To, co jest obecnie nazywane teorią eteru Lorentza, sięga korzeniami „teorii elektronu” Hendrika Lorentza, która była kulminacją rozwoju klasycznych teorii eteru na przełomie wieków XIX i XX.

Początkowa teoria Lorentza, utworzona w 1892 i 1895 oparta była na zupełnie nieruchomym eterze. Wyjaśniało to negatywny wynik eksperymentu mającego wykryć dryf eteru do pierwszego rzędu w v/c, poprzez wprowadzenie dodatkowej zmiennej, zwanej „czasem lokalnym”, w celu połączenia układów znajdujących się w spoczynku z układami w ruchu względem eteru. W dodatku, ujemny wynik eksperymentu Michelsona-Morleya spowodował wprowadzenie w 1892 hipotezy skrócenia długości. Aczkolwiek dalsze eksperymenty również dały ujemne wyniki, kierując się zasadą względności Henriego Poincarégo Lorentz próbował w 1899 i w 1904 rozszerzyć swoją teorię na wszystkie rzędy v/c, poprzez wprowadzenie transformacji Lorentza. Dodatkowo założył, że siły nie-elektromagnetyczne (o ile istnieją) transformują się jak elektryczne. Aczkolwiek wyrażenie Lorentza na gęstość ładunku elektrycznego było niepoprawne, więc jego teoria nie wykluczała w pełni możliwości wykrycia eteru. Henri Poincaré w 1905 poprawił błędy w pracy Lorentza i zawarł nie-elektromagnetyczne siły (włączając w to grawitację) w obrębie teorii, którą nazwał „Nową Mechaniką”. Wiele aspektów teorii Lorentza zostało włączonych do szczególnej teorii względności, przy udziale Alberta Einsteina i Hermanna Minkowskiego.

Obecnie teoria ta jest traktowana jako rodzaj „lorentzowskiej” lub „neo-lorentzowskiej” interpretacji szczególnej teorii względności. Wprowadzenie skrócenia długości oraz dylatacji czasu w „preferowanym” układzie odniesienia, który pełni rolę nieruchomego eteru Lorentza, prowadzi do skompletowania transformacji Lorentza. Ponieważ obie teorie posiadają ten sam formalizm matematyczny, eksperymentalnie nie sposób dowieść słuszności jednej kosztem drugiej. Aczkolwiek w teorii eteru Lorentza zakłada się istnienie niewykrywalnego eteru, i spełnienie zasady względności wydaje się tylko zbiegiem okoliczności, co jest czynnikiem, dla którego teoria względności jest preferowana ponad teorię Lorentza. Inną przyczyną wyboru szczególnej teorii względności jest fakt, że nowe zrozumienie czasu i przestrzeni stało się podstawą do sformułowania ogólnej teorii względności.

Rozwój historyczny Podstawowe koncepcje thumb|left|Hendrik Antoon Lorentz Teoria ta, rozwijana głównie pomiędzy 1892 a 1906 przez Lorentza i Poincarego, oparta była na teorii eteru Augustina-Jeana Fresnela, równaniach Maxwella i teorii elektronu Rudolfa ClausiusaWhittaker (1951), 386ff.. Lorentz wprowadził ścisłą separację pomiędzy materią (elektronami) a eterem, przez co eter w tym modelu był zupełnie nieruchomy i nie podlegał wprawianiu w ruch w sąsiedztwie dużych ilości materii. Jak powiedział później Max Born, dla naukowców tamtych czasów było naturalne (choć logicznie niekonieczne) utożsamianie spoczynkowego układu odniesienia w eterze Loretnza z przestrzenią absolutną Isaaca NewtonaBorn (1964), 172ff.. Właściwości tego eteru można opisać poprzez pole elektryczne E oraz pole magnetyczne H, które to pola reprezentują stany eteru (bez dalszej specyfikacji), powiązane z ładunkami elektronów. Zatem abstrakcyjny eter elektromagnetyczny zastępował stary, mechaniczny model. W przeciwieństwie do Clausiusa, który akceptował oddziaływanie elektronów na odległość, u Lorentza za pośrednik służyło pole elektromagnetyczne eteru, a zmiany w nim nie mogły rozchodzić się szybciej niż z prędkością światła w próżni. Opierając się na tej teorii, Lorentz wyjaśnił teoretycznie efekt Zeemana, za co otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 1902. W tym samym czasie podobną teorię rozwinął Joseph Larmor, jednak jego koncepcja oparta była na mechanicznym eterze. Fundamentalną koncepcją teorii Lorentza w 1895Lorentz (1895). było twierdzenie o stanach odpowiednich w sensie rzędów wielkości v/c. Twierdzenie to mówiło, że obserwator poruszający się względem eteru może używać tych samych równań elektromagnetyzmu, co obserwator spoczywający, i dokonują oni tych samych obserwacji.

Skrócenie długości Wielkim wyzwaniem dla teorii było doświadczenie Michelsona-Morleya w 1887. Zgodnie z teoriami Fresnela i Lorentza, ruch względny wobec nieruchomego eteru powinien zostać w tym eksperymencie zarejestrowany. Nic takiego jednak nie nastąpiło. Sam Albert Michelson sądził, że eksperyment potwierdził hipotezę wleczenia eteru, według której eter jest w pełni wleczony przez materię. Jednakże inne eksperymenty, jak eksperyment Fizeau, oraz efekt aberracji, przeczyły temu modelowi.

Możliwe rozwiązanie pojawiło się, gdy w 1889 Oliver Heaviside otrzymał z równań Maxwella, że pole magnetycznego potencjału wektorowego wokół poruszającego się ciała zmienia się o czynnik Bazując na tym wyniku oraz biorąc pod uwagę hipotezę nieruchomego eteru, wraz z wynikiem eksperymentu Michelsona-Morleya, George Francis Fitzgerald zasugerował w 1889 (jakościowo), a niezależnie od niego Lorentz w 1892Lorentz (1892). (już ilościowo), że nie tylko pola elektrostatyczne, lecz również siły molekularne podlegają takiemu działaniu, że wymiary ciała w kierunku ruchu zmniejszają się o wartość w stosunku do wymiarów poprzecznych do ruchu. Jednak obserwator poruszający się razem z takim ciałem nie zauważyłby skrócenia, ponieważ wszystkie inne instrumenty skróciłyby się tak samo. W 1895 Lorentz zaproponował trzy możliwe wyjaśnienia tego względnego skróceniaBrown (2001).: Ciało skraca się w kierunku ruchu, zachowując swoje wymiary prostopadle do niego. Wymiary ciała pozostają takie same w kierunku ruchu, lecz rozszerza się ono prostopadle do niego. Ciało zarówno skraca się w kierunku ruchu, jak i rozszerza poprzecznie do niego.

Chociaż możliwe powiązanie między siłami elektrostatycznymi i molekularnymi zostało użyte przez Lorentza jako argument prawdopodobieństwa, hipoteza skrócenia została wkrótce potraktowana jako wprowadzona czysto ad hoc. Ważne jest również, że skrócenie to dotykało wyłącznie przestrzeń między elektronami, a nie same elektrony, przez co czasami nazywano ten efekt „hipotezą intermolekularną”. Tak zwane skrócenie długości bez ekspansji poprzecznie do ruchu, o dokładnej wartości (gdzie l0 jest długością w spoczynku wobec eteru) zostało dane w 1897 przez Larmora i w 1904 przez Lorentza. W tym samym roku Lorentz stwierdził, że również elektron podlega temu skróceniuMiller (1981), 70–75.. Szerzej rozwój tej koncepcji omówiono w sekcji #transformacje LorentzaLorentz (1904b)..

Czas lokalny Ważną częścią twierdzenia o stanach odpowiednich w 1892 i 1895 roku był czas lokalny gdzie t jest współrzędną czasową dla obserwatora spoczywającego względem eteru. Woldemar Voigt użył wcześniej tego samego wyrażenia dla czasu lokalnego w 1887, w związku z efektem Dopplera w medium nieściśliwym. Z pomocą tej koncepcji Lorentz był w stanie wyjaśnić aberrację światła, efekt Dopplera i doświadczenie Fizeau (czyli pomiar wleczenia eteru), przeprowadzone przez Armanda Fizeau w płynącej wodzie. Chociaż dla Lorentza skrócenie długości było rzeczywistym, fizycznym efektem, transformacje czasu traktował on tylko jako heurystyczną hipotezę roboczą, matematycznym wymogiem upraszczającym obliczenia przy przechodzeniu z układu spoczywającego do „fikcyjnego” układu będącego w ruchu. W przeciwieństwie do Lorentza, Poincaré traktował to jako coś więcej niż trik matematyczny, nazywając czas lokalny Lorentza „najbardziej genialnym pomysłem”Poincaré (1904); Poincaré (1905a), Ch. 8.. W 1898 napisał w swojej pracy s:The Measure of TimePoincaré (1898); Poincaré (1905a), Ch. 2.:

W 1900 Poincaré zinterpretował czas lokalny jako wynik procedury synchronizacji, opartej na sygnałach świetlnych. Założył, że dwóch obserwatorów, A i B, poruszających się w eterze, synchronizuje swoje zegary przy pomocy sygnałów optycznych. Ponieważ wierzą oni, że są w spoczynku, muszą rozważyć jedynie czas transmisji sygnału oraz wymienić się obserwacjami, aby sprawdzić, czy zegary są zsynchronizowane. Jednakże z punktu widzenia obserwatora naprawdę spoczywającego względem eteru, zegary nie są zsynchronizowane i pojawia się czas lokalny Jednak ponieważ ruchomy obserwator nie wie nic o swoim ruchu, nie rozpoznaje tegoPoincaré (1900b).. W 1904 zilustrował on tę samą procedurę następująco: A wysyła sygnał w czasie 0 do B, który dociera po czasie t. B również wysyła sygnał w czasie 0, który dociera do A po czasie t. Jeżeli w obu przypadkach t ma tę samą wartość, to zegary są zsynchronizowane, ale tylko w układzie, w którym zegary spoczywają względem eteru. Zatem idąc za DarrigolemDarrigol (2005), 10–11., Poincaré rozumiał czas lokalny jako fizyczny efekt, tak jak skrócenie długości – w przeciwieństwie do Lorentza, który doszedł do tej samej interpretacji nie wcześniej niż w 1906. Aczkolwiek w przeciwieństwie do Einsteina, który potem użył podobnej procedury synchronizacji, nazwanej synchronizacją Einsteina, według Darrigola, w opinii Poincarégo zegary spoczywające względem eteru wskazują prawdziwy czas.

Aczkolwiek na początku nie wiedziano, że czas lokalny obejmuje coś, co obecnie zwane jest dylatacją czasu. Efekt ten po raz pierwszy zauważył Larmor (1897), który napisał: „Indywidualne elektrony opisują odpowiednie części swoich orbit w czasach krótszych dla układu [eteru] o czynnik lub ” W 1899Lorentz (1899). również Lorentz odnotował, w kontekście częstotliwości oscylacji elektronów: „w S czas wibracji będzie większy niż w S0”, gdzie S0 jest układem odniesienia eteru, S jest matematycznym, fikcyjnym układem ruchomego obserwatora, k wynosi a jest czynnikiem niezdeterminowanymJanssen (1995), Chap. 3.5.4..

Transformacje Lorentza Podczas gdy czas lokalny mógłby wyjaśnić negatywny wynik eksperymentów dryfu eteru do pierwszych rzędów v/c, niezbędne było – ze względu na kolejne ujemne wyniki eksperymentów, jak choćby doświadczenie Troutona-Noble'a – zmodyfikowanie hipotezy w celu uwzględnienia również efektów drugiego rzędu. Matematycznym narzędziem, które do tego posłużyło, jest tak zwana transformacja Lorentza. Już w 1887 Voigt sporządził podobny zbiór równań (aczkolwiek z innym czynnikiem skali). Następnie, w 1897 Larmor, a w 1899 Lorentz sporządzili równania w algebraicznej formie odpowiadającej obecnie używanym (aczkolwiek Lorentz dodał do nich niezdefiniowany czynnik l). W swojej publikacji Zjawiska elektromagnetyczne w układzie poruszającym się z dowolną prędkością podświetlną (1904), Lorentz przystąpił do sporządzenia teorii stworzenia takiej teorii, w której wszystkie siły pomiędzy molekułami podlegałyby transformacjom Lorentza (w których Lorentz ustawił czynnik l na 1) w taki sam sposób, jak siły elektromagnetyczne. Innymi słowy, Lorentz przystąpił do stworzenia teorii, w której ruch względny Ziemi i eteru jest (niemal lub zupełnie) niewykrywalny. Tym samym uogólnił hipotezę skrócenia i stwierdził, że nie tylko siły łączące elektrony, lecz również same elektrony podlegają skróceniu w kierunku ruchu. Jednakże Max Abraham (1904) szybko zauważył mankament tej teorii: W czysto elektromagnetycznej teorii skrócona konfiguracja elektronów staje się niestabilna i należy wprowadzić nie-elektromagnetyczną siłę stabilizującą – Abraham sam kwestionował możliwość dodania takiej siły w teorii Lorentza.