Введение

История специальной теории относительности состоит из множества теоретических результатов и эмпирических данных, полученных Альбертом А. Микельсоном, Хендриком Лоренцем, Анри Пуанкаре и другими учеными. Она завершилась созданием теории специальной относительности, предложенной Альбертом Эйнштейном, и дальнейшими работами Макса Планка, Германа Минковского и других.

Введение

Хотя Исаак Ньютон основывал свою физику на абсолютном времени и пространстве, он также придерживался принципа относительности Галилео Галилея, переформулировав его точно для механических систем. Это можно сформулировать следующим образом: насколько это касается законов механики, все наблюдатели в инерциальном движении равноправны, и никакое предпочтительное состояние движения нельзя приписать какому-либо конкретному инерциальному наблюдателю. Однако, в отношении электромагнитной теории и электродинамики, в течение XIX века широко распространилась волновая теория света как возмущение "светоносной среды" или эфира, достигшая наиболее развитой формы в работах Джеймса Клерка Максвелла. Согласно теории Максвелла, все оптические и электрические явления распространяются посредством этой среды, что подразумевало возможность экспериментального определения движения относительно эфира. Неудача всех известных экспериментов по обнаружению движения сквозь эфир привела Хендрика Лоренца, начиная с 1892 года, к разработке теории электродинамики, основанной на неподвижном светимом эфире (о материальном составе которого Лоренц не высказывался), физическом сокращении длины и "локальном времени", при котором уравнения Максвелла сохраняют свою форму во всех инерциальных системах отсчета. Работая с теорией эфира Лоренца, Анри Пуанкаре, ранее предложивший "принцип относительности" как общий закон природы (включая электродинамику и гравитацию), использовал этот принцип в 1905 году для корректировки предварительных формул преобразований Лоренца, что привело к получению точного набора уравнений, ныне известных как преобразования Лоренца. Вскоре после этого, в том же году, Альберт Эйнштейн опубликовал свою основополагающую работу по специальной теории относительности, в которой, вновь опираясь на принцип относительности, независимо вывел и радикально переинтерпретировал преобразования Лоренца, изменив фундаментальные определения интервалов пространства и времени и отказавшись от абсолютной одновременности в галилеевской кинематике, тем самым устранив необходимость в ссылке на светимый эфир в классической электродинамике. Последующие работы Германа Минковского, в которых он представил четырехмерную геометрическую модель "пространства-времени" для версии специальной теории относительности Эйнштейна, подготовили почву для дальнейшей разработки Эйнштейном общей теории относительности и заложили основы релятивистских теорий поля.

Модели эфира и уравнения Максвелла

После работы Томаса Янга (1804) и Августина Жана Френеля (1816) считалось, что свет распространяется как поперечная волна в эластичной среде, называемой светоносным эфиром. Однако проводилось различие между оптическими и электродинамическими явлениями, поэтому требовалось создание специфических моделей эфира для объяснения каждого из них. Попытки объединить эти модели или создать полное механическое описание не увенчались успехом, но после значительных усилий многих ученых, включая Майкла Фарадея и лорда Кельвина, Джеймс Клерк Максвелл (1864) разработал точную теорию электромагнетизма, выведя набор уравнений для электричества, магнетизма и индуктивности, известные как уравнения Максвелла. Он первым предположил, что свет на самом деле представляет собой колебания (электромагнитное излучение) в той же эфирной среде, которая является причиной электрических и магнитных явлений. Однако теория Максвелла была неудовлетворительной в отношении оптики движущихся тел, и хотя ему удалось создать полную математическую модель, он не смог предложить последовательное механическое описание эфира. После того как Генрих Герц в 1887 году продемонстрировал существование электромагнитных волн, теория Максвелла получила широкое признание. Кроме того, Оливер Хевисайд и Герц развили эту теорию и представили модернизированные версии уравнений Максвелла. Уравнения "Максвелл–Герц" или "Хевисайд–Герц" впоследствии стали важной основой для дальнейшего развития электродинамики, а обозначения Хевисайда используются и сегодня. (60 км/с в северной зиме отличается от летнего). Таким образом, физики столкнулись с двумя, казалось бы, противоречивыми экспериментами: эксперимент 1886 года, который представлял собой очевидное подтверждение стационарного эфира Френеля, и эксперимент 1887 года, который представлял собой очевидное подтверждение полностью увлекаемого эфира Стоукса. Возможное решение проблемы предложил Вольдемар Войт (1887), который исследовал эффект Доплера для волн, распространяющихся в несжимаемой эластичной среде, и вывел преобразования, оставляющие волновое уравнение в свободном пространстве неизменным, и объяснил отрицательный результат эксперимента Майкельсона — Морли. Преобразования Войта включают фактор Лоренца для координат y и z, а также новую переменную времени, которая впоследствии получила название «локального времени». Однако работа Войта была полностью проигнорирована его современниками. Фицджеральд (1889) предложил другое объяснение отрицательного результата эксперимента Майкельсона — Морли. В отличие от Войта, он предположил, что межмолекулярные силы, возможно, имеют электрическую природу, в результате чего материальные тела сокращаются в направлении движения (сокращение длины). Это было связано с работой Хевисайда (1887), который установил, что электростатические поля в движении деформируются (эллипсоид Хевисайда), что приводит к физически неопределенным условиям при скорости света. Однако идея Фицджеральда оставалась малоизвестной и не обсуждалась до тех пор, пока Оливер Лодж не опубликовал ее краткое изложение в 1892 году. Также Лоренц (1892b) независимо от Фицджеральда предложил сокращение длины для объяснения эксперимента Майкельсона — Морли. В качестве аргумента в пользу правдоподобности Лоренц ссылался на аналогию с сокращением электростатических полей. Однако даже Лоренц признал, что это не является необходимой причиной, и сокращение длины, следовательно, оставалось гипотезой ad hoc.

Теория электронов Лоренца

Лоренц (1892а) заложил основы теории эфира Лоренца, предположив существование электронов, которые он отделил от эфира, и заменив уравнения "Максвелла–Герца" уравнениями "Максвелла–Лоренца". В его модели эфир полностью неподвижен и, в отличие от теории Френеля, также не подвергается частичному увлечению материей. Важным следствием этого представления стало то, что скорость света полностью независима от скорости источника. Лоренц не делал никаких утверждений о механической природе эфира и электромагнитных процессов, а скорее пытался объяснить механические процессы электромагнитными и таким образом создал абстрактный электромагнитный эфир. В рамках своей теории Лоренц рассчитал, как и Хевисайд, сокращение электростатических полей. Лоренц также признал, что его теория нарушает принцип действия и противодействия, поскольку эфир воздействует на материю, но материя не может воздействовать на неподвижный эфир. Очень похожую модель создал Джозеф Лармор (1897, 1900). Лармор первым представил преобразование Лоренца 1895 года в форме, алгебраически эквивалентной современным преобразованиям Лоренца, однако он утверждал, что его преобразования сохраняют форму уравнений Максвелла только до второго порядка. Позже Лоренц отметил, что эти преобразования на самом деле сохраняют форму уравнений Максвелла ко всем порядкам. Лармор заметил, что сокращение длины можно вывести из этой модели; кроме того, он рассчитал некоторое замедление времени для электронных орбит. Лармор уточнил свои рассуждения в 1900 и 1904 годах. Независимо от Лармора, Лоренц (1899) расширил свое преобразование, включив члены второго порядка, и также отметил (математический) эффект замедления времени. Другие физики, помимо Лоренца и Лармора, также пытались разработать непротиворечивую модель электродинамики. Например, Эмиль Кон (1900, 1901) создал альтернативную электродинамику, в которой он, одним из первых, отказался от существования эфира (по крайней мере, в прежней форме) и вместо этого использовал, как и Эрнст Мах, неподвижные звезды в качестве системы отсчета. Из-за противоречий в его теории, таких как различные скорости света в разных направлениях, она была вытеснена теориями Лоренца и Эйнштейна.

Электромагнитная масса

Во время разработки теории Максвелла, Дж. Дж. Томсон (1881) обнаружил, что заряженные тела труднее привести в движение, чем незаряженные. Электростатические поля ведут себя так, как будто они добавляют "электромагнитную массу" к механической массе тел. Иными словами, согласно Томсону, электромагнитная энергия соответствует определенной массе. Это интерпретировалось как некая форма самоиндукции электромагнитного поля. Он также заметил, что масса тела в движении увеличивается на постоянную величину. Работу Томсона продолжили и усовершенствовали Фицджеральд, Хевисайд (1888) и Джордж Фредерик Чарльз Серл (1896, 1897). Для электромагнитной массы они дали, в современной нотации, формулу , где – электромагнитная масса, а – электромагнитная энергия. Хевисайд и Серл также признали, что увеличение массы тела не является постоянным и изменяется в зависимости от его скорости. Следовательно, Серл отметил невозможность превышения скорости света, поскольку для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Для Лоренца (1899) особенно важной была интеграция зависимости массы от скорости, установленной Томсоном. Он заметил, что масса изменяется не только в зависимости от скорости, но и от направления, и ввел то, что Авраам позже назвал "продольной" и "поперечной" массой. (Поперечная масса соответствует тому, что впоследствии было названо релятивистской массой.) Вильгельм Вин (1900) предположил (опираясь на работы Томсона, Хевисайда и Серла), что вся масса имеет электромагнитное происхождение, что было сформулировано в контексте представления о том, что все силы природы являются электромагнитными ("Электромагнитное мировоззрение"). Вин утверждал, что если предположить, что гравитация также является электромагнитным эффектом, то должна существовать пропорциональность между электромагнитной энергией, инерционной массой и гравитационной массой. В той же работе Анри Пуанкаре (1900b) нашел другой способ объединения понятий массы и энергии. Он обнаружил, что электромагнитная энергия ведет себя как фиктивная жидкость с плотностью массы (или ) и определил фиктивный электромагнитный импульс. Однако он пришел к парадоксу излучения, который был полностью объяснен Эйнштейном в 1905 году. Вальтер Кауфман (1901–1903) первым экспериментально подтвердил зависимость электромагнитной массы от скорости, проанализировав отношение (где – заряд, а – масса) катодных лучей. Он обнаружил, что значение уменьшается с увеличением скорости, показывая, что при постоянном заряде масса электрона увеличивается с ростом скорости. Он также полагал, что эти эксперименты подтверждают предположение Вина о том, что не существует "реальной" механической массы, а есть только "кажущаяся" электромагнитная масса, то есть масса всех тел имеет электромагнитное происхождение. Макс Абрагам (1902–1904), сторонник электромагнитного мировоззрения, быстро предложил объяснение экспериментам Кауфмана, выведя выражения для электромагнитной массы. Вместе с этой концепцией Абрагам ввел (как и Пуанкаре в 1900 году) понятие "электромагнитного импульса", пропорционального , но, в отличие от фиктивных величин, введенных Пуанкаре, считал его реальной физической сущностью. Абрагам также отметил (как и Лоренц в 1899 году), что эта масса также зависит от направления и ввел термины "продольная" и "поперечная" масса. В отличие от Лоренца, он не включил гипотезу о сокращении в свою теорию, поэтому его выражения для массы отличались от выражений Лоренца. На основе предшествующих работ по электромагнитной массе, Фридрих Хазенёрль предположил, что часть массы тела (которую он назвал кажущейся массой) можно рассматривать как излучение, отражающееся внутри полости. "Кажущаяся масса" излучения зависит от температуры (поскольку каждое нагретое тело излучает) и пропорциональна его энергии. Хазенёрль утверждал, что это соотношение между энергией и кажущейся массой справедливо только до тех пор, пока тело излучает, то есть при температуре тела выше 0 К. Первоначально он получил выражение для кажущейся массы, однако Абрагам и сам Хазенёрль в 1905 году изменили результат на , то же значение, что и для электромагнитной массы тела в состоянии покоя.

Абсолютное пространство и время

Некоторые ученые и философы науки критиковали определения Ньютона абсолютного пространства и времени. Эрнст Мах (1883) утверждал, что абсолютное время и пространство по сути являются метафизическими понятиями и, следовательно, научно бессмысленными, и предположил, что только относительное движение между материальными телами является полезной концепцией в физике. Мах утверждал, что даже эффекты, которые, согласно Ньютону, зависят от ускоренного движения относительно абсолютного пространства, такие как вращение, могут быть описаны исключительно посредством обращения к материальным телам, и что инерциальные эффекты, приведенные Ньютоном в поддержку абсолютного пространства, могут быть связаны исключительно с ускорением относительно неподвижных звезд. Карл Нейман (1870) ввел понятие "тело альфа", представляющее собой некое жесткое и фиксированное тело для определения инерционного движения. Основываясь на определении Неймана, Генрих Штрейнц (1883) утверждал, что в системе координат, где гироскопы не обнаруживают признаков вращения, инерциальное движение связано с "фундаментальным телом" и "фундаментальной системой координат". В конечном итоге, Людвиг Ланге (1885) первым ввел выражение "инерциальная система отсчета" и "инерциальный масштаб времени" в качестве операциональных замен абсолютного пространства и времени; он определил "инерциальную систему" как "систему отсчета, в которой материальная точка, брошенная из одной и той же точки в трех различных (не лежащих в одной плоскости) направлениях, каждый раз при броске движется по прямой линии". В 1902 году Анри Пуанкаре опубликовал сборник эссе под названием "Наука и гипотеза", который включал: подробные философские дискуссии об относительности пространства, времени и условности одновременности на расстоянии; предположение о том, что нарушение принципа относительности никогда не может быть обнаружено; возможное несуществование эфира, наряду с некоторыми аргументами в его поддержку; и множество замечаний о неевклидовой и евклидовой геометрии. Также предпринимались попытки использовать время как четвертое измерение. Это было сделано еще в 1754 году Жаном Лероном д’Аламбером в "Энциклопедии", а также некоторыми авторами в XIX веке, такими как Г. Дж. Уэллс в его романе "Машина времени" (1895). В 1901 году Меньхерт Паладьи разработал философскую модель, в которой пространство и время были лишь двумя сторонами некоего "пространства-времени". Он использовал время как мнимое четвертое измерение, придав ему форму (где , то есть мнимое число). Однако координата времени Паладьи не связана со скоростью света. Он также отверг любую связь с существующими конструкциями n-мерных пространств и неевклидовой геометрией, поэтому его философская модель имеет лишь небольшое сходство с физикой пространства-времени, как она была позже разработана Минковским.

Модель Лоренца 1904 года

В своей статье «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света», Лоренц (1904) последовал предложению Пуанкаре и попытался создать формулировку электродинамики, объясняющую неудачу всех известных экспериментов по дрейфу эфира, то есть обоснование принципа относительности. Он попытался доказать применимость преобразования Лоренца для всех порядков, хотя и не добился полного успеха. Как и Виен и Абрахам, он утверждал, что существует только электромагнитная масса, а не механическая, и получил правильное выражение для продольной и поперечной массы, которые соответствовали экспериментам Кауфмана (хотя эти эксперименты были недостаточно точными, чтобы различить теории Лоренца и Абрахама). Используя электромагнитный импульс, он смог объяснить отрицательный результат эксперимента Траутона — Нобля, в котором заряженный параллельный пластинчатый конденсатор, движущийся сквозь эфир, должен ориентироваться перпендикулярно движению. Также можно было объяснить эксперименты Рэлея и Брейса. Другим важным шагом был постулат о том, что преобразование Лоренца должно быть справедливо и для неэлектрических сил. В то же время, когда Лоренц разрабатывал свою теорию, Виен (1903) признал важное следствие зависимости массы от скорости. Он утверждал, что сверхсветовые скорости невозможны, поскольку для этого потребовалось бы бесконечное количество энергии — то же самое уже отмечали Томсон (1893) и Серль (1897). И в июне 1904 года, после прочтения статьи Лоренца 1904 года, он заметил то же самое в отношении сокращения длины, поскольку при сверхсветовых скоростях фактор становится мнимым. Теория Лоренца подверглась критике Абрахама, который показал, что, с одной стороны, теория подчиняется принципу относительности, а с другой — предполагается электромагнитное происхождение всех сил. Абрахам показал, что оба предположения несовместимы, поскольку в теории Лоренца о сжатых электронах неэлектрические силы необходимы для обеспечения стабильности материи. Однако в теории Абрахама о жестком электроне такие силы не требовались. Таким образом, возник вопрос, верна ли электромагнитная концепция мира (совместимая с теорией Абрахама) или принцип относительности (совместимый с теорией Лоренца). В сентябре 1904 года в лекции в Сент-Луисе под названием «Принципы математической физики» Пуанкаре сделал некоторые выводы из теории Лоренца и определил (в модификации принципа относительности Галилея и теоремы о соответствующих состояниях Лоренца) следующий принцип: «Принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, движущегося равномерно и прямолинейно, так что у нас нет и не может быть никаких средств для определения того, движемся ли мы в таком движении». Он также уточнил свой метод синхронизации часов и объяснил возможность «нового метода» или «новой механики», в которой ни одна скорость не может превышать скорость света для всех наблюдателей. Однако он критически отметил, что принцип относительности, действие и противодействие Ньютона, закон сохранения массы и закон сохранения энергии не полностью установлены и даже подвергаются сомнению некоторыми экспериментами. Также Эмиль Кон (1904) продолжал развивать свою альтернативную модель (как описано выше) и, сравнивая свою теорию с теорией Лоренца, обнаружил некоторые важные физические интерпретации преобразований Лоренца. Он проиллюстрировал (как и Джозеф Лармор в том же году) это преобразование, используя стержни и часы: если они находятся в покое в эфире, они показывают истинную длину и время, а если движутся, то показывают сокращенные и замедленные значения. Как и Пуанкаре, Кон определил местное время как время, основанное на предположении об изотропном распространении света. В отличие от Лоренца и Пуанкаре, Кон заметил, что в теории Лоренца разделение «реальных» и «кажущихся» координат искусственно, поскольку никакой эксперимент не может их различить. Однако, согласно собственной теории Кона, преобразованные величины Лоренца будут справедливы только для оптических явлений, в то время как механические часы будут показывать «истинное» время. В конечном итоге Пуанкаре (независимо от Эйнштейна) завершил существенно расширенную работу своей июньской статьи (так называемая «Палермская статья», получена 23 июля, напечатана 14 декабря, опубликована в январе 1906 года). Он буквально говорил о «постулате относительности». Он показал, что преобразования являются следствием принципа наименьшего действия и развил свойства напряжений Пуанкаре. Он более подробно продемонстрировал групповые характеристики преобразования, которое он назвал группой Лоренца, и показал, что комбинация инвариантна. Разрабатывая свою теорию гравитации, он сказал, что преобразование Лоренца — это просто вращение в четырехмерном пространстве вокруг начала координат, вводя в качестве четвертой мнимой координаты (в отличие от Паладьи, он включил скорость света) и уже использовал четырехвекторы. Он писал, что открытие магнитокатодных лучей Полем Ульрихом Виллардом (1904) представляется угрозой для всей теории Лоренца, но эта проблема была быстро решена. Однако, хотя в своих философских трудах Пуанкаре отвергал идеи абсолютного пространства и времени, в своих физических работах он продолжал ссылаться на (необнаружимый) эфир. Он также продолжал (1900b, 1904, 1906, 1908b) описывать координаты и явления как локальные/кажущиеся (для движущихся наблюдателей) и истинные/реальные (для наблюдателей, покоящихся в эфире). Таким образом, за несколькими исключениями, большинство историков науки утверждают, что Пуанкаре не изобрел то, что сейчас называется специальной теорией относительности, хотя признается, что Пуанкаре предвосхитил многие методы и терминологию Эйнштейна.

Релятивистский импульс и масса

Планк (1906a) определил релятивистский импульс и дал правильные значения продольной и поперечной массы, исправив небольшую ошибку в выражении, представленном Эйнштейном в 1905 году. Выражения Планка по сути были эквивалентны тем, что использовал Лоренц в 1899 году. На основе работы Планка, Гильберт Ньютон Льюис и Ричард К. Толманом (1908, 1909) развили концепцию релятивистской массы, определив массу как отношение импульса к скорости. Таким образом, более раннее определение продольной и поперечной массы, в котором масса определялась как отношение силы к ускорению, стало ненужным. В конечном итоге, Толман (1912) интерпретировал релятивистскую массу просто как массу тела. Однако многие современные учебники по теории относительности больше не используют понятие релятивистской массы, и масса в специальной теории относительности рассматривается как инвариантная величина.

Масса и энергия

Эйнштейн (1906) показал, что инерция энергии (эквивалентность массы и энергии) является необходимым и достаточным условием для сохранения теоремы о центре масс. При этом он отметил, что формальное математическое содержание работы Пуанкаре о центре масс (1900b) и его собственной работы были в основном одинаковы, хотя физическая интерпретация различалась в контексте теории относительности.

Эксперименты Физо и Сагнака

Как было объяснено выше, уже в 1895 году Лоренцу удалось вывести коэффициент перетаскивания Френеля (к первому порядку v/c) и объяснить эксперимент Физо, используя электромагнитную теорию и концепцию местного времени. После первых попыток Якоба Лауба (1907) создать релятивистскую "оптику движущихся тел", именно Макс фон Лауэ (1907) вывел коэффициент для членов всех порядков, используя коллинеарный случай релятивистского закона сложения скоростей. Более того, вычисление Лауэ было значительно проще, чем сложные методы, использованные Лоренцем. Уже в 1909–1911 годах Франц Харресс (1912) провел эксперимент, который можно рассматривать как синтез экспериментов Физо и Сагнака. Он пытался измерить коэффициент перетаскивания в стекле. В отличие от Физо, он использовал вращающееся устройство и обнаружил тот же эффект, что и Сагнак. Хотя сам Харресс неверно интерпретировал результат, Лауэ показал, что теоретическое объяснение эксперимента Харресса согласуется с эффектом Сагнака. В конечном итоге, эксперимент Микельсона — Гейла — Пирсона (1925, вариант эксперимента Сагнака) указал на угловую скорость вращения Земли, согласующуюся со специальной теорией относительности и существованием неподвижного эфира.

Относительность одновременности

Первые выводы об относительности одновременности, основанные на синхронизации с помощью световых сигналов, также были упрощены. Дэниел Фрост Комсток (1910) поместил наблюдателя посередине между двумя часами А и В. От этого наблюдателя сигнал посылается к обоим часам, и в системе отсчета, в которой А и В находятся в состоянии покоя, они начинают работать синхронно. Но с точки зрения системы, в которой А и В движутся, часы В запускаются первыми, а затем часы А – таким образом, часы не синхронизированы. Также Эйнштейн (1917) создал модель с наблюдателем, расположенным посередине между А и В. Однако в его описании два сигнала отправляются от А и В наблюдателю, находящемуся на движущемся поезде. С точки зрения системы отсчета, в которой А и В находятся в состоянии покоя, сигналы посылаются одновременно, и наблюдатель "движется навстречу лучу света, идущему от В, в то время как он удаляется от луча света, идущего от А. Следовательно, наблюдатель увидит луч света, испущенный от В, раньше, чем луч света, испущенный от А. Наблюдатели, использующие железнодорожный поезд в качестве своей системы отсчета, должны, таким образом, прийти к выводу, что вспышка молнии В произошла раньше вспышки молнии А."

Пространство-время Минковского

Попытка Понкаре четырехмерной переформулировки новой механики не была продолжена им самим. Она основывалась на работах многих математиков XIX века, таких как Артур Кейли, Феликс Клейн или Уильям Кингдон Клиффорд, которые внесли вклад в теорию групп, теорию инвариантов и проективную геометрию, сформулировав такие понятия, как метрика Кейли — Клейна или модель гиперболоида, в которой интервал и его инвариантность определялись в терминах гиперболической геометрии. Используя подобные методы, Минковскому удалось сформулировать геометрическую интерпретацию преобразования Лоренца. Он завершил, например, концепцию четырехвекторов; он создал диаграмму Минковского для изображения пространства-времени; он был первым, кто использовал такие выражения, как мировая линия, собственное время, инвариантность/ковариантность Лоренца и т. д.; и, что наиболее важно, он представил четырехмерную формулировку электродинамики. Подобно Понкаре, он попытался сформулировать инвариантный закон гравитации Лоренца, но эта работа впоследствии была превзойдена разработками Эйнштейна в области гравитации. В 1907 году Минковский назвал четырех предшественников, внесших вклад в формулирование принципа относительности: Лоренца, Эйнштейна, Понкаре и Планка. В своей знаменитой лекции «Пространство и время» (1908) он упомянул Войгта, Лоренца и Эйнштейна. Сам Минковский считал теорию Эйнштейна обобщением теории Лоренца и приписывал Эйнштейну полное формулирование относительности времени, но критиковал своих предшественников за то, что они не полностью развили относительность пространства. Однако современные историки науки утверждают, что претензия Минковского на приоритет была необоснованной, поскольку Минковский (как Виен или Абрагам) придерживался электромагнитной картины мира и, по-видимому, не полностью понимал разницу между теорией электронов Лоренца и кинематикой Эйнштейна. В 1908 году Эйнштейн и Лауб отвергли четырехмерную электродинамику Минковского как излишне сложную «научную избыточность» и опубликовали «более элементарное», не четырехмерное выведение основных уравнений для движущихся тел. Но именно геометрическая модель Минковского (a) показала, что специальная теория относительности является полной и внутренне самосогласованной теорией, (b) добавила инвариантный собственный интервал времени Лоренца (который учитывает фактические показания движущихся часов) и (c) послужила основой для дальнейшего развития теории относительности. Согласно недавнему источнику, преобразования Лоренца эквивалентны гиперболическим вращениям. Однако Варичак (1910) показал, что стандартное преобразование Лоренца является трансляцией в гиперболическом пространстве.

Векторная нотация и закрытые системы

Формализм пространства-времени Минковского был быстро принят и получил дальнейшее развитие. Он распространил выражения Минковского для электромагнитных процессов на все возможные силы, тем самым прояснив понятие эквивалентности массы и энергии. Лауэ также показал, что для обеспечения корректных свойств преобразований Лоренца необходимы неэлектрические силы, а для устойчивости материи – продемонстрировал, что "напряжения Пуанкаре" (как упоминалось выше) являются естественным следствием теории относительности, позволяя электрону быть замкнутой системой.

Преобразование Лоренца без второго постулата

Были предприняты некоторые попытки вывести преобразования Лоренца без постулата о постоянстве скорости света. Например, Владимир Игнатовский (1910) использовал для этой цели (а) принцип относительности, (b) однородность и изотропию пространства и (c) требование взаимности. Филипп Франк и Герман Ротэ (1911) утверждали, что эти выводы неполны и требуют дополнительных предположений. Их собственный расчет основывался на предположениях, что: (а) преобразования Лоренца образуют однородную линейную группу, (b) при переходе между системами отсчета изменяется только знак относительной скорости, (c) сокращение длины зависит исключительно от относительной скорости. Однако, по мнению Паули и Миллера, этих моделей было недостаточно для отождествления инвариантной скорости в их преобразованиях со скоростью света – например, Игнатовскому пришлось обратиться к электродинамике, чтобы включить скорость света. Таким образом, Паули и другие утверждали, что для вывода преобразований Лоренца необходимы оба постулата. Тем не менее, до сих пор предпринимаются попытки вывести специальную теорию относительности без постулата о скорости света.

Неевклидские формулировки без воображаемой временной координаты

Минковский в своих ранних работах 1907 и 1908 годов, вслед за Пуанкаре, представлял пространство и время вместе в комплексной форме (x, y, z, ict), подчеркивая формальное сходство с евклидовым пространством. Он отметил, что пространство-время в определенном смысле является четырехмерным неевклидовым многообразием. Соммерфельд (1910) использовал комплексное представление Минковского для комбинирования неколлинеарных скоростей посредством сферической геометрии и таким образом вывел формулу сложения скоростей Эйнштейна. Последующие авторы, главным образом Варичак, отказались от мнимой координаты времени и стали записывать уравнения в явно неевклидовой (то есть лобачевской) форме, переформулируя теорию относительности с использованием концепции быстроты, ранее введенной Альфредом Роббом (1911); Эдвин Бидуэлл Уилсон и Гилберт Н. Льюис (1912) ввели векторное обозначение для пространства-времени; Эмиль Борель (1913) показал, что параллельный перенос в неевклидовом пространстве обеспечивает кинематическую основу прецессии Томаса за двенадцать лет до её экспериментального открытия Томасом; Феликс Клейн (1910) и Людвик Сильберштейн (1914) также применяли подобные методы. Один историк утверждает, что неевклидов подход продемонстрировал мало "в плане творческого потенциала для открытий", но в некоторых случаях предлагал преимущества в нотации, особенно в законе сложения скоростей.

Расширение времени и парадокс близнецов

Эйнштейн (1907a) предложил метод обнаружения поперечного эффекта Доплера как прямого следствия замедления времени. И действительно, этот эффект был измерен в 1938 году Гербертом Ивсом и Г. Р. Стилвеллом (эксперимент Ивса — Стилвелла). Льюис и Толман (1909) описали взаимность замедления времени, используя два световых часов A и B, движущихся с определенной относительной скоростью друг к другу. Часы состоят из двух плоских зеркал, параллельных друг другу и линии движения. Между зеркалами отражается световой сигнал, и для наблюдателя, находящегося в той же системе отсчета, что и A, период часов A равен расстоянию между зеркалами, деленному на скорость света. Но если наблюдатель смотрит на часы B, он видит, что в этих часах сигнал проходит более длинный, наклонный путь, таким образом, часы B идут медленнее, чем A. Однако для наблюдателя, движущегося вместе с B, ситуация полностью обратная: часы B идут быстрее, а A медленнее. Лоренц (1910–1912) обсуждал взаимность замедления времени и анализировал "парадокс" часов, который, по-видимому, возникает как следствие взаимности замедления времени. Лоренц показал, что парадокса нет, если учитывать, что в одной системе используется только один набор часов, в то время как в другой системе необходимы два, и полностью учитывается относительность одновременности. Похожая ситуация была создана Полом Лангевеном в 1911 году, в том, что позже было названо "парадоксом близнецов", где он заменил часы на людей (Лангевен никогда не использовал слово "близнецы", но его описание содержало все остальные признаки парадокса). Лангевен разрешил парадокс, указав на то, что один близнец ускоряется и меняет направление, благодаря чему он смог показать, что симметрия нарушена, и ускоренный близнец моложе. Однако сам Лангевен истолковал это как указание на существование эфира. Хотя объяснение Лангевена до сих пор принимается некоторыми, его выводы относительно эфира не получили широкого признания. Лауэ (1913) указал, что любое ускорение можно сделать сколь угодно малым по сравнению с инерциальным движением близнеца, и что реальное объяснение заключается в том, что один близнец находится в состоянии покоя в двух различных инерциальных системах отсчета во время своего путешествия, в то время как другой близнец находится в состоянии покоя только в одной инерциальной системе отсчета. Лауэ также первым проанализировал ситуацию, основываясь на модели пространства-времени Минковского для специальной теории относительности, показав, как мировые линии инерциально движущихся тел максимизируют собственное время, прошедшее между двумя событиями.

Ускорение

Эйнштейн (1908) попытался – в качестве предварительного шага в рамках специальной теории относительности – также включить ускоренные системы отсчета в принцип относительности. В ходе этой попытки он обнаружил, что для любого мгновения ускорения тела можно определить инерциальную систему отсчета, в которой ускоряющееся тело временно находится в состоянии покоя. Следовательно, в ускоренных системах отсчета, определенных таким образом, применение постоянства скорости света для определения одновременности ограничено малыми областями пространства. Однако принцип эквивалентности, использованный Эйнштейном в ходе этого исследования, выражающий равенство инерционной и гравитационной масс и эквивалентность ускоренных систем отсчета и однородных гравитационных полей, вышел за пределы специальной теории относительности и привел к формулировке общей теории относительности. Почти одновременно с Эйнштейном, Минковский (1908) рассматривал частный случай однородных ускорений в рамках своего формализма пространства-времени. Он установил, что мировая линия такого ускоренного тела соответствует гиперболе. Это представление было далее развито Борном (1909) и Сомерфельдом (1910), причем Борн ввел термин «гиперболическое движение». Он отметил, что равномерное ускорение можно использовать в качестве приближения для любой формы ускорения в рамках специальной теории относительности. Кроме того, Гарри Бейтман и Эбенезер Каннингем (1910) показали, что уравнения Максвелла инвариантны относительно гораздо более широкой группы преобразований, чем группа Лоренца, а именно сферических волновых преобразований, являющихся формой конформных преобразований. При этих преобразованиях уравнения сохраняют свою форму для определенных типов ускоренных движений. Общая ковариантная формулировка электродинамики в пространстве Минковского была в конечном итоге предложена Фридрихом Коттлером (1912), и его формулировка также применима к общей теории относительности. Что касается дальнейшего развития описания ускоренного движения в специальной теории относительности, следует упомянуть работы Лангевена и других, посвященные вращающимся системам отсчета (координаты Борна), и работы Вольфганга Риндлера и других, посвященные однородно ускоренным системам отсчета (координаты Риндлера).

Жесткие тела и парадокс Эренфеста

Эйнштейн (1907b) обсудил вопрос о том, может ли в жестких телах, как и во всех других случаях, скорость информации превышать скорость света, и объяснил, что в таких обстоятельствах информация могла бы быть передана в прошлое, что привело бы к нарушению принципа причинности. Поскольку это радикально противоречит всему опыту, сверхсветовые скорости считаются невозможными. Он добавил, что необходимо создать динамику жесткого тела в рамках СТО. Впоследствии Макс Борн (1909) в своей вышеупомянутой работе об ускоренном движении попытался включить понятие жесткого тела в СТО. Однако Пол Эренфест (1909) показал, что концепция Борна приводит к так называемому парадоксу Эренфеста, в котором, вследствие сокращения длины, окружность вращающегося диска уменьшается, в то время как радиус остается неизменным. Этот вопрос также рассматривали Густав Герглотц (1910), Фриц Ноэтер (1910) и фон Лауэ (1911). Лауэ признал, что классическое понятие неприменимо в СТО, поскольку "жесткое" тело обладает бесконечным числом степеней свободы. Хотя определение Борна не подходило для жестких тел, оно оказалось весьма полезным для описания жестких движений тел. В связи с парадоксом Эренфеста также обсуждалось (Владимиром Варичаком и другими), является ли сокращение длины "реальным" или "мнимым", и существует ли разница между динамическим сокращением Лоренца и кинематическим сокращением Эйнштейна. Однако это был, скорее, спор о терминологии, поскольку, по словам Эйнштейна, кинематическое сокращение длины "мнимо" для сопутствующего наблюдателя, но "реально" для неподвижного наблюдателя, и его последствия поддаются измерению.

Принятие специальной теории относительности

Планк в 1909 году сравнил последствия современного принципа относительности – особенно относительности времени – с революцией, произведенной коперниканской системой. Поанкаре сделал схожее сравнение в 1905 году. Важным фактором в принятии специальной теории относительности физиками стало ее развитие Поанкаре и Минковским в теорию пространства-времени. Лишь небольшая часть теоретиков, таких как Авраам, Лоренц, Поанкаре или Лангевен, продолжала верить в существование эфира. Лоренц и Поанкаре всегда утверждали, что движение сквозь эфир невозможно обнаружить. Эйнштейн использовал выражение "специальная теория относительности" в 1915 году, чтобы отделить ее от общей теории относительности.

Гравитация

Первая попытка сформулировать релятивистскую теорию гравитации была предпринята Пуанкаре (1905). Он попытался модифицировать закон всемирного тяготения Ньютона, чтобы он приобрел лоренц-ковариантную форму. Он отметил, что существует множество возможностей для релятивистского закона, и обсудил две из них. Пуанкаре показал, что аргумент Пьера Симона Лапласа, утверждавшего, что скорость гравитации во много раз превышает скорость света, недействителен в рамках релятивистской теории. То есть, в релятивистской теории гравитации планетарные орбиты стабильны даже при скорости гравитации, равной скорости света. Подобные модели, как у Пуанкаре, обсуждались Минковским (1907b) и Зоммерфельдом (1910). Однако Абрахам (1912) показал, что эти модели относятся к классу "векторных теорий" гравитации. Основной недостаток этих теорий заключается в том, что они неявно содержат отрицательное значение гравитационной энергии вблизи материи, что противоречит принципу сохранения энергии. В качестве альтернативы Абрахам (1912) и Густав Ми (1913) предложили различные "скалярные теории" гравитации. Хотя Ми так и не сформулировал свою теорию последовательно, Абрахам полностью отказался от концепции лоренц-ковариантности (даже локальной), что делало её несовместимой с теорией относительности. Кроме того, все эти модели нарушали принцип эквивалентности, и Эйнштейн утверждал, что невозможно построить теорию, которая была бы одновременно лоренц-ковариантной и удовлетворяла принципу эквивалентности. Однако Гуннар Нордстрём (1912, 1913) сумел создать модель, удовлетворяющую обоим условиям. Это было достигнуто за счет зависимости как гравитационной, так и инерциальной массы от гравитационного потенциала. Теория гравитации Нордстрёма была примечательна тем, что Эйнштейн и Адриан Фоккер (1914) показали, что в этой модели гравитацию можно полностью описать в терминах кривизны пространства-времени. Несмотря на отсутствие противоречий, с точки зрения Эйнштейна оставалась фундаментальная проблема: теория не удовлетворяет важному условию общей ковариантности, поскольку в ней все еще можно сформулировать предпочтительные системы отсчета. В отличие от этих "скалярных теорий", Эйнштейн (1911–1915) разработал "тензорную теорию" (то есть общую теорию относительности), которая удовлетворяет как принципу эквивалентности, так и общей ковариантности. Как следствие, от идеи полной "специально-релятивистской" теории гравитации пришлось отказаться, поскольку в общей теории относительности постоянство скорости света (и лоренц-ковариантность) справедливо лишь локально. Решение между этими моделями было принято благодаря Эйнштейну, когда ему удалось точно вывести прецессию перигелия Меркурия, в то время как другие теории давали неверные результаты. Кроме того, только теория Эйнштейна дала правильное значение отклонения света вблизи Солнца.

Квантовая теория поля

Необходимость объединения теории относительности и квантовой механики была одной из главных побудительных сил в развитии квантовой теории поля. Паскуаль Джордан и Вольфганг Паули показали в 1928 году, что квантовые поля можно сделать релятивистскими, а Пол Дирак вывел уравнение Дирака для электронов, тем самым предсказав существование антиматерии. С тех пор многие другие области были переформулированы с использованием релятивистского подхода: релятивистская термодинамика, релятивистская статистическая механика, релятивистская гидродинамика, релятивистская квантовая химия, релятивистская теплопроводность и другие.

Экспериментальные данные

Важными ранними экспериментами, подтверждающими специальную теорию относительности, как упоминалось выше, были эксперимент Физо, эксперимент Майкельсона — Морли, эксперименты Кауфмана — Бухера — Неймана, эксперимент Траутона — Нобла, эксперименты Рэйли и Брейса, и эксперимент Траутона — Рэнкина. В 1920-х годах была проведена серия экспериментов типа Майкельсона — Морли, подтверждающих теорию относительности с ещё большей точностью, чем оригинальный эксперимент. Другим типом интерферометрических экспериментов был эксперимент Кеннеди — Торндайка в 1932 году, в котором была подтверждена независимость скорости света от скорости аппаратуры. Замедление времени было непосредственно измерено в эксперименте Айвса — Стилвелла в 1938 году и путём измерения скорости распада движущихся частиц в 1940 году. Все эти эксперименты были повторены несколько раз с повышенной точностью. Кроме того, недостижимость скорости света для массивных тел была измерена во многих тестах релятивистской энергии и импульса. Поэтому знание этих релятивистских эффектов необходимо при создании ускорителей частиц. В 1962 году Дж. Г. Фокс указал, что все предыдущие экспериментальные проверки постоянства скорости света проводились с использованием света, прошедшего через стационарную среду: стекло, воздух или неполный вакуум глубокого космоса. В результате все они подвергались воздействию теоремы затухания. Это означало, что измеряемый свет имел бы скорость, отличную от скорости исходного источника. Он заключил, что, вероятно, пока не существует надёжного доказательства второго постулата специальной теории относительности. Этот неожиданный пробел в экспериментальных данных был быстро восполнен в последующие годы экспериментами Фокса и Альвагера с соавторами, которые использовали гамма-лучи, полученные от высокоэнергетических мезонов. Высокие энергии измеренных фотонов, в сочетании с тщательным учётом эффектов затухания, устранили любые существенные сомнения в их результатах. Было проведено множество других тестов специальной теории относительности, проверяющих возможные нарушения инвариантности Лоренца в некоторых вариантах квантовой гравитации. Однако признаков анизотропии скорости света не обнаружено даже на уровне 10−17, и некоторые эксперименты даже исключили нарушения Лоренца на уровне 10−40, см. Современные поиски нарушения инвариантности Лоренца.

Приоритет

Некоторые утверждают, что истинными открывателями специальной теории относительности были Пуанкаре и Лоренц, а не Эйнштейн. Подробнее см. статью «Споры о приоритете в теории относительности».

Критика

Некоторые критиковали специальную теорию относительности по разным причинам, включая отсутствие эмпирических данных, внутреннюю непоследовательность, отрицание математической физики в принципе или философские соображения. Хотя критики теории относительности всё ещё существуют вне научного сообщества, подавляющее большинство учёных согласны с тем, что специальная теория относительности многократно подтверждена экспериментально и не содержит внутренних противоречий.