Введение

Устаревшая теория электромагнетизма. То, что сейчас часто называют теорией эфира Лоренца (LET), берет свое начало в «теории электронов» Хендрика Лоренца, которая ознаменовала завершение развития классических теорий эфира в конце XIX и начале XX века. Первоначальная теория Лоренца была разработана в период с 1892 по 1895 год и основывалась на отказе от предположений о движении эфира. Она объясняла отрицательные результаты экспериментов по обнаружению дрейфа эфира первого порядка в v/c путем введения вспомогательной переменной, называемой «локальным временем», для связи систем отсчета, находящихся в состоянии покоя и движения в эфире. Кроме того, отрицательный результат эксперимента Майкельсона — Морли привел к введению гипотезы о сокращении длины в 1892 году. Однако другие эксперименты также давали отрицательные результаты, и (под влиянием принципа относительности Анри Пуанкаре) Лоренц попытался в 1899 и 1904 годах расширить свою теорию на все порядки в v/c, введя преобразование Лоренца. Он также предположил, что неэлектромагнитные силы (если они существуют) преобразуются подобно электрическим силам. Однако выражение Лоренца для плотности заряда и тока было неверным, поэтому его теория не исключала полностью возможность обнаружения эфира. В конечном итоге, именно Анри Пуанкаре в 1905 году исправил ошибки в работе Лоренца и фактически включил неэлектромагнитные силы (включая гравитацию) в теорию, которую он назвал «Новой механикой». Многие аспекты теории Лоренца были включены в специальную теорию относительности (СТО) благодаря работам Альберта Эйнштейна и Германна Минковского. Сегодня ЛЭТ часто рассматривается как своего рода «лоренцианская» или «неолоренцианская» интерпретация специальной теории относительности. Введение сокращения длины и замедления времени для всех явлений в «предпочтенной» системе отсчета, которая играет роль неподвижного эфира Лоренца, приводит к полному преобразованию Лоренца (см. тест-теорию Робертсона — Мансури — Сексла в качестве примера), поэтому лоренц-инвариантность не обеспечивает каких-либо экспериментально проверяемых различий между ЛЭТ и СТО. Абсолютная одновременность в формулировке тест-теории Мансури — Сексла ЛЭТ подразумевает, что эксперимент по измерению скорости света в одну сторону в принципе может различить ЛЭТ и СТО, но в настоящее время широко распространено мнение, что провести такой эксперимент невозможно. В отсутствие какого-либо способа экспериментального различения между ЛЭТ и СТО, СТО обычно предпочтительнее ЛЭТ из-за избыточного предположения о неопределяемом эфире в ЛЭТ и кажущейся искусственной или случайной обоснованности принципа относительности в ЛЭТ.

Основная концепция

Теория эфира Лоренца, разработанная главным образом в период с 1892 по 1906 год Лоренцем и Пуанкаре, основывалась на теории эфира Огюстена Жана Френеля, уравнениях Максвелла и теории электронов Рудольфа Клаузиуса. В работе Лоренца 1895 года были отвергнуты теории дрейфа эфира и отказались от формулирования предположений о природе эфира. В ней говорилось:

Как позже отметил Макс Борн, для ученых того времени было естественно (хотя и не логически необходимо) отождествлять систему отсчета покоя эфира Лоренца с абсолютным пространством Исаака Ньютона. Состояние этого эфира можно описать электрическим полем E и магнитным полем H, при этом эти поля представляют собой «состояния» эфира (без дальнейших уточнений), связанные с зарядами электронов. Таким образом, абстрактный электромагнитный эфир заменил более ранние механистические модели эфира. В отличие от Клаузиуса, который считал, что электроны взаимодействуют посредством действия на расстоянии, электромагнитное поле эфира выступает посредником между электронами, а изменения в этом поле не могут распространяться быстрее скорости света. Лоренц теоретически объяснил эффект Зеемана на основе своей теории, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1902 году. Джозеф Лармор независимо пришел к аналогичной теории, однако его концепция основывалась на механическом эфире. Фундаментальной концепцией теории Лоренца 1895 года была «теорема соответствующих состояний» для членов порядка v/c. Эта теорема утверждает, что движущийся наблюдатель относительно эфира может использовать те же самые электродинамические уравнения, что и наблюдатель в неподвижной системе отсчета эфира, и, следовательно, они делают одинаковые наблюдения.

Сокращение длины

Большой вызов для теории эфира Лоренца был эксперимент Майкельсона и Морли в 1887 году. Согласно теориям Френеля и Лоренца, относительное движение к неподвижному эфиру должно было быть определено этим экспериментом; однако результат оказался отрицательным. Сам Микельсон считал, что результат подтвердил гипотезу о увлечении эфира, в которой эфир полностью увлекается материей. Однако другие эксперименты, такие как эксперимент Физо и эффект аберрации, опровергли эту модель. Возможный выход появился, когда в 1889 году Оливер Хевисайд вывел из уравнений Максвелла, что магнитный векторный потенциал вокруг движущегося тела изменяется на множитель . В соответствии с этим результатом и для приведения гипотезы о неподвижном эфире в соответствие с экспериментом Майкельсона и Морли, Джордж Фицджеральд в 1889 году (качественно) и, независимо от него, Лоренц в 1892 году (уже количественно), предположили, что не только электростатические поля, но и молекулярные силы, изменяются таким образом, что размер тела в направлении движения уменьшается на величину по сравнению с размером, измеренным перпендикулярно направлению движения. Однако наблюдатель, движущийся вместе с Землей, не заметит этого сокращения, поскольку все остальные приборы сокращаются в той же пропорции. В 1895 году тело сжимается в направлении движения и сохраняет свою длину перпендикулярно ему. Длина тела остается неизменной в направлении движения, но расширяется перпендикулярно ему. Тело сжимается в направлении движения и одновременно расширяется перпендикулярно ему. Хотя возможная связь между электростатическими и межмолекулярными силами была использована Лоренцем в качестве аргумента в пользу правдоподобия, гипотеза о сокращении вскоре была признана чисто ad hoc. Важно также отметить, что это сокращение должно влиять только на пространство между электронами, но не на сами электроны; поэтому для этого эффекта иногда использовалось название «межмолекулярная гипотеза». Так называемое сокращение длины без расширения перпендикулярно направлению движения и точно равное (где l0 – длина в состоянии покоя в эфире) было получено Лармором в 1897 году и Лоренцем в 1904 году. В том же году Лоренц также утверждал, что сами электроны также подвержены этому сокращению. Дальнейшее развитие этой концепции см. в разделе .

Преобразование Лоренца

В то время как местное время могло объяснить отрицательные эксперименты по дрейфу эфира первого порядка относительно v/c, потребовалось – из-за других неудачных экспериментов по дрейфу эфира, таких как эксперимент Траутона — Нобля, – модифицировать гипотезу, включив эффекты второго порядка. Математическим инструментом для этого является так называемое преобразование Лоренца. Войг уже в 1887 году вывел аналогичный набор уравнений (хотя и с другим масштабным коэффициентом). Впоследствии, Лармор в 1897 году и Лоренц в 1899 году ввели так называемые «напряжения Пуанкаре», чтобы решить эту проблему. Эти напряжения он интерпретировал как внешнее, неэлектромагнитное давление, стабилизирующее электроны и одновременно служащее объяснением сокращения длины. Хотя он утверждал, что Лоренцу удалось создать теорию, согласующуюся с постулатом относительности, он показал, что уравнения электродинамики Лоренца не являются полностью ковариантными относительно преобразований Лоренца. Таким образом, указав на групповые свойства преобразования, Пуанкаре продемонстрировал ковариантность уравнений Максвелла — Лоренца относительно преобразований Лоренца и исправил формулы преобразования Лоренца для плотности заряда и плотности тока. Он также набросал модель гравитации (включая гравитационные волны), которая могла быть совместима с этими преобразованиями. Именно Пуанкаре впервые использовал термин «преобразование Лоренца» и придал ему форму, используемую до настоящего времени (где – произвольная функция , которую необходимо установить равной единице для сохранения групповых свойств. Он также установил скорость света равной единице). Существенно расширенная работа (так называемая «Палермская статья») была представлена Пуанкаре 23 июля 1905 года, но опубликована в январе 1906 года, поскольку журнал выходил только два раза в год. Он говорил буквально о «постулате относительности», показал, что преобразования являются следствием принципа наименьшего действия, более подробно продемонстрировал групповые свойства преобразования, которое он назвал группой Лоренца, и показал, что комбинация является инвариантной. Разрабатывая свою теорию гравитации, он заметил, что преобразование Лоренца представляет собой просто вращение в четырехмерном пространстве вокруг начала координат, вводя в качестве четвертой, мнимой координаты, и использовал раннюю форму четырехвекторов. Однако позже Пуанкаре заявил, что перевод физики на язык четырехмерной геометрии потребует слишком больших усилий при ограниченной пользе и поэтому отказался разрабатывать последствия этого представления. Однако позже это сделал Минковский; см. «Переход к теории относительности».

Электромагнитная масса

Дж. Дж. Томсон (1881) и другие заметили, что электромагнитная энергия увеличивает массу заряженных тел на величину , которая получила название электромагнитной или "кажущейся массы". Другой вывод, касающийся некоторой формы электромагнитной массы, был сделан Поанкаре (1900). Используя импульс электромагнитных полей, он пришел к выводу, что эти поля придают всем телам массу , что необходимо для сохранения теоремы о центре масс. Как отмечали Томсон и другие, эта масса также возрастает с увеличением скорости. Таким образом, в 1899 году Лоренц вычислил, что отношение массы электрона в движущейся системе отсчета к его массе в эфире равно в направлении движения и в направлении, перпендикулярном движению, где и – неопределённый множитель. Концепция электромагнитной массы больше не рассматривается как причина массы как таковой, поскольку вся масса (а не только электромагнитная составляющая) пропорциональна энергии и может преобразовываться в различные формы энергии, что объясняется эквивалентностью массы и энергии, установленной Эйнштейном.

Теории Лоренца

В 1900 году Лоренц попытался объяснить гравитацию на основе уравнений Максвелла. Он сначала рассмотрел модель типа Ле Сажа и утверждал, что, возможно, существует универсальное радиационное поле, состоящее из очень проникающего электромагнитного излучения, оказывающего равномерное давление на каждое тело. Лоренц показал, что притягательная сила между заряженными частицами действительно возникает, если предположить, что падающая энергия полностью поглощается. Это была та же фундаментальная проблема, которая преследовала другие модели Ле Сажа, поскольку излучение должно каким-то образом исчезать, а любое поглощение должно приводить к огромному нагреву. Поэтому Лоренц отказался от этой модели. В той же статье он предположил, как Оттавиано Фабрицио Моссотти и Иоганн Карл Фридрих Зёлльнер, что притяжение противоположно заряженных частиц сильнее отталкивания одноименно заряженных частиц. Получающаяся результирующая сила точно соответствует универсальной гравитации, в которой скорость гравитации равна скорости света. Это приводит к конфликту с законом всемирного тяготения Исаака Ньютона, в котором Пьер Симон Лаплас показал, что конечная скорость гравитации приводит к некоторому виду аберрации и, следовательно, делает орбиты нестабильными. Однако Лоренц показал, что теория не подвержена критике Лапласа, поскольку из-за структуры уравнений Максвелла возникают только эффекты порядка v²/c². Но Лоренц вычислил, что значение для прецессии перигелия Меркурия было слишком низким. Он писал:

В 1908 году Пуанкаре исследовал гравитационную теорию Лоренца и классифицировал её как совместимую с принципом относительности, но (как и Лоренц) он критиковал неточное определение прецессии перигелия Меркурия. В отличие от Пуанкаре, Лоренц в 1914 году считал свою собственную теорию несовместимой с принципом относительности и отверг её.

Лоренц-инвариантный закон гравитации

В 1904 году Пуанкаре утверждал, что скорость распространения гравитации, превышающая скорость света c, противоречит понятию локального времени и принципу относительности. Он писал: Однако эти попытки были превзойдены теорией общей относительности Эйнштейна, см. "Переход к теории относительности". Отсутствие обобщения эфира Лоренца на гравитацию стало основной причиной предпочтения интерпретации пространства-времени. Успешное обобщение для гравитации было предложено лишь в 2012 году Шмельцером. Предпочтительная система отсчета определяется условием гармонических координат. Гравитационное поле определяется плотностью, скоростью и тензором напряжений эфира Лоренца, таким образом, что гармонические условия сводятся к уравнениям неразрывности и уравнениям Эйлера. Выводится принцип эквивалентности Эйнштейна. Принцип сильной эквивалентности нарушается, но восстанавливается в предельном случае, что приводит к уравнениям Эйнштейна общей теории относительности в гармонических координатах.

Общая теория относительности

Попытки Лоренца и Понкаре (и другие попытки, подобные тем, которые предприняли Авраам и Гуннар Нордстрем) сформулировать теорию гравитации были превзойдены теорией общей относительности Эйнштейна. Эта теория основана на принципах, таких как принцип эквивалентности, общий принцип относительности, принцип общей ковариантности, геодезическое движение, локальная ковариантность Лоренца (законы специальной теории относительности применимы локально для всех инерциальных наблюдателей) и на том, что искривление пространства-времени создается напряженностью-энергией внутри самого пространства-времени. В 1920 году Эйнштейн сравнил эфир Лоренца с "гравитационным эфиром" общей теории относительности. Он отметил, что неподвижность – единственное механическое свойство, которое Лоренц не отнял у эфира, но, в отличие от светоносного и эфира Лоренца, эфир общей теории относительности не обладает никакими механическими свойствами, даже неподвижностью.

Приоритет

Некоторые утверждают, что истинными основателями специальной теории относительности являются Пуанкаре и Лоренц, а не Эйнштейн. Подробнее об этом споре читайте в соответствующей статье.

Позднейшая деятельность

Рассматриваемая как теория элементарных частиц, теория электрона и эфира Лоренца была вытеснена в первые десятилетия XX века сначала квантовой механикой, а затем квантовой теорией поля. В качестве общей теории динамики Лоренц и Пуанкаре уже (к 1905 году) сочли необходимым привлечь принцип относительности, чтобы привести теорию в соответствие со всеми имеющимися эмпирическими данными. К этому моменту большинство следов существенного эфира было устранено из «эфирной» теории Лоренца, и она стала эмпирически и дедуктивно эквивалентной специальной теории относительности. Основным различием был метафизический постулат об уникальной абсолютной системе покоя, которая была эмпирически необнаружима и не играла никакой роли в физических предсказаниях теории, как писал Лоренц в 1909, 1910 (опубликовано в 1913), 1913 (опубликовано в 1914) или в 1912 (опубликовано в 1922). В результате термин «теория эфира Лоренца» иногда используется сегодня для обозначения нео-лоренцианской интерпретации специальной теории относительности. Приставка «нео» используется для признания того факта, что интерпретация теперь должна применяться к физическим сущностям и процессам (таким как стандартная модель квантовой теории поля), которые были неизвестны во времена Лоренца. После появления специальной теории относительности лишь небольшое число людей выступало за лоренцианский подход к физике. Многие из них, такие как Герберт Ивс (который вместе с Г. Р. Стилвеллом выполнил первое экспериментальное подтверждение замедления времени), были мотивированы убеждением, что специальная теория относительности логически противоречива, и поэтому для согласования релятивистских явлений необходима иная концептуальная основа. Например, Ивс писал: «Принцип постоянства скорости света не просто «непостижим», он не подтверждается «объективными фактами»; он несостоятелен». Однако логическая непротиворечивость специальной теории относительности (а также ее эмпирический успех) хорошо установлены, поэтому взгляды таких людей считаются необоснованными в научном сообществе. Джон Стюарт Белл выступал за преподавание специальной теории относительности сначала с точки зрения одной инерциальной системы Лоренца, а затем показал, что инвариантность Пуанкаре законов физики, таких как уравнения Максвелла, эквивалентна аргументам о смене системы отсчета, часто используемым при обучении специальной теории относительности. Поскольку одна инерциальная система Лоренца является одной из предпочтительных систем, он назвал этот подход лоренцианским по духу. Некоторые проверяющие теории специальной теории относительности также используют ту или иную форму лоренцианской структуры. Например, проверяющая теория Робертсона — Мансури — Сексла вводит предпочтительную эфирную систему отсчета и включает параметры, указывающие на различные комбинации изменений длины и времени. Если замедление времени и сокращение длины тел, движущихся в эфире, имеют свои точные релятивистские значения, то можно получить полное преобразование Лоренца, и эфир будет скрыт от любого наблюдения, что сделает его кинематически неотличимым от предсказаний специальной теории относительности. Используя эту модель, эксперименты Майкельсона — Морли, Кеннеди — Торндайка и Ивса — Стилвелла наложили жесткие ограничения на нарушения инвариантности Лоренца.

Работы Лоренца, Поанкаре, Эйнштейна, Минковского (группа А)

Преамбула частично переиздана в "Науке и гипотезе", глава 12. Перепечатано в Poincaré, Oeuvres, том IX, стр. 395–413. Перепечатано в "Науке и гипотезе", главы 9–10. См. также английский перевод. Перепечатано в "Науке и гипотезе", главы 6–7. Перепечатано в Poincaré, 1913, глава 6. См. также английский перевод. Английский перевод: