while he was able to present a complete mathematical model, he was not able to provide a coherent mechanical description of the aether. After Heinrich Hertz in 1887 demonstrated the existence of electromagnetic waves, Maxwell's theory was widely accepted. In addition, Oliver Heaviside and Hertz further developed the theory and introduced modernized versions of Maxwell's equations. The "Maxwell–Hertz" or "Heaviside–Hertz" equations subsequently formed an important basis for the further development of electrodynamics, and Heaviside's notation is still used today. 60 km/s different in the northern winter than summer). So the physicists were confronted with two seemingly contradictory experiments: the 1886 experiment as an apparent confirmation of Fresnel's stationary aether, and the 1887 experiment as an apparent confirmation of Stokes' completely dragged aether. A possible solution to the problem was shown by Woldemar Voigt (1887), who investigated the Doppler effect for waves propagating in an incompressible elastic medium and deduced transformation relations that left the wave equation in free space unchanged, and explained the negative result of the Michelson–Morley experiment. The Voigt transformations include the Lorentz factor for the y and z coordinates, and a new time variable which later was called "local time". However, Voigt's work was completely ignored by his contemporaries. FitzGerald (1889) offered another explanation of the negative result of the Michelson–Morley experiment. Contrary to Voigt, he speculated that the intermolecular forces are possibly of electrical origin so that material bodies would contract in the line of motion (length contraction). This was in connection with the work of Heaviside (1887), who determined that the electrostatic fields in motion were deformed (Heaviside Ellipsoid), which leads to physically undetermined conditions at the speed of light. However, FitzGerald's idea remained widely unknown and was not discussed before Oliver Lodge published a summary of the idea in 1892. Also Lorentz (1892b) proposed length contraction independently from FitzGerald in order to explain the Michelson–Morley experiment. For plausibility reasons, Lorentz referred to the analogy of the contraction of electrostatic fields. However, even Lorentz admitted that that was not a necessary reason and length contraction consequently remained an ad hoc hypothesis.
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.
Lorentz (1892a) set the foundations of Lorentz aether theory, by assuming the existence of electrons which he separated from the aether, and by replacing the "Maxwell–Hertz" equations by the "Maxwell–Lorentz" equations. In his model, the aether is completely motionless and, contrary to Fresnel's theory, also is not partially dragged by matter. An important consequence of this notion was that the velocity of light is totally independent of the velocity of the source. Lorentz gave no statements about the mechanical nature of the aether and the electromagnetic processes, but, rather, tried to explain the mechanical processes by electromagnetic ones and therefore created an abstract electromagnetic æther. In the framework of his theory, Lorentz calculated, like Heaviside, the contraction of the electrostatic fields. Lorentz also recognized that his theory violated the principle of action and reaction, since the aether acts on matter, but matter cannot act on the immobile aether. A very similar model was created by Joseph Larmor (1897, 1900). Larmor was the first to put Lorentz's 1895 transformation into a form algebraically equivalent to the modern Lorentz transformations, however, he stated that his transformations preserved the form of Maxwell's equations only to second order of Lorentz later noted that these transformations did in fact preserve the form of Maxwell's equations to all orders of Larmor noticed on that occasion that length contraction was derivable from the model; furthermore, he calculated some manner of time dilation for electron orbits. Larmor specified his considerations in 1900 and 1904. Independently of Larmor, Lorentz (1899) extended his transformation for second order terms and noted a (mathematical) time dilation effect as well. Other physicists besides Lorentz and Larmor also tried to develop a consistent model of electrodynamics. For example, Emil Cohn (1900, 1901) created an alternative electrodynamics in which he, as one of the first, discarded the existence of the aether (at least in the previous form) and would use, like Ernst Mach, the fixed stars as a reference frame instead. Due to inconsistencies within his theory, like different light speeds in different directions, it was superseded by Lorentz's and Einstein's.
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.
During his development of Maxwell's Theory, J. J. Thomson (1881) recognized that charged bodies are harder to set in motion than uncharged bodies. Electrostatic fields behave as if they add an "electromagnetic mass" to the mechanical mass of the bodies. I. e., according to Thomson, electromagnetic energy corresponds to a certain mass. This was interpreted as some form of self inductance of the electromagnetic field. He also noticed that the mass of a body in motion is increased by a constant quantity. Thomson's work was continued and perfected by FitzGerald, Heaviside (1888), and George Frederick Charles Searle (1896, 1897). For the electromagnetic mass they gave — in modern notation — the formula , where is the electromagnetic mass and is the electromagnetic energy. Heaviside and Searle also recognized that the increase of the mass of a body is not constant and varies with its velocity. Consequently, Searle noted the impossibility of superluminal velocities, because infinite energy would be needed to exceed the speed of light. Also for Lorentz (1899), the integration of the speed dependence of masses recognized by Thomson was especially important. He noticed that the mass not only varied due to speed, but is also dependent on the direction, and he introduced what Abraham later called "longitudinal" and "transverse" mass. (The transverse mass corresponds to what later was called relativistic mass.) Wilhelm Wien (1900) assumed (following the works of Thomson, Heaviside, and Searle) that the entire mass is of electromagnetic origin, which was formulated in the context that all forces of nature are electromagnetic ones (the "Electromagnetic World View"). Wien stated that, if it is assumed that gravitation is an electromagnetic effect too, then there has to be a proportionality between electromagnetic energy, inertial mass and gravitational mass. In the same paper Henri Poincaré (1900b) found another way of combining the concepts of mass and energy. He recognized that electromagnetic energy behaves like a fictitious fluid with mass density of (or ) and defined a fictitious electromagnetic momentum as well. However, he arrived at a radiation paradox which was fully explained by Einstein in 1905. Walter Kaufmann (1901–1903) was the first to confirm the velocity dependence of electromagnetic mass by analyzing the ratio (where is the charge and the mass) of cathode rays. He found that the value of decreased with the speed, showing that, assuming the charge constant, the mass of the electron increased with the speed. He also believed that those experiments confirmed the assumption of Wien, that there is no "real" mechanical mass, but only the "apparent" electromagnetic mass, or in other words, the mass of all bodies is of electromagnetic origin. Max Abraham (1902–1904), who was a supporter of the electromagnetic world view, quickly offered an explanation for Kaufmann's experiments by deriving expressions for the electromagnetic mass. Together with this concept, Abraham introduced (like Poincaré in 1900) the notion of "electromagnetic momentum" which is proportional to But unlike the fictitious quantities introduced by Poincaré, he considered it as a real physical entity. Abraham also noted (like Lorentz in 1899) that this mass also depends on the direction and coined the names "longitudinal" and "transverse" mass. In contrast to Lorentz, he did not incorporate the contraction hypothesis into his theory, and therefore his mass terms differed from those of Lorentz. Based on the preceding work on electromagnetic mass, Friedrich Hasenöhrl suggested that part of the mass of a body (which he called apparent mass) can be thought of as radiation bouncing around a cavity. The "apparent mass" of radiation depends on the temperature (because every heated body emits radiation) and is proportional to its energy. Hasenöhrl stated that this energy apparent mass relation only holds as long as the body radiates, i. e., if the temperature of a body is greater than 0 K. At first he gave the expression for the apparent mass; however, Abraham and Hasenöhrl himself in 1905 changed the result to , the same value as for the electromagnetic mass for a body at rest.
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.
Some scientists and philosophers of science were critical of Newton's definitions of absolute space and time. Ernst Mach (1883) argued that absolute time and space are essentially metaphysical concepts and thus scientifically meaningless, and suggested that only relative motion between material bodies is a useful concept in physics. Mach argued that even effects that according to Newton depend on accelerated motion with respect to absolute space, such as rotation, could be described purely with reference to material bodies, and that the inertial effects cited by Newton in support of absolute space might instead be related purely to acceleration with respect to the fixed stars. Carl Neumann (1870) introduced a "Body alpha", which represents some sort of rigid and fixed body for defining inertial motion. Based on the definition of Neumann, Heinrich Streintz (1883) argued that in a coordinate system where gyroscopes do not measure any signs of rotation inertial motion is related to a "Fundamental body" and a "Fundamental Coordinate System". Eventually, Ludwig Lange (1885) was the first to coin the expression inertial frame of reference and "inertial time scale" as operational replacements for absolute space and time; he defined "inertial frame" as "a reference frame in which a mass point thrown from the same point in three different (non co planar) directions follows rectilinear paths each time it is thrown". In 1902, Henri Poincaré published a collection of essays titled Science and Hypothesis, which included: detailed philosophical discussions on the relativity of space, time, and on the conventionality of distant simultaneity; the conjecture that a violation of the relativity principle can never be detected; the possible non existence of the aether, together with some arguments supporting the aether; and many remarks on non Euclidean vs. Euclidean geometry. There were also some attempts to use time as a fourth dimension. This was done as early as 1754 by Jean le Rond d'Alembert in the Encyclopédie, and by some authors in the 19th century like H. G. Wells in his novel The Time Machine (1895). In 1901 a philosophical model was developed by Menyhért Palágyi, in which space and time were only two sides of some sort of "spacetime". He used time as an imaginary fourth dimension, which he gave the form (where , i. e. imaginary number). However, Palagyi's time coordinate is not connected to the speed of light. He also rejected any connection with the existing constructions of n dimensional spaces and non Euclidean geometry, so his philosophical model bears only little resemblance with spacetime physics, as it was later developed by Minkowski.
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.
In his paper Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light, Lorentz (1904) was following the suggestion of Poincaré and attempted to create a formulation of electrodynamics, which explains the failure of all known aether drift experiments, i. e. the validity of the relativity principle. He tried to prove the applicability of the Lorentz transformation for all orders, although he did not succeed completely. Like Wien and Abraham, he argued that there exists only electromagnetic mass, not mechanical mass, and derived the correct expression for longitudinal and transverse mass, which were in agreement with Kaufmann's experiments (even though those experiments were not precise enough to distinguish between the theories of Lorentz and Abraham). And using the electromagnetic momentum, he could explain the negative result of the Trouton–Noble experiment, in which a charged parallel plate capacitor moving through the aether should orient itself perpendicular to the motion. Also the experiments of Rayleigh and Brace could be explained. Another important step was the postulate that the Lorentz transformation has to be valid for non electrical forces as well. At the same time, when Lorentz worked out his theory, Wien (1903) recognized an important consequence of the velocity dependence of mass. He argued that superluminal velocities were impossible, because that would require an infinite amount of energy — the same was already noted by Thomson (1893) and Searle (1897). And in June 1904, after he had read Lorentz's 1904 paper, he noticed the same in relation to length contraction, because at superluminal velocities the factor becomes imaginary. Lorentz's theory was criticized by Abraham, who demonstrated that on one side the theory obeys the relativity principle, and on the other side the electromagnetic origin of all forces is assumed. Abraham showed, that both assumptions were incompatible, because in Lorentz's theory of the contracted electrons, non electric forces were needed in order to guarantee the stability of matter. However, in Abraham's theory of the rigid electron, no such forces were needed. Thus the question arose whether the Electromagnetic conception of the world (compatible with Abraham's theory) or the Relativity Principle (compatible with Lorentz's Theory) was correct. In a September 1904 lecture in St. Louis named The Principles of Mathematical Physics, Poincaré drew some consequences from Lorentz's theory and defined (in modification of Galileo's Relativity Principle and Lorentz's Theorem of Corresponding States) the following principle: "The Principle of Relativity, according to which the laws of physical phenomena must be the same for a stationary observer as for one carried along in a uniform motion of translation, so that we have no means, and can have none, of determining whether or not we are being carried along in such a motion." He also specified his clock synchronization method and explained the possibility of a "new method" or "new mechanics", in which no velocity can surpass that of light for all observers. However, he critically noted that the relativity principle, Newton's action and reaction, the conservation of mass, and the conservation of energy are not fully established and are even threatened by some experiments. Also Emil Cohn (1904) continued to develop his alternative model (as described above), and while comparing his theory with that of Lorentz, he discovered some important physical interpretations of the Lorentz transformations. He illustrated (like Joseph Larmor in the same year) this transformation by using rods and clocks: If they are at rest in the aether, they indicate the true length and time, and if they are moving, they indicate contracted and dilated values. Like Poincaré, Cohn defined local time as the time that is based on the assumption of isotropic propagation of light. Contrary to Lorentz and Poincaré it was noticed by Cohn, that within Lorentz's theory the separation of "real" and "apparent" coordinates is artificial, because no experiment can distinguish between them. Yet according to Cohn's own theory, the Lorentz transformed quantities would only be valid for optical phenomena, while mechanical clocks would indicate the "real" time. Eventually Poincaré (independently of Einstein) finished a substantially extended work of his June paper (the so called "Palermo paper", received July 23, printed December 14, published January 1906 ). He spoke literally of "the postulate of relativity". He showed that the transformations are a consequence of the principle of least action and developed the properties of the Poincaré stresses. He demonstrated in more detail the group characteristics of the transformation, which he called the Lorentz group, and he showed that the combination is invariant. While elaborating his gravitational theory, he said the Lorentz transformation is merely a rotation in four dimensional space about the origin, by introducing as a fourth imaginary coordinate (contrary to Palagyi, he included the speed of light), and he already used four vectors. He wrote that the discovery of magneto cathode rays by Paul Ulrich Villard (1904) seemed to threaten the entire theory of Lorentz, but this problem was quickly solved. However, although in his philosophical writings Poincaré rejected the ideas of absolute space and time, in his physical papers he continued to refer to an (undetectable) aether. He also continued (1900b, 1904, 1906, 1908b) to describe coordinates and phenomena as local/apparent (for moving observers) and true/real (for observers at rest in the aether). So, with a few exceptions, most historians of science argue that Poincaré did not invent what is now called special relativity, although it is admitted that Poincaré anticipated much of Einstein's methods and terminology.
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.
Planck (1906a) defined the relativistic momentum and gave the correct values for the longitudinal and transverse mass by correcting a slight mistake of the expression given by Einstein in 1905. Planck's expressions were in principle equivalent to those used by Lorentz in 1899. Based on the work of Planck, the concept of relativistic mass was developed by Gilbert Newton Lewis and Richard C. Tolman (1908, 1909) by defining mass as the ratio of momentum to velocity. So the older definition of longitudinal and transverse mass, in which mass was defined as the ratio of force to acceleration, became superfluous. Finally, Tolman (1912) interpreted relativistic mass simply as the mass of the body. However, many modern textbooks on relativity do not use the concept of relativistic mass anymore, and mass in special relativity is considered as an invariant quantity.
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.
Einstein (1906) showed that the inertia of energy (mass–energy equivalence) is a necessary and sufficient condition for the conservation of the center of mass theorem. On that occasion, he noted that the formal mathematical content of Poincaré's paper on the center of mass (1900b) and his own paper were mainly the same, although the physical interpretation was different in light of relativity.
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.
As was explained above, already in 1895 Lorentz succeeded in deriving Fresnel's dragging coefficient (to first order of v/c) and the Fizeau experiment by using the electromagnetic theory and the concept of local time. After first attempts by Jakob Laub (1907) to create a relativistic "optics of moving bodies", it was Max von Laue (1907) who derived the coefficient for terms of all orders by using the colinear case of the relativistic velocity addition law. In addition, Laue's calculation was much simpler than the complicated methods used by Lorentz. Already in 1909–11, Franz Harress (1912) performed an experiment which can be considered as a synthesis of the experiments of Fizeau and Sagnac. He tried to measure the dragging coefficient within glass. Contrary to Fizeau he used a rotating device so he found the same effect as Sagnac. While Harress himself misunderstood the meaning of the result, it was shown by Laue that the theoretical explanation of Harress' experiment is in accordance with the Sagnac effect. Eventually, the Michelson–Gale–Pearson experiment (1925, a variation of the Sagnac experiment) indicated the angular velocity of the Earth itself in accordance with special relativity and a resting aether.
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".
The first derivations of relativity of simultaneity by synchronization with light signals were also simplified. Daniel Frost Comstock (1910) placed an observer in the middle between two clocks A and B. From this observer a signal is sent to both clocks, and in the frame in which A and B are at rest, they synchronously start to run. But from the perspective of a system in which A and B are moving, clock B is first set in motion, and then comes clock A – so the clocks are not synchronized. Also Einstein (1917) created a model with an observer in the middle between A and B. However, in his description two signals are sent from A and B to an observer aboard a moving train. From the perspective of the frame in which A and B are at rest, the signals are sent at the same time and the observer "is hastening towards the beam of light coming from B, whilst he is riding on ahead of the beam of light coming from A. Hence the observer will see the beam of light emitted from B earlier than he will see that emitted from A. Observers who take the railway train as their reference body must therefore come to the conclusion that the lightning flash B took place earlier than the lightning flash A."
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.
Poincaré's attempt of a four dimensional reformulation of the new mechanics was not continued by himself,). This was based on the work of many mathematicians of the 19th century like Arthur Cayley, Felix Klein, or William Kingdon Clifford, who contributed to group theory, invariant theory and projective geometry, formulating concepts such as the Cayley–Klein metric or the hyperboloid model in which the interval and its invariance was defined in terms of hyperbolic geometry. Using similar methods, Minkowski succeeded in formulating a geometrical interpretation of the Lorentz transformation. He completed, for example, the concept of four vectors; he created the Minkowski diagram for the depiction of spacetime; he was the first to use expressions like world line, proper time, Lorentz invariance/covariance, etc. ; and most notably he presented a four dimensional formulation of electrodynamics. Similar to Poincaré he tried to formulate a Lorentz invariant law of gravity, but that work was subsequently superseded by Einstein's elaborations on gravitation. In 1907 Minkowski named four predecessors who contributed to the formulation of the relativity principle: Lorentz, Einstein, Poincaré and Planck. And in his famous lecture Space and Time (1908) he mentioned Voigt, Lorentz and Einstein. Minkowski himself considered Einstein's theory as a generalization of Lorentz's and credited Einstein for completely stating the relativity of time, but he criticized his predecessors for not fully developing the relativity of space. However, modern historians of science argue that Minkowski's claim for priority was unjustified, because Minkowski (like Wien or Abraham) adhered to the electromagnetic world picture and apparently did not fully understand the difference between Lorentz's electron theory and Einstein's kinematics. In 1908, Einstein and Laub rejected the four dimensional electrodynamics of Minkowski as overly complicated "learned superfluousness" and published a "more elementary", non four dimensional derivation of the basic equations for moving bodies. But it was Minkowski's geometric model that (a) showed that the special relativity is a complete and internally self consistent theory, (b) added the Lorentz invariant proper time interval (which accounts for the actual readings shown by moving clocks), and (c) served as a basis for further development of relativity. According to a recent source the Lorentz transformations are equivalent to hyperbolic rotations. However Varicak (1910) had shown that the standard Lorentz transformation is a translation in hyperbolic space.
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.
Minkowski's spacetime formalism was quickly accepted and further developed. He extended Minkowski's expressions for electromagnetic processes to all possible forces and thereby clarified the concept of mass–energy equivalence. Laue also showed that non electrical forces are needed to ensure the proper Lorentz transformation properties, and for the stability of matter – he could show that the "Poincaré stresses" (as mentioned above) are a natural consequence of relativity theory so that the electron can be a closed system.
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.
There were some attempts to derive the Lorentz transformation without the postulate of the constancy of the speed of light. Vladimir Ignatowski (1910) for example used for this purpose (a) the principle of relativity, (b) homogeneity and isotropy of space, and (c) the requirement of reciprocity. Philipp Frank and Hermann Rothe (1911) argued that this derivation is incomplete and needs additional assumptions. Their own calculation was based on the assumptions that: (a) the Lorentz transformation forms a homogeneous linear group, (b) when changing frames, only the sign of the relative speed changes, (c) length contraction solely depends on the relative speed. However, according to Pauli and Miller such models were insufficient to identify the invariant speed in their transformation with the speed of light — for example, Ignatowski was forced to seek recourse in electrodynamics to include the speed of light. So Pauli and others argued that both postulates are needed to derive the Lorentz transformation. However, until today, others continued the attempts to derive special relativity without the light postulate.
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.
Minkowski in his earlier works in 1907 and 1908 followed Poincaré in representing space and time together in complex form (x,y,z,ict) emphasizing the formal similarity with Euclidean space. He noted that spacetime is in a certain sense a four dimensional non Euclidean manifold. Sommerfeld (1910) used Minkowski's complex representation to combine non collinear velocities by spherical geometry and so derive Einstein's addition formula. Subsequent writers, principally Varićak, dispensed with the imaginary time coordinate, and wrote in explicitly non Euclidean (i. e. Lobachevskian) form reformulating relativity using the concept of rapidity previously introduced by Alfred Robb (1911); Edwin Bidwell Wilson and Gilbert N. Lewis (1912) introduced a vector notation for spacetime; Émile Borel (1913) showed how parallel transport in non Euclidean space provides the kinematic basis of Thomas precession twelve years before its experimental discovery by Thomas; Felix Klein (1910) and Ludwik Silberstein (1914) employed such methods as well. One historian argues that the non Euclidean style had little to show "in the way of creative power of discovery", but it offered notational advantages in some cases, particularly in the law of velocity addition.
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.
Einstein (1907a) proposed a method for detecting the transverse Doppler effect as a direct consequence of time dilation. And in fact, that effect was measured in 1938 by Herbert E. Ives and G. R. Stilwell (Ives–Stilwell experiment). And Lewis and Tolman (1909) described the reciprocity of time dilation by using two light clocks A and B, traveling with a certain relative velocity to each other. The clocks consist of two plane mirrors parallel to one another and to the line of motion. Between the mirrors a light signal is bouncing, and for the observer resting in the same reference frame as A, the period of clock A is the distance between the mirrors divided by the speed of light. But if the observer looks at clock B, he sees that within that clock the signal traces out a longer, angled path, thus clock B is slower than A. However, for the observer moving alongside B the situation is completely in reverse: Clock B is faster and A is slower. Lorentz (1910–1912) discussed the reciprocity of time dilation and analyzed a clock "paradox", which apparently occurs as a consequence of the reciprocity of time dilation. Lorentz showed that there is no paradox if one considers that in one system only one clock is used, while in the other system two clocks are necessary, and the relativity of simultaneity is fully taken into account. A similar situation was created by Paul Langevin in 1911 with what was later called the "twin paradox", where he replaced the clocks by persons (Langevin never used the word "twins" but his description contained all other features of the paradox). Langevin solved the paradox by alluding to the fact that one twin accelerates and changes direction, so Langevin could show that the symmetry is broken and the accelerated twin is younger. However, Langevin himself interpreted this as a hint as to the existence of an aether. Although Langevin's explanation is still accepted by some, his conclusions regarding the aether were not generally accepted. Laue (1913) pointed out that any acceleration can be made arbitrarily small in relation to the inertial motion of the twin, and that the real explanation is that one twin is at rest in two different inertial frames during his journey, while the other twin is at rest in a single inertial frame. Laue was also the first to analyze the situation based on Minkowski's spacetime model for special relativity – showing how the world lines of inertially moving bodies maximize the proper time elapsed between two events.
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.
Einstein (1908) tried – as a preliminary in the framework of special relativity – also to include accelerated frames within the relativity principle. In the course of this attempt he recognized that for any single moment of acceleration of a body one can define an inertial reference frame in which the accelerated body is temporarily at rest. It follows that in accelerated frames defined in this way, the application of the constancy of the speed of light to define simultaneity is restricted to small localities. However, the equivalence principle that was used by Einstein in the course of that investigation, which expresses the equality of inertial and gravitational mass and the equivalence of accelerated frames and homogeneous gravitational fields, transcended the limits of special relativity and resulted in the formulation of general relativity. Nearly simultaneously with Einstein, Minkowski (1908) considered the special case of uniform accelerations within the framework of his spacetime formalism. He recognized that the worldline of such an accelerated body corresponds to a hyperbola. This notion was further developed by Born (1909) and Sommerfeld (1910), with Born introducing the expression "hyperbolic motion". He noted that uniform acceleration can be used as an approximation for any form of acceleration within special relativity. In addition, Harry Bateman and Ebenezer Cunningham (1910) showed that Maxwell's equations are invariant under a much wider group of transformation than the Lorentz group, i. e., the spherical wave transformations, being a form of conformal transformations. Under those transformations the equations preserve their form for some types of accelerated motions. A general covariant formulation of electrodynamics in Minkowski space was eventually given by Friedrich Kottler (1912), whereby his formulation is also valid for general relativity. Concerning the further development of the description of accelerated motion in special relativity, the works by Langevin and others for rotating frames (Born coordinates), and by Wolfgang Rindler and others for uniform accelerated frames (Rindler coordinates) must be mentioned.
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.
Einstein (1907b) discussed the question of whether, in rigid bodies, as well as in all other cases, the velocity of information can exceed the speed of light, and explained that information could be transmitted under these circumstances into the past, thus causality would be violated. Since this contravenes radically against every experience, superluminal velocities are thought impossible. He added that a dynamics of the rigid body must be created in the framework of SR. Eventually, Max Born (1909) in the course of his above mentioned work concerning accelerated motion, tried to include the concept of rigid bodies into SR. However, Paul Ehrenfest (1909) showed that Born's concept lead the so called Ehrenfest paradox, in which, due to length contraction, the circumference of a rotating disk is shortened while the radius stays the same. This question was also considered by Gustav Herglotz (1910), Fritz Noether (1910), and von Laue (1911). It was recognized by Laue that the classic concept is not applicable in SR since a "rigid" body possesses infinitely many degrees of freedom. Yet, while Born's definition was not applicable on rigid bodies, it was very useful in describing rigid motions of bodies. In connection to the Ehrenfest paradox, it was also discussed (by Vladimir Varićak and others) whether length contraction is "real" or "apparent", and whether there is a difference between the dynamic contraction of Lorentz and the kinematic contraction of Einstein. However, it was rather a dispute over words because, as Einstein said, the kinematic length contraction is "apparent" for a co moving observer, but for an observer at rest it is "real" and the consequences are measurable.
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.
Planck, in 1909, compared the implications of the modern relativity principle — he particularly referred to the relativity of time – with the revolution by the Copernican system. Poincaré made a similar analogy in 1905. An important factor in the adoption of special relativity by physicists was its development by Poincaré and Minkowski into a spacetime theory. Only a minority of theoretical physicists such as Abraham, Lorentz, Poincaré, or Langevin still believed in the existence of an aether. Lorentz and Poincaré had always argued that motion through the aether was undetectable. Einstein used the expression "special theory of relativity" in 1915, to distinguish it from general relativity.
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.
The first attempt to formulate a relativistic theory of gravitation was undertaken by Poincaré (1905). He tried to modify Newton's law of gravitation so that it assumes a Lorentz covariant form. He noted that there were many possibilities for a relativistic law, and he discussed two of them. It was shown by Poincaré that the argument of Pierre Simon Laplace, who argued that the speed of gravity is many times faster than the speed of light, is not valid within a relativistic theory. That is, in a relativistic theory of gravitation, planetary orbits are stable even when the speed of gravity is equal to that of light. Similar models to that of Poincaré were discussed by Minkowski (1907b) and Sommerfeld (1910). However, it was shown by Abraham (1912) that those models belong to the class of "vector theories" of gravitation. The fundamental defect of those theories is that they implicitly contain a negative value for the gravitational energy in the vicinity of matter, which would violate the energy principle. As an alternative, Abraham (1912) and Gustav Mie (1913) proposed different "scalar theories" of gravitation. While Mie never formulated his theory in a consistent way, Abraham completely gave up the concept of Lorentz covariance (even locally), and therefore it was irreconcilable with relativity. In addition, all of those models violated the equivalence principle, and Einstein argued that it is impossible to formulate a theory which is both Lorentz covariant and satisfies the equivalence principle. However, Gunnar Nordström (1912, 1913) was able to create a model which fulfilled both conditions. This was achieved by making both the gravitational and the inertial mass dependent on the gravitational potential. Nordström's theory of gravitation was remarkable because it was shown by Einstein and Adriaan Fokker (1914), that in this model gravitation can be completely described in terms of spacetime curvature. Although Nordström's theory is without contradiction, from Einstein's point of view a fundamental problem persisted: It does not fulfill the important condition of general covariance, as in this theory preferred frames of reference can still be formulated. So contrary to those "scalar theories", Einstein (1911–1915) developed a "tensor theory" (i. e. general relativity), which fulfills both the equivalence principle and general covariance. As a consequence, the notion of a complete "special relativistic" theory of gravitation had to be given up, as in general relativity the constancy of light speed (and Lorentz covariance) is only locally valid. The decision between those models was brought about by Einstein, when he was able to exactly derive the perihelion precession of Mercury, while the other theories gave erroneous results. In addition, only Einstein's theory gave the correct value for the deflection of light near the Sun.
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.
The need to put together relativity and quantum mechanics was one of the major motivations in the development of quantum field theory. Pascual Jordan and Wolfgang Pauli showed in 1928 that quantum fields could be made to be relativistic, and Paul Dirac produced the Dirac equation for electrons, and in so doing predicted the existence of antimatter. Many other domains have since been reformulated with relativistic treatments: relativistic thermodynamics, relativistic statistical mechanics, relativistic hydrodynamics, relativistic quantum chemistry, relativistic heat conduction, etc.
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.
Important early experiments confirming special relativity as mentioned above were the Fizeau experiment, the Michelson–Morley experiment, the Kaufmann–Bucherer–Neumann experiments, the Trouton–Noble experiment, the experiments of Rayleigh and Brace, and the Trouton–Rankine experiment. In the 1920s, a series of Michelson–Morley type experiments were conducted, confirming relativity to even higher precision than the original experiment. Another type of interferometer experiment was the Kennedy–Thorndike experiment in 1932, by which the independence of the speed of light from the velocity of the apparatus was confirmed. Time dilation was directly measured in the Ives–Stilwell experiment in 1938 and by measuring the decay rates of moving particles in 1940. All of those experiments have been repeated several times with increased precision. In addition, that the speed of light is unreachable for massive bodies was measured in many tests of relativistic energy and momentum. Therefore, knowledge of those relativistic effects is required in the construction of particle accelerators. In 1962 J. G. Fox pointed out that all previous experimental tests of the constancy of the speed of light were conducted using light which had passed through stationary material: glass, air, or the incomplete vacuum of deep space. As a result, all were thus subject to the effects of the extinction theorem. This implied that the light being measured would have had a velocity different from that of the original source. He concluded that there was likely as yet no acceptable proof of the second postulate of special relativity. This surprising gap in the experimental record was quickly closed in the ensuing years, by experiments by Fox, and by Alvager et al., which used gamma rays sourced from high energy mesons. The high energy levels of the measured photons, along with very careful accounting for extinction effects, eliminated any significant doubt from their results. Many other tests of special relativity have been conducted, testing possible violations of Lorentz invariance in certain variations of quantum gravity. However, no sign of anisotropy of the speed of light has been found even at the 10−17 level, and some experiments even ruled out Lorentz violations at the 10−40 level, see Modern searches for Lorentz violation.
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.
Some claim that Poincaré and Lorentz, not Einstein, are the true discoverers of special relativity. For more see the article on relativity priority dispute.
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.
Some criticized Special Relativity for various reasons, such as lack of empirical evidence, internal inconsistencies, rejection of mathematical physics per se, or philosophical reasons. Although there still are critics of relativity outside the scientific mainstream, the overwhelming majority of scientists agree that Special Relativity has been verified in many different ways and there are no inconsistencies within the theory.