Теория эфира Лоренца (ТЭЛ) уходит своими корнями в «теорию электронов» Хендрика Лоренца, которая была последней точкой в разработке теорий классического эфира в конце XIX — начале XX века«Электронная теория» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг..

Изначально теория Лоренца была создана между 1892 и 1895 гг. и базировалась на гипотезе о полностью неподвижном эфире. Она объясняла неудачи попыток обнаружения движения относительно эфира в первом порядке v/c, введя вспомогательную переменную «локальное время» для объединения покоящихся и движущихся в эфире систем. Дополнительно отрицательный результат опыта Майкельсона в 1892 г. привёл к гипотезе сокращения Лоренца. Однако остальные эксперименты также дали отрицательный результат, и (руководствуясь принципом относительности А. Пуанкаре) в 1899, 1904 гг. Лоренц пытался расширить свою теорию до всех порядков v/c, введя преобразования Лоренца. Он также полагал, что неэлектромагнитные силы (если они существуют) преобразуются так же, как электромагнитные. Однако Лоренц ошибся в формуле для плотности заряда и тока, поэтому его теория не исключала в полной мере возможность обнаружения эфира. В итоге в 1905 году Пуанкаре исправил ошибки Лоренца и включил в теорию неэлектромагнитные силы, в том числе гравитацию. Многие аспекты теории Лоренца вошли в специальную теорию относительности (СТО) в работах А. Эйнштейна и Г. Минковского.

Сегодня ТЭЛ часто трактуется как некий вид «лоренц»-интерпретации специальной теории относительности. Введение сокращения длин и замедления времени в «привилегированной» системе отсчета, которая играет роль неподвижного эфира Лоренца, ведет к полным преобразованиям Лоренца (в качестве примера см. ). Так как в обеих теориях присутствует одинаковый математический формализм, то нет возможности экспериментально различить ТЭЛ и СТО. Но так как в ТЭЛ предполагается существование необнаружимого эфира, а справедливость принципа относительности представляется лишь совпадением, то в целом предпочтение отдается СТО.

Историческое развитие

Основная концепция

Эта теория, которая была разработана главным образом между 1892 и 1906 гг. Лоренцем и Пуанкаре, была основана на теории эфира Огюстен Жана Френеля, уравнениях Максвелла и электронной теории Рудольфа Клаузиуса.Whittaker (1951), 386ff Лоренц ввёл строгое разделение между веществом (электронами) и эфиром, в результате чего в его модели эфир полностью неподвижен и не приводится в движение в окрестностях весомой материи. Как позже сказал Макс Борн, для учёных того времени было естественно (хотя и не логически необходимо) идентифицировать систему покоя эфира Лоренца с абсолютным пространством Исаака НьютонаBorn (1964), 172ff. Условие этого эфира может быть описано электрическим полем E и магнитным полем H, где эти поля представляют собой «состояния» эфира (без дополнительной спецификации), связанных с зарядами электронов. Таким образом, абстрактный электромагнитный эфир заменяет старые модели механистического эфира. Вопреки Клаузиусу, который согласился с тем, что электроны подвержены дальнодействию, электромагнитное поле эфира появляется как посредник между электронами, а изменения в этом поле могут распространяться не быстрее скорости света. Лоренц теоретически объяснил эффект Зеемана на основе своей теории, за которую он получил Нобелевскую премию по физике в 1902 году. Джозеф Лармор в это же время нашёл аналогичную теорию, но его концепция была основана на механическом эфире. Фундаментальная концепция теории Лоренца в 1895 г.Lorentz (1895) была «теоремой соответствующих состояний» для членов порядка v/c. Эта теорема утверждает, что движущийся по отношению к эфиру наблюдатель может использовать те же уравнения электродинамически, что и наблюдатель в стационарной эфирной системе, поэтому они наблюдают одно и то же.

Сокращение длины Большой проблемой для этой теории был опыт Майкельсона — Морли, проведённый в 1887 году. Согласно теориям Френеля и Лоренца относительное движение неподвижного эфира должно определяться этим экспериментом, однако результат был отрицательным. Сам Майкельсон считал, что результат подтвердил гипотезу о переносе эфира, в которой эфир полностью увлекается веществом. Однако другие эксперименты, подобные эксперименту Физо, и эффект аберрации опровергли эту модель.

Возможное решение появилось в поле зрения в 1889 году, когда Оливер Хевисайд получил из уравнений Максвелла, что векторный потенциал электромагнитного поля вокруг движущегося тела изменяется в соответствии с фактором . На основании этого результата и гипотезы о неподвижном эфире в соответствии с экспериментом Майкельсона-Морли Джордж Фицджеральд в 1889 году (качественно) и независимо от него Лоренц в 1892 годуLorentz (1892) (уже количественно) предположили, что не только электростатическое поле, но и молекулярные силы влияют таким образом, что размер тела по линии движения меньше на величину , чем размеры перпендикулярно линии движения. Однако наблюдатель, движущийся с Землёй, не заметил бы этого сокращения, потому что все другие инструменты сжимаются с одинаковым соотношением. В 1895 г. Лоренц предложил три возможных объяснения этого относительного сокращения:Brown (2001) Тело сокращается по линии движения и сохраняет свой размер перпендикулярно ему. Размер тела остаётся неизменным по линии движения, но оно расширяется перпендикулярно ему. Тело сжимается по линии движения и одновременно расширяется перпендикулярно ему.

Хотя возможная связь между электростатическими и межмолекулярными силами была использована Лоренцем как аргумент правдоподобия, гипотеза сжатия вскоре рассматривалась как чисто ad hoc. Важно также, чтобы такое сжатие затрагивало пространство между электронами, но не сами электроны, поэтому иногда называлось «межмолекулярная гипотеза». Так называемое Лоренцево сокращение без расширения перпендикулярно линии движения и точным значением (где  — длина покоя в эфире) была дана Лармором в 1897 году и Лоренцем в 1904 году. В том же году Лоренц также утверждал, что это сокращение влияет и на сами электроныMiller (1981), 70-75,. Более подробно см. #Преобразования ЛоренцаLorentz (1904b).

Местное время Важной частью теоремы соответствующих состояний в 1892 и 1895 гг. было местное время , где  — это координата времени для наблюдателя, покоящегося в эфире, а  — это координата времени для наблюдателя, движущегося в эфире. (Вольдемар Фогт ранее использовал такое же выражение для локального времени в 1887 г. для связи с эффектом Доплера и несжимаемой средой). С помощью этого понятия Лоренц смог объяснить аберрацию света, эффект Допплера и эксперимент Физо (то есть измерение коэффициент сноса (эфира) Френеля) в движущихся и покоящихся жидкостях. Хотя сокращение Лоренца было реальным физическим эффектом, он рассматривал преобразование времени только как эвристическую рабочую гипотезу и математическое условие, упрощающее вычисление при переходе от покоящейся к «фиктивно» движущейся системы. В отличие от Лоренца, Пуанкаре видел в определении местного времени нечто большее, чем математический трюк, который он назвал «самой изобретательной идеей Лоренца»Poincaré (1904); Poincaré (1905a), Ch. 8. В The Measure of Time он писал в 1898Poincaré (1898); Poincaré (1905a), Ch. 2:

В 1900 году Пуанкаре интерпретировал местное время как результат процедуры синхронизации, основанной на световых сигналах. Он предположил, что два наблюдателя A и B, которые движутся в эфире, синхронизируют свои часы с помощью оптических сигналов. Поскольку они считают, что они находятся в состоянии покоя, они должны учитывать только время передачи сигналов и затем объединить наблюдения, чтобы проверить, являются ли их часы синхронными. Однако с точки зрения наблюдателя, покоящегося в эфире, часы не синхронны и показывают местное время . Но поскольку движущиеся наблюдатели ничего не знают о своём движении, они не обнаружат этогоPoincaré (1900b). В 1904 году он проиллюстрировал ту же процедуру следующим образом: A посылает сигнал в момент времени 0 к B, который получает его в момент времени . B также посылает сигнал в момент времени 0 к A, который получает его в момент времени . Если в обоих случаях имеет одинаковое значение, то часы синхронны, но только в системе, в которой часы находятся в состоянии покоя в эфире. Итак, согласно DarrigolDarrigol (2005), 10-11 Пуанкаре понимал местное время как физический эффект точно так же, как сокращение длины, в отличие от Лоренца, который использовал ту же интерпретацию после 1906 года. Однако в противовес Эйнштейну, который позже использовал аналогичную процедуру синхронизации, которая называлась синхронизация Эйнштейна, Дарригол говорит, что Пуанкаре считал часы, покоящиеся в эфире, показывающими истинное время.

Однако вначале было неизвестно, что местное время включает в себя то, что теперь известно как замедление времени. Этот эффект был впервые замечен Лармором (1897), который писал, что «отдельные электроны описывают соответствующие части своих орбит в несколько раз короче для эфирной системы в отношении или ». И в 1899 г. для частоты колебаний осциллирующих электронов Лоренц отметилLorentz (1899), «что в время вибрации будет в раз больше, чем в », где  — система отсчета эфира,  — математически-фиктивная система отсчета движущегося наблюдателя, и  — неопределенный факторJanssen (1995), Chap. 3.5.4.

Преобразования Лоренца В то время как «локальное время» могло объяснить отрицательный результат эксперимента по сносу эфира в первом порядке v/c, из-за других неудачных экспериментов по сносу эфира, таких как Опыт Траутона - Нобла, было необходимо изменить гипотезу, чтобы включить эффекты второго порядка. Математическим инструментом для этого является так называемое преобразование Лоренца. Это сделал Войг (Voigt) в 1887 году, который уже получил аналогичную систему уравнений (но с другим масштабным коэффициентом). Впоследствии Лармор в 1897 году и Лоренц в 1899 году получили уравнения в форме, алгебраически эквивалентной тем, которые используются до сих пор (однако Лоренц в своих преобразованиях использовал неопределённый множитель ). В своей статье Электромагнитные явления в системе, движущейся с любой скоростью, меньшей, чем скорость света (1904 Лоренц попытался создать такую теорию, согласно которой все силы между молекулами зависят от преобразований Лоренца (в котором Лоренц устанавливает коэффициент на единицу) так же, как и электростатические силы. Другими словами, Лоренц попытался создать теорию, в которой относительное движение Земли и эфира (почти или полностью) невозможно обнаружить. Поэтому он обобщил гипотезу сокращения и утверждал, что не только силы между электронами, но и сами электроны сжимаются по линии движения. Однако Макс Абрахам (1904) быстро заметил недостаток этой теории: в рамках чисто электромагнитной теории сжатая электронная конфигурация неустойчива, и для стабилизации электронов необходимо ввести неэлектронную силу. Сам Абрахам поставил под сомнение возможность включения таких сил в теорию Лоренца.