Кіріспе

Электромагнетизмнің тоқтатылған теориясы
Қазір Лоренц эфир теориясы (LET) деп аталатын теорияның тамыры Хендрик Лоренцтің «электрон теориясында» жатыр, ол 19 ғасырдың соңында және 20 ғасырдың басында классикалық эфир теорияларының дамуының аяқталуын белгіледі. Лоренцтің бастапқы теориясы 1892 және 1895 жылдар аралығында жасалды және эфир қозғалысы туралы болжамдарды жоюға негізделген. Ол теріс эфирлік дрейф эксперименттерінің бірінші реттік v/c-ге қатысты сәтсіздігін «жергілікті уақыт» деп аталатын қосымша айнымалыны енгізу арқылы эфирдегі тұрған және қозғалған жүйелерді байланыстыру арқылы түсіндірді. Сонымен қатар, Микельсон-Морли экспериментінің теріс нәтижесі 1892 жылы ұзындық қысқаруы гипотезасын енгізуге әкелді. Дегенмен, басқа эксперименттер де теріс нәтижелер берді және (Генри Пуанкаренің салыстырмалылық принципімен басшылыққа алынып) Лоренц 1899 және 1904 жылдары Лоренц трансформациясын енгізу арқылы өз теориясын v/c-ге қатысты барлық реттерге кеңейтуге тырысты. Ол сондай-ақ электромагниттік емес күштердің (егер олар болса) электр күштері сияқты трансформацияланады деп болжады. Алайда, Лоренцтің заряд тығыздығы мен токқа қатысты өрнектері дұрыс болмады, сондықтан оның теориясы эфирді анықтау мүмкіндігін толығымен жоққа шығармады. Ақырында, 1905 жылы Генри Пуанкаре Лоренцтің жұмысындағы қателерді түзеп, теорияға электромагниттік емес күштерді (гравитацияны қоса) енгізді, оны ол «Жаңа механика» деп атады. Лоренц теориясының көптеген аспектілері Альберт Эйнштейннің және Герман Минковскидің еңбектері арқылы арнайы салыстырмалылық теориясына (АРТ) енгізілді. Бүгінде LET көбінесе арнайы салыстырмалылық теориясының «Лоренцтік» немесе «нео-Лоренцтік» интерпретациясы ретінде қарастырылады. Лоренцтің қозғалмайтын эфирінің рөлін атқаратын «баламалы» анықтамалық жүйедегі барлық құбылыстар үшін ұзындық қысқаруы мен уақыттың өзгеруінің енгізілуі толық Лоренц трансформациясына әкеледі (мысалы, Робертсон-Мансури-Сексл сынақ теориясын қараңыз), сондықтан Лоренц коварианттығы LET пен АРТ арасындағы эксперименттік түрде тексеруге болатын ешқандай айырмашылықты қамтамасыз етпейді. LET-тің Мансури-Сексл сынақ теориясының абсолютті бірмезгілділігі жарық жылдамдығының бір бағытты эксперименті LET пен АРТ арасындағы айырмашылықты анықтай алатынын білдіреді, бірақ қазір мұндай сынақты жүргізу мүмкін емес деп кеңінен қабылданады. LET пен АРТ арасындағы эксперименттік түрде айырмашылықты анықтаудың жоқтығынан, АРТ LET-ке қарағанда басымдыққа ие, себебі LET-те анықталмайтын эфирдің артық болжамы және LET-тегі салыстырмалылық принципінің жарамдылығы ықпалсыз немесе сәйкес келу сияқты көрінеді.

Негізгі түсінік

Лоренц пен Пуанкаре негізінен 1892-1906 жылдар аралығында әзірлеген Лоренц эфир теориясы Августин Жан Френельдің эфир теориясына, Максвелл теңдеулеріне және Рудольф Клаузийдің электрон теориясына негізделген. Лоренцтің 1895 жылғы мақаласы эфирдің қозғалыс теорияларын қабылдамады және эфирдің табиғаты туралы болжамдар жасаудан бас тартты. Онда былай делінген:

Макс Борн кейінірек айтқандай, сол кездегі ғалымдар үшін Лоренц эфирының тынығу жүйесін Исаак Ньютонның абсолютті кеңістігімен теңестіру табиғи (бірақ логикалық тұрғыдан қажет емес) болды. Бұл эфирдің жағдайын электр өрісі E және магнит өрісі H арқылы сипаттауға болады, бұл өрістер электрондардың зарядына байланысты эфирдің «жағдайларын» (әрі қарай нақтыланбастан) көрсетеді. Осылайша, абстрактілі электромагниттік эфир ескі механикалық эфир модельдерін ығыстырады. Клаузийге қарамастан, ол электрондар қашықтықтан әрекет ету арқылы жұмыс істейді деп есептеген, эфирдің электромагниттік өрісі электрондар арасындағы делдал ретінде көрінеді, ал бұл өрістегі өзгерістер жарық жылдамдығынан тез таралмайды. Лоренц өзінің теориясы негізінде Земан эффектісін теориялық тұрғыдан түсіндірді, осыған байланысты 1902 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Джозеф Лармор сол уақытта ұқсас теория тапты, бірақ оның тұжырымдамасы механикалық эфирға негізделген. Лоренцтің 1895 жылғы теориясының негізгі ұғымы v/c дәрежелі мүшелер үшін «сәйкес жағдайлар теоремасы» болды. Бұл теорема эфирге қатысты қозғалатын бақылаушы стационарлық эфир жүйесіндегі бақылаушы сияқты бірдей электродинамикалық теңдеулерді қолдана алады, демек, олар бірдей байқаулар жасайды.

Ұзындығы қысқару

Лоренц эфир теориясы үшін үлкен сын 1887 жылғы Майкелсон-Морли эксперименті болды. Френель және Лоренц теорияларына сәйкес, осы экспериментпен қозғалмайтын эфирге қатысты салыстырмалы қозғалысты анықтау қажет болды; алайда, нәтиже теріс болды. Майкелсоннің өзі бұл нәтиже материямен толық сүйрелетін эфир гипотезасын растайды деп ойлады. Дегенмен, Физо эксперименті және аберрация әсері сияқты басқа эксперименттер бұл модельді жоққа шығарды. 1889 жылы Оливер Хевисайд Максвелл теңдеулерінен қозғалатын дененің айналасындағы магниттік векторлық потенциал өрісінің қозғалыс фактормен өзгеретінін шығарды. Осы нәтижеге сүйене отырып, және қозғалмайтын эфир гипотезасын Майкелсон-Морли экспериментімен сәйкестендіру үшін, Джордж Фицджеральд 1889 жылы (сапалық тұрғыдан) және одан тәуелсіз Лоренц 1892 жылы (қазірдің өзінде сандық тұрғыдан) электростатикалық өрістер ғана емес, сонымен қатар молекулалық күштер де қозғалыс бағытындағы дененің өлшемі қозғалыс бағытына перпендикуляр өлшемнен кем болатындай етіп өзгеретінін ұсынды. Алайда, Жермен бірге қозғалатын бақылаушы бұл қысқаруды байқамайды, өйткені барлық басқа құралдар да бірдей пропорцияда қысқарады. 1895 жылы Дене қозғалыс бағытында қысқарады және оған перпендикуляр өлшемін сақтайды. Дененің өлшемі қозғалыс бағытында өзгермейді, бірақ оған перпендикуляр кеңейеді. Дене қозғалыс бағытында қысқарады және сонымен бірге оған перпендикуляр кеңейеді. Лоренц электростатикалық және молекулалық күштер арасындағы мүмкін байланысты ықтималдық аргумент ретінде пайдаланғанмен, қысқару гипотезасы көп ұзамай тек арнайы гипотеза деп есептелді. Бұл қысқару тек электрондар арасындағы кеңістікке әсер ететіні, бірақ электрондардың өзіне әсер етпейтіні де маңызды; сондықтан бұл әсер үшін кейде «интермолекулалық гипотеза» деген атау қолданылды. Ұзындық қысқаруы, қозғалыс бағытына перпендикуляр кеңеюсіз және дәл мәнімен (мұнда l0 – эфирдегі тыныш күйдегі ұзындығы) 1897 жылы Лармор және 1904 жылы Лоренц берді. Сол жылы Лоренц электрондардың өзіне де бұл қысқару әсер ететінін көрсетті. Бұл тұжырымдаманың одан әрі дамуы үшін қараңыз.

Лоренц түрлендіруі

Жергілікті уақыт v/c-ге қатысты теріс эфирлік дрейф эксперименттерін бірінші реттік жуықтаумен түсіндіре алғанымен, Trouton-Noble эксперименті сияқты басқа сәтсіз эфирлік дрейф эксперименттеріне байланысты гипотезаны екінші реттік әсерлерді қосу үшін өзгерту қажет болды. Осы үшін математикалық құрал Лоренц түрлендіруі деп аталады. Войгт 1887 жылы осыған ұқсас теңдеулер жиынтығын (бірақ басқа масштаб фактормен) шығарған. Содан кейін, 1897 жылы Лармор және 1899 жылы Лоренц осы мәселені шешу үшін «Пуанкаре кернеулерін» енгізді. Ол бұл кернеулерді электрондарды тұрақтандыратын және ұзындық қысқаруын түсіндіретін сыртқы, электромагниттік емес қысым ретінде қарастырды. Ол Лоренцтің салыстырмалылық постулатына сәйкес теория құруға қол жеткізгенін айтса да, Лоренцтің электродинамика теңдеулері толық Лоренц ковариантты емес екенін көрсетті. Осылайша, трансформацияның топтық қасиеттерін көрсету арқылы Пуанкаре Максвелл-Лоренц теңдеулерінің Лоренц коварианттығын көрсетті және заряд тығыздығы мен ток тығыздығы үшін Лоренцтің түрлендіру формулаларын түзеді. Ол сондай-ақ трансформациялармен үйлесетін гравитация моделін (гравитациялық толқындарды қоса) жасады. Пуанкаре алғаш рет «Лоренц түрлендіруі» терминін қолданды және оған бүгінге дейін қолданылып келе жатқан нысан берді. (Мұндағы – топтық қасиеттерді сақтау үшін бірлікке тең болуы тиіс, k-ның кез келген функциясы. Ол сондай-ақ жарық жылдамдығын бірлікке тең деп белгіледі.) Пуанкаре 1905 жылдың 23 шілдесінде кеңейтілген жұмысты («Палермо мақаласы» деп аталады) ұсынды, бірақ журнал жылына екі рет ғана шығатындықтан, ол 1906 жылдың қаңтарында жарияланды. Ол тікелей «салыстырмалылық постулаты» туралы айтты, түрлендірулердің ең аз әрекет принципінің салдары екенін көрсетті, трансформацияның топтық қасиеттерін егжей-тегжейлі көрсетті, оны Лоренц тобы деп атады және комбинацияның инвариант екенін көрсетті. Гравитациялық теориясын дамыта отырып, ол Лоренц түрлендіруінің төрт өлшемді кеңістікте координаталардың шығу тегіне қатысты айналу екенін байқады, төртінші, жорамал координатаны енгізу арқылы және төрт вектордың бастапқы түрін қолданды. Алайда, Пуанкаре кейінірек физиканы төрт өлшемді геометрия тіліне аудару шектеулі пайдаға көп күш жұмсауды талап ететінін айтты, сондықтан ол осы идеяның салдарларын зерттеуден бас тартты. Бірақ бұл жұмысты кейіннен Минковски жасады; «Салыстырмалылыққа көшу» дегенді қараңыз.

Электромагниттік масса

Дж. Дж. Томсон (1881) және басқалар зарядталған денелердің массасына электромагниттік энергияның , электромагниттік немесе "көрінетін масса" деп аталатын шамаға үлес қосатынын байқады. Электромагниттік массаның тағы бір түрін Пуанкаре (1900) шығарды. Электромагниттік өрістердің импульсын қолдану арқылы ол осы өрістердің барлық денелерге массаны қосатынын тұжырымдады, бұл масса орталығы теоремасын сақтау үшін қажет. Томсон және басқалар атап өткендей, бұл масса жылдамдықпен де өседі. Осылайша, 1899 жылы Лоренц қозғалыстағы жағдайдағы электронның массасы мен эфирдегі жағдайдағы массасының қатынасы қозғалыс бағытына параллель және қозғалыс бағытына перпендикуляр екенін есептеп шығарды, мұнда және белгісіз фактор болып табылады. Электромагниттік масса тұжырымы енді массаның өзінің себебі ретінде қарастырылмайды, себебі барлық масса (электромагниттік бөлігі ғана емес) энергияға пропорционалды және оны энергияның әртүрлі түрлеріне түрлендіруге болады, бұл Эйнштейннің масса-энергия эквиваленттігімен түсіндіріледі.

Лоренц теориясы

1900 жылы Лоренц Максвелл теңдеулері негізінде гравитацияны түсіндіруге тырысты. Ол бастапқыда Ле Саж моделін қарастырды және өте тереңдеуге қабілетті электромагниттік сәулеленуден тұратын және кез келген денеге біркелкі қысым түсіретін әмбебап сәулелену өрісі болуы мүмкін деген тұжырым жасады. Лоренц зарядталған бөлшектер арасындағы тартым күшінің пайда болатынын көрсетті, егер түсетін энергия толығымен жұтылатын болса. Бұл басқа Ле Саж модельдерін де мазалаған мәселе еді, себебі сәулелену бір жағынан жоғалуы керек, ал кез келген жұтылу зор қызуға әкелуі мүмкін. Сондықтан Лоренц бұл модельден бас тартты. Сол мақалада ол Оттавиано Фабрицио Моссотти мен Иоганн Карл Фридрих Зёлльнер сияқты, қарама-қарсы зарядталған бөлшектердің тартылысы, бірдей зарядталған бөлшектердің итергіш күшінен күштірек деп есептеді. Соның нәтижесінде пайда болған таза күш – жалпыға ортақ гравитация деп аталатын күш, онда гравитация жылдамдығы жарық жылдамдығына тең. Бұл Исаак Ньютонның гравитация заңымен қақтығысқа түседі, онда Пьер Симон Лаплас гравитацияның шекті жылдамдығы ауытқуларға және осыған байланысты орбиталардың тұрақсыздығына әкелетінін көрсетті. Алайда Лоренц теория Лапластың сын-ескертпесіне қатысы жоқ екенін көрсетті, өйткені Максвелл теңдеулерінің құрылымына сәйкес, әсерлер тек v²/c² ретімен туындайды. Бірақ Лоренц Меркурий планетасының перигелийінің жылжуын есептегенде, оның мәні тым төмен екенін анықтады. Ол былай деп жазды: 1908 жылы Пуанкаре Лоренцтің гравитациялық теориясын қарастырып, оны салыстырмалылық принципімен үйлесімді деп санады, бірақ (Лоренц сияқты) Меркурий планетасының перигелийінің жылжуын дұрыс көрсетпегеніне сын таңды. Пуанкареге қарсы, 1914 жылы Лоренц өзінің теориясы салыстырмалылық принципімен үйлесімсіз деп санап, оны қабылдамады.

Лоренцтік-ауыспайтын гравитациялық заң

1904 жылы Пуанкаре гравитацияның таралу жылдамдығы c-ден жоғары болса, жергілікті уақыт тұжырымдамасымен және салыстырмалылық принципімен қарама-қайшы келеді деп мәлімдеді. Ол былай деп жазды: Дегенмен, бұл әрекеттер Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының пайда болуымен ескірді, "Салыстырмалылыққа көшу" бөлімін қараңыз. Лоренц эфирін гравитацияға жалпылау мүмкін болмауы кеңістік-уақыт түсіндірілімінің басымдығының маңызды себебі болды. Шмельцер гравитацияға қолданылатын жарамды жалпылауды тек 2012 жылы ұсынды. Басымды кадр гармоникалық координаттар шартымен анықталады. Гравитациялық өріс Лоренц эфирінің тығыздығы, жылдамдығы және кернеу тензоры арқылы сипатталады, сондықтан гармоникалық шарттар үздіксіздік және Эйлер теңдеулеріне айналады. Эйнштейннің эквиваленттік принципі туындыланды. Күшті эквиваленттік принцип бұзылады, бірақ белгілі бір жағдайда қалпына келтіріледі, бұл гармоникалық координаттардағы Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теңдеулерін береді.

Жалпы салыстырмалылық теориясы

Лоренц пен Пуанкаре (және Абрахам мен Гуннар Нордстрем сияқты басқа да әрекеттер) гравитация теориясын жасауға жасаған тырысыштары Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясымен ығыстырылды. Бұл теория эквиваленттік принцип, жалпы салыстырмалылық принципі, жалпы коварианттық принцип, геодезиялық қозғалыс, жергілікті Лоренц коварианттығы (барлық инерциялық бақылаушылар үшін арнайы салыстырмалылық заңдары жергілікті түрде қолданылады) және кеңістік-уақыт қисықтығы кеңістік-уақыт ішіндегі кернеу-энергиямен туындайды, негізделген. 1920 жылы Эйнштейн Лоренцтің эфирін жалпы салыстырмалылықтың "гравитациялық эфирімен" салыстырды. Ол, қозғалмау – Лоренц эфирінен алынбаған жалғыз механикалық қасиет, бірақ, жарық және Лоренц эфирінен айырмашылығы, жалпы салыстырмалылықтың эфирінде мүлдем ешқандай механикалық қасиет жоқ, тіпті қозғалмау да жоқ:

Басымдық

Кейбіреулер Поанкаре мен Лоренцті Эйнштейн емес, арнайы салыстырмалылық теориясын жасаған нағыз негізін қалаушылар деп есептейді. Бұл пікір таласы туралы толық мәліметтерді мақаладан таба аласыз.

Кейінгі қызметі

Элементар бөлшектер теориясы ретінде қарастырылған Лоренцтің электрон/эфир теориясы 20 ғасырдың алғашқы онжылдықтарында кванттық механикамен, содан кейін кванттық өріс теориясымен ығыстырылды. Динамиканың жалпы теориясы ретінде Лоренц пен Пуанкаре теорияны барлық эмпирикалық деректерге сәйкес келтіру үшін салыстырмалылық принципін қолдану қажет екенін анықтады (шамамен 1905 жыл). Осы кезге дейін Лоренцтің «эфир» теориясынан маңызды эфирдің көптеген қалдықтары жойылды және ол эмпирикалық және дедуктивті тұрғыдан арнайы салыстырмалылыққа теңесті. Басты айырмашылық – бірегей абсолютті тынығу жүйесінің метафизикалық постулаты болды, ол эмпирикалық түрде анықталмайтын және Лоренцтің 1909, 1910 (1913 жылы жарияланған), 1913 (1914 жылы жарияланған) немесе 1912 (1922 жылы жарияланған) жылдары жазған теорияның физикалық болжамдарында ешқандай рөл атқармады. Осының салдарынан «Лоренц эфир теориясы» термині кейде арнайы салыстырмалылық теориясының нео-Лоренциандық интерпретациясын білдіру үшін қолданылады. «Нео» префиксі Лоренцтің заманында белгісіз болған физикалық объектілер мен процестерге (мысалы, кванттық өріс теориясының стандартты моделі) енді интерпретация қолданылуы керек екенін мойындау үшін қолданылады. Арнайы салыстырмалылық теориясының пайда болуынан кейін физикаға Лоренцтік көзқарасты қолдаған адамдардың саны аз болды. Олардың көптегені, мысалы Герберт Ивс (Г.Р.Стилвеллмен бірге уақыттың созылуының алғашқы экспериментальды растауын жасаған), арнайы салыстырмалылық теориясы логикалық тұрғыдан дұрыс емес деп сенді, сондықтан релятивистік құбылыстарды келістіру үшін басқа концептуалды негіз қажет. Мысалы, Ивс: «Жарық жылдамдығының тұрақтылығы принципі тек «түсініксіз» ғана емес, ол «объективті фактілермен» қолдау таба алмайды, ол негізсіз» деп жазды. Алайда, арнайы салыстырмалылық теориясының логикалық дұрыстығы (оның эмпирикалық сәттілігі сияқты) жақсы орнатылған, сондықтан мұндай адамдардың пікірлері бағытты ғылыми қауымдастықта негізсіз деп есептеледі. Джон Стюарт Белл арнайы салыстырмалылықты алдымен бір Лоренц инерциялық жүйесінің тұрғысынан оқытуды, содан кейін Максвелл теңдеулері сияқты физика заңдарының Пуанкаре инварианттылығы арнайы салыстырмалылықты оқытуда жиі қолданылатын жүйелерді өзгерту аргументтеріне тең екенін көрсетуді ұсынды. Бір Лоренц инерциялық жүйесі жүйелердің басым класының бірі болғандықтан, ол бұл тәсілді Лоренцтік рухта деп атады. Сондай-ақ, арнайы салыстырмалылық теориясының кейбір сынақ теориялары Лоренцтік жүйені пайдаланады. Мысалы, Робертсон-Мансури-Сексл сынақ теориясы басым эфирлік жүйені енгізеді және ұзындық пен уақыттың әртүрлі комбинацияларын көрсететін параметрлерді қамтиды. Егер эфирде қозғалатын денелердің уақыттың созылуы мен ұзындығының қысқаруы нақты релятивистік мәндерге ие болса, толық Лоренц түрленуін алуға болады және эфир кез келген бақылаудан жасырылады, бұл оны кинематикалық тұрғыдан арнайы салыстырмалылық теориясының болжамдарынан ажыратуға мүмкіндік бермейді. Осы модельді пайдаланып, Микельсон-Морли, Кеннеди-Торндайк және Ивс-Стилвелл эксперименттері Лоренц инварианттылығының бұзылуына қатаң шектеулер қойды.

Лоренц, Понкаре, Эйнштейн, Минковскийдің еңбектері (А тобы)

Кейбір бөлімдері "Science and Hypothesis" кітабының 12-тарауында қайта басылды. Poincaré, Oeuvres, IX том, 395–413 беттерде қайта басылды. "Science and Hypothesis" кітабының 9–10-тарауында қайта басылды. Ағылшын тіліндегі аудармасын да қараңыз. "Science and Hypothesis" кітабының 6–7-тарауында қайта басылды. Poincaré, 1913 жылғы басылымының 6-тарауында қайта басылды. Сондай-ақ қараңыз: Ағылшын тіліндегі аударма. Ағылшын тіліндегі аударма: