Istoria teoriei relativității

O condiție prealabilă pentru crearea teoriei relativității a fost dezvoltarea electrodinamicii în secolul al XIX-lea [1] . Rezultatul generalizării și înțelegerii teoretice a faptelor și regularităților experimentale în domeniile electricității și magnetismului au fost ecuațiile lui Maxwell care descriu evoluția câmpului electromagnetic și interacțiunea acestuia cu sarcinile și curenții . În electrodinamica lui Maxwell, viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid nu depinde de viteza de mișcare atât a sursei acestor unde, cât și a observatorului și este egală cu viteza luminii . Astfel, ecuațiile lui Maxwell s-au dovedit a fi neinvariante în raport cuTransformări galileene , care au contrazis mecanica clasică.

De la Galileo la Maxwell

În 1632, în cartea Dialogues on the two main systems of the world - Ptolemaic și Copernican [2] , Galileo Galilei a citat raționamentul, care mai târziu a devenit cunoscut drept principiul relativității :

În timp ce nava este staționară, observați cu atenție cum micile animale zburătoare se mișcă cu aceeași viteză în toate direcțiile camerei; toate picăturile care cad vor cădea în vasul substituit, iar tu, aruncând un obiect, nu va trebui să-l arunci cu mai multă forță într-o direcție decât în ​​cealaltă, dacă distanțele sunt aceleași.

Acum forțați nava să se miște cu orice viteză și apoi (dacă doar mișcarea este uniformă și fără să se rostogolească într-o direcție sau alta) în toate fenomenele de mai sus nu veți găsi nici cea mai mică schimbare și nu veți putea determina din niciun fel. dintre ele indiferent dacă nava se mişcă sau stă nemişcată.

Acest principiu, care afirmă echivalența diferitelor cadre de referință inerțiale , a jucat un rol important atât în ​​mecanica clasică, cât și în teoria relativității speciale. Transformările care leagă rezultatele observațiilor cu privire la două cadre de referință inerțiale se numesc transformări galileene [3] .

Galileo, se pare, a făcut și prima încercare de a măsura viteza luminii folosind experimente la sol. Cu toate acestea, numai Olaf Römer a reușit să facă acest lucru în 1676. Observând schimbarea perioadei de revoluție a satelitului lui Jupiter Io , în funcție de poziția relativă a Pământului și a lui Jupiter, Römer a explicat-o prin caracterul finit al vitezei de propagare a semnalului luminos și a putut estima această viteză. În sistemul metric, rezultatul măsurătorii lui Römer corespunde cu 214.300 km/s. 50 de ani mai târziu, în 1727, un rezultat similar a fost obținut de James Bradley observând aberația stelelor (schimbarea poziției lor aparente) pe măsură ce Pământul se mișcă în jurul Soarelui.

În paralel cu experimentele de măsurare a vitezei luminii, au existat reflexii asupra naturii luminii. Augustin Fresnel , bazat pe teoria undelor , a explicat cu succes fenomenul de difracție în 1818 . James Clerk Maxwell , rezumand descoperirile experimentale ale lui Oersted , Ampere și Faraday în 1864, a scris un sistem de ecuații care descriu evoluția câmpului electromagnetic. Din ecuațiile lui Maxwell a rezultat că în spațiul gol undele electromagnetice se propagă cu viteza luminii . Pe baza acestui fapt, a fost înaintată o ipoteză cu privire la natura ondulatorie, electromagnetică a luminii.

Experimente

Astfel, până la mijlocul secolului al XIX-lea, natura ondulatorie a luminii devenise conceptul dominant. Întrucât toate procesele ondulatorii cunoscute până la acel moment au avut loc într-unul sau altul mediu (apă, aer), modelul eterului s-a dovedit a fi destul de natural , o anumită substanță, ale cărei perturbații se manifestă ca unde electromagnetice . Ecuațiile lui Maxwell au fost interpretate ca fiind scrise în raport cu cadrul de referință asociat cu eterul. A apărut întrebarea despre relația dintre corpurile materiale în mișcare și eter. În special, este eterul antrenat de obiectele care se deplasează prin el, precum antrenarea aerului în cala unei nave? Au urmat o serie de experimente pentru a elucida natura forței eterului și a determina viteza Pământului în raport cu această substanță.

În 1851, Fizeau a pus bazele unui experiment pentru a măsura viteza luminii într-un mediu în mișcare, care era un curent de apă. Rezultatul său, până la primul ordin de micime în viteza apei v, a condus la următoarea relație pentru viteza luminii:

unde n este indicele de refracție , c este viteza luminii în spațiul gol și c/n este viteza luminii în apa plată. Pe baza regulii clasice de adăugare a vitezelor, acest raport a mărturisit antrenarea parțială a eterului cu coeficientul k (pentru k=1, eterul este antrenat complet, iar pentru k=0, nu există deloc antrenare).

O serie de alte experimente importante au fost întreprinse în 1881 de Michelson . Folosind un interferometru , el a măsurat timpul de călătorie a luminii în două direcții perpendiculare. Orientarea interferometrului s-a schimbat în spațiu, prin urmare, în absența antrenării eterului de către Pământ, a devenit posibilă determinarea vitezei absolute a mișcării Pământului în raport cu cadrul de referință asociat eterului prin diferența de timp. Experimentul a dat un rezultat negativ, deplasarea franjurilor modelului de interferență nu a coincis cu cea așteptată (teoretică). Aceasta ar putea mărturisi fie antrenarea completă a eterului, fie imobilitatea Pământului. Ultima posibilitate era puțin probabilă, deoarece Pământul se mișcă cel puțin în jurul Soarelui cu o viteză de 30 km/s. Invocarea ipotezei tragerii complete a eterului a contrazis aberația anuală observată a stelelor, care în acest caz ar fi absentă. Ulterior, experimentele lui Michelson au fost repetate în mod repetat ( Michelson și Morley (1887), Morley și Miller (1902-1904), etc.). Pentru a reduce efectul potențial al antrenării eterului, instalația a urcat în munți, dar rezultatul nu a fost același cu cel așteptat [4] .

Înființarea unei stații de service

O contribuție importantă la construirea modelelor teoretice ale eterului și a interacțiunii acestuia cu materia a fost adusă de Hendrik Lorentz . În modelul său, eterul era o substanță dielectrică cu permitivitate unitară . Inducția electrică observată a constat din inducerea materiei și eterului . Acesta din urmă, conform teoriei lui Lorentz, nu a fost dus în mișcarea materiei, iar Lorentz a putut explica experimentul lui Fizeau . Cu toate acestea, experimentele lui Michelson au contrazis teoria electronică a lui Lorentz, deoarece necesitau tragerea completă a eterului pentru explicație. Lorentz (1892) și, în mod independent, Fitzgerald (1893) au introdus presupunerea destul de artificială că obiectele (cum ar fi brațele unui interferometru Michelson ) se contractă în direcția mișcării pe măsură ce se deplasează prin eter . Această reducere a făcut posibilă explicarea rezultatului negativ al experimentului lui Michelson și, la rândul său, a fost explicată prin interacțiunea particulelor de materie cu eterul.

Simultan, a existat o căutare de transformări care să lase ecuațiile lui Maxwell invariante. În 1887, Voigt a înregistrat transformările coordonatelor și timpului, care au lăsat neschimbată forma de propagare a undelor în eter. În transformările sale, timpul a avut un ritm diferit în diferite puncte spațiale. În 1892, Lorentz a introdus așa-numitul. ora locală și a arătat că, până la primul ordin în viteză, ecuațiile lui Maxwell rămân neschimbate atunci când cadrul de referință se mișcă prin eter. În 1900, Larmor în cartea sa „Ether and Matter” a adus transformări în raport cu care ecuațiile lui Maxwell rămân invariante în orice ordine în viteza v . Aceleași transformări au fost redescoperite de Lorentz în lucrarea sa din 1904. Datorită lucrării lui Poincaré, aceste transformări au devenit ulterior cunoscute sub numele de transformări Lorentz . Nici Larmor, nici Lorentz nu au dat transformărilor caracterul de regularități spațio-temporale generale și nu le-au conectat decât cu proprietățile electromagnetice ale materiei și eterului. Lorentz însuși a scris la sfârșitul vieții sale [5] :

Motivul principal pentru care nu am putut propune o teorie a relativității este că am susținut ideea că numai variabila t poate fi considerată timp adevărat și că timpul local t ′ pe care l-am propus ar trebui considerat doar ca mărime matematică auxiliară.

Un rol important în dezvoltarea teoriei electronilor lui Lorentz și în formularea ideilor fizice care au stat la baza relativității speciale l-a jucat Henri Poincaré . În special, el deține o formulare clară a principiului relativității pentru fenomenele electromagnetice. În lucrarea sa din 1895, el a scris:

Este imposibil de detectat mișcarea absolută a materiei sau, mai precis, mișcarea relativă a materiei ponderabile și a eterului.

În 1898, în articolul „Măsurarea timpului”, Poincare a avansat ipoteza constanței vitezei luminii și a atras atenția asupra caracterului condiționat al conceptului de simultaneitate a două evenimente. În Science and Hypothesis (1902), Poincaré scrie:

Nu există timp absolut. Afirmația că două perioade de timp sunt egale nu are sens în sine și poate fi aplicată doar condiționat.

Influențat de opera lui Poincaré, Lorentz a propus o nouă versiune a teoriei sale în 1904. În ea, el a sugerat că la viteze mari, mecanica newtoniană trebuie corectată. Henri Poincare a dezvoltat aceste idei departe în articolul „Despre dinamica electronului”, al cărui scurt anunț a fost publicat în comunicările Academiei Franceze în iunie 1905. În acest articol a fost formulat principiul general al relativității, în concordanță cu Transformări Lorentz. Poincaré a stabilit natura de grup a transformărilor Lorentz și a găsit o expresie pentru intervalul de patru dimensiuni ca un invariant al acestor transformări. În aceeași lucrare, el a propus o generalizare relativistă a teoriei gravitației, în care gravitația se propaga prin eter cu viteza luminii. În ciuda faptului că, de fapt, Poincaré a formulat postulatele de bază ale SRT, lucrările sale au fost scrise în spiritul teoriei eterice a lui Lorentz:

Rezultatele obtinute de mine sunt de acord in toate cele mai importante puncte cu cele obtinute de Lorentz. Am încercat doar să le completez și să le modific în unele detalii.

În septembrie 1905, Albert Einstein a publicat celebra sa lucrare „ Despre electrodinamica corpurilor în mișcare ” [6] . În ciuda numelui „electrodinamic”, opera lui Einstein diferă semnificativ ca caracter de opera lui Poincaré și Lorentz. Era simplu din punct de vedere matematic și conținea o revizuire a conceptelor fizice de spațiu și timp. În prima sa secțiune, Einstein discută procedura de sincronizare a două ceasuri și scrie:

Alte considerații se bazează pe principiul relativității și pe principiul constanței vitezei luminii. Definim ambele principii astfel:

1. Legile conform cărora se modifică stările sistemelor fizice nu depind de care dintre cele două sisteme de coordonate care se află în mișcare de translație uniformă unul față de celălalt, la care se referă aceste schimbări de stare.

2. Fiecare rază de lumină se mișcă într-un sistem de coordonate în repaus cu o anumită viteză V, indiferent dacă această rază de lumină este emisă de un corp în repaus sau de un corp în mișcare.

Pe baza acestor postulate , Einstein a obţinut pur şi simplu transformările Lorentz . O astfel de abordare axiomatică , generalitatea și analiza fizică vizuală a procedurilor de măsurare au atras imediat o atenție largă. Această lucrare a marcat de fapt finalizarea creării teoriei speciale a relativității.

Dezvoltare ulterioară

Unii oameni de știință au acceptat imediat SRT: Max Planck (1906) și Einstein însuși (1907) au construit dinamica relativistă și termodinamica. Hermann Minkowski a prezentat în 1907 un model matematic al cinematicii SRT, în care transformările Lorentz decurg din geometria unui spațiu pseudo-euclidian cu patru dimensiuni. În spațiul Minkowski, transformările Lorentz sunt transformări ale rotațiilor axelor de coordonate.

Au existat, totuși, critici la adresa noilor concepte. Ei au subliniat că teoria relativității nu prezice fapte noi care pot fi verificate experimental și nu este mai bună decât teoria lui Lorentz. Au existat încercări de a găsi contradicții interne în SRT. Conceptul de eter a continuat să fie susținut de J. J. Thomson , Lenard , Lodge și alți fizicieni de seamă. Lorentz însuși a încetat să mai critice SRT abia spre sfârșitul vieții sale.

Lucrări despre axiomatica SRT

În 1910, la o întâlnire a naturaliștilor și medicilor germani, omul de știință rus Vladimir Ignatovsky a făcut un raport „Câteva observații generale despre principiul relativității” [7] :

Acum îmi pun în fața mea întrebarea la ce fel de relații sau, mai precis, la ce ecuații de transformare se poate ajunge dacă punem în fruntea studiului doar principiul relativității.

Ignatovsky a arătat că pe baza liniarității transformărilor, a principiului relativității și a izotropiei spațiului, este posibil să se obțină transformările Lorentz . În această concluzie, al doilea postulat al lui Einstein al invarianței vitezei luminii nu a fost folosit.

În anul următor, 1911, Annalen der Physik a publicat lucrarea lui Philipp Frank și Herman Rote: „Despre transformarea coordonatelor spațiu-timp de la sistemele staționare la cele în mișcare” [8] , în care abordarea lui Ignatovsky a fost dezvoltată semnificativ. Pe baza analizei de grup, Frank și Rothe au găsit cele mai generale transformări între cadrele de referință inerțiale din clasa funcțiilor liniare. S-au dovedit a depinde de două constante fundamentale care au dimensiunea vitezei. Adăugarea axiomei izotropiei spațiale traduce aceste transformări în transformări Lorentz , iar axioma timpului absolut în transformări galileene. De asemenea, Frank și Rote par să fie primii care au observat că cele mai comune transformări între două cadre de referință inerțiale sunt funcții fracționale liniare .

În ciuda importanței fundamentale a acestor lucrări pentru problemele de bază ale fizicii, ele au rămas practic neobservate. Cea mai mare parte a literaturii educaționale de până în prezent se bazează pe abordarea axiomatică a lui Einstein. Printre puținele referiri la lucrările lui Ignatovsky, Frank și Rote, se remarcă manualul lui Wolfgang Pauli „Teoria relativității”. Totuși, în legătură cu aceste lucrări el scrie [9] :

Din considerente teoretice de grup, se poate obține doar aspectul exterior al formulelor de transformare, dar nu și conținutul lor fizic.

Aceasta implică faptul că constanta fundamentală a vitezei care apare în transformările Lorentz nu poate fi interpretată, fără a implica ipoteze suplimentare, ca viteza luminii .

Rețineți că ideea că al doilea postulat al lui Einstein nu este necesar pentru a justifica SRT a fost redescoperită în mod repetat [10] [11] [12] [13] [14] , dar de obicei fără a menționa lucrările fundamentale din 1910-1911. O prezentare generală a lucrărilor privind axiomatizarea SRT (în cadrul cronogeometriei ) poate fi găsită în lucrarea lui Gutz [15] în Uspekhi matematicheskikh nauk .

Crearea teoriei generale a relativității

Vezi și

Note

  1. ↑ Ginzburg V. L. Cum și cine a creat teoria relativității? în colecţia Einstein, 1966. - M . : Nauka, 1966. - S. 363. - 375 p. - 16.000 de exemplare.
  2. ↑ Galileo Galilei . Dialog despre cele două sisteme principale ale lumii - Ptolemaic și Copernican. - M. , 1948.
  3. ↑ Rețineți că acest nume a apărut deja în secolul al XX-lea, vezi Pauli W. Teoria relativității. - M . : Știință, Ediția 3, corectată. - S. 27. - 328 p. - 17.700 de exemplare.  - ISBN 5-02-014346-4 .
  4. ↑ Excepția au fost experimentele lui Miller de pe Muntele Wilson. Ei au mărturisit despre vântul eteric, care are o viteză de aproximativ 10 km/s perpendicular pe planul orbitei Pământului, și despre absența lui de-a lungul traiectoriei Pământului în jurul Soarelui. Repetarea ulterioară a experimentelor de către alți cercetători cu echipamente mai precise care utilizează surse moderne de unde coerente (masere) nu a dezvăluit efectul. Vezi Repetări ale experimentului Michelson Arhivat 12 ianuarie 2020 la Wayback Machine
  5. ↑ Pais A. Activitatea științifică și viața lui Albert Einstein. Copie de arhivă din 13 aprilie 2014 la Wayback Machine M .: Nauka, 1989, p. 161.
  6. ↑ Despre electrodinamica corpurilor în mișcare: în carte. Einstein A. Culegere de lucrări științifice. - M . : Nauka, 1965. - T. 1. - S. 7-35. — 700 s. - 32.000 de exemplare.
  7. ↑ von W. v. Ignatowsky , „Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip”, Verh. d. Deutsch. Fiz. Ges. 12, 788-96, 1910 ( traducere în rusă Arhivat 18 noiembrie 2021 la Wayback Machine )
  8. ↑ von Philipp Frank și Hermann Rothe „Über die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme”, Ann. der Physic, Ser. 4, voi. 34, nr. 5, 1911, pp. 825-855 ( traducere în limba rusă Arhivat 29 august 2014 la Wayback Machine )
  9. ↑ Pauli W. Teoria relativității. - M . : Știință, Ediția 3, corectată. - S. 27. - 328 p. - 17.700 de exemplare.  - ISBN 5-02-014346-4 .
  10. ↑ Terletsky Ya. P.  - Paradoxurile teoriei relativității, M .: Nauka (1965)
  11. ↑ Mermin ND  - „Relativitate fără lumină”, Am.J.Phys., Vol. 52, nr. 2 (1984) p. 119-124. Traducere rusă: Mermin N.D.  - „Teoria relativității fără postulatul constanței vitezei luminii”, Fizica în străinătate. Seria B. (1986)
  12. ↑ Lee AR Kalotas TM  - „Transformări Lorentz din primul postulat”, Am.J.Phys., Vol. 43, nr. 5, (1975) p. 434-437.
  13. ↑ Achin Sen „Cum ar fi putut Galileo derivat teoria specială a relativității” Am.J.Phys., Vol. 62, nr. 2 (1994) p. 157-162.
  14. ↑ Nishikawa S.  - „Transformarea Lorentz fără utilizarea directă a postulatelor lui Einstein” Nuovo Cimento, Vol. 112B, nr. 8 (1997) p. 1175-1187.
  15. ↑ A. K. Guts, „Teoria axiomatică a relativității”, Uspekhi Mat. Nauk, 37:2(224) (1982), p. 39-79.