Историја специјалне релативности састоји се од многих теоријских резултата и емпиријских налаза које су добили Алберт А. Мајкелсон, Хендрик Лоренц, Анри Поенкаре и други. Кулминирала је теоријом специјалне релативности коју је предложио Алберт Ајнштајн и каснијим радом Макса Планка, Хермана Минковског и других.
Увод Иако је Исак Њутн засновао своју физику на апсолутном времену и простору, он се такође придржавао принципа релативности Галилеа Галилеја, прецизно га поново износећи за механичке системе.Principia, Corollary 5 to the Laws of Motion Ово се може исказати на следећи начин: што се тиче закона механике, сви посматрачи у инерцијалном кретању су једнако привилеговани и никакво преференцијално стање кретања не може се приписати ниједном одређеном инерцијалном посматрачу. Међутим, електромагнетна теорија и електродинамика, развијене током 19. века, нису се повиновале Галилејевој релативности. Таласна теорија електромагнетизма или светлости, посматрана као поремећај „светлосног медијума” или луминосног етра, била је широко прихваћена. Теорија је достигла свој најразвијенији облик у раду Џејмса Клерка Максвела. Максвел је сматрао да се све оптичке и електричне појаве простиру кроз етар, што чини његове једначине валидним само за системе који мирују у односу на тај етар. Концепт овог етра био је нашироко дискутован и подвргнут многим неуспешним експерименталним покушајима да се одреди кретање у односу на етар.Whittaker (1951), 128ff
Неуспех било ког експеримента да детектује кретање кроз етар навео је Хендрика Лоренца, почевши од 1892. године, да развије теорију електродинамике засновану на непокретном луминосном етру (о чијој материјалној конституцији Лоренц није спекулисао), физичкој контракцији дужине и „локалном времену” у којем Максвелове једначине задржавају свој облик у свим инерцијалним референтним оквирима. Радећи са Лоренцовом теоријом етра, Анри Поенкаре, који је раније предложио „принцип релативности” као општи закон природе (укључујући електродинамику и гравитацију), искористио је овај принцип 1905. године да исправи Лоренцове прелиминарне трансформационе формуле, што је резултирало прецизним скупом једначина које се данас називају Лоренцове трансформације.
Нешто касније исте године, Алберт Ајнштајн је објавио свој оригинални рад о специјалној релативности. Независно је извео и радикално реинтерпретирао Лоренцове трансформације мењајући основне дефиниције просторних и временских интервала, напуштајући при томе апсолутну истовременост Галилејеве кинематике, чиме је избегнута потреба за било каквим позивањем на луминосни етар у класичној електродинамици.Chen (2011), Page 92 Пре Ајнштајновог рада, Галилејева релативност се примењивала на механику честица, а Лоренцова релативност на електродинамику; после тога, оба система су користила Лоренцове трансформације. У каснијем раду, Херман Минковски је увео 4-димензиони геометријски модел „простор-времена”, Арнолд Зомерфелд је развио електромагнетни тензор, а Макс Планк је применио концепт специјалне релативности на релативистичку Лагранжову механику.Darrigol (2005), 22
Специјална теорија релативности дала је инваријантне законе физике у инерцијалним референтним оквирима, али значење тих оквира било је нејасно све до Ајнштајновог каснијег развоја његовог принципа еквиваленције и опште теорије релативности. У поређењу са општом теоријом, Ајнштајн је свој ранији рад изричито назвао „специјална теорија релативности” (нем. Spezielle Relativitätstheorie) у два кратка рада објављена у новембру 1915. године; English translation on pp. 98-107 of "The collected papers of Albert Einstein", English translation volume 6; English translation on pp. 117-120 of "The collected papers of Albert Einstein", English translation volume 6; See also the alternative translation The Field Equations of Gravitation on Wikisource и у дугом прегледном чланку објављеном 1916. године,; English translation The Foundation of the Generalised Theory of Relativity by Satyendra Nath Bose on Wikisource рекавши да мисли на ограничење на равномерно кретање, а истакнуто је у наслову Ајнштајнове популарне књиге Relativitet: Specijalna i opšta teorija први пут објављене 1916. године.
Етар и електродинамика покретних тела
Модели етра и Максвелове једначине Након рада Томаса Јанга (1804) и Огистена-Жана Френела (1816), веровало се да се светлост простире као трансверзални талас унутар еластичног медијума названог луминосни етар. Међутим, правила се разлика између оптичких и електродинамичких појава, па је било неопходно створити специфичне моделе етра за све појаве. Покушаји да се ти модели уједине или да се створи њихов потпуни механички опис нису успели,Whittaker (1951), 128ff али након значајног рада многих научника, укључујући Мајкла Фарадеја и лорда Келвина, Џејмс Клерк Максвел (1864) је развио прецизну теорију електромагнетизма изводећи скуп једначина из електрицитета, магнетизма и индуктивности, названих Максвелове једначине. Он је први предложио да је светлост заправо ундулација (електромагнетно зрачење) у *истом* етарском медијуму који је узрок електричних и магнетних појава. Међутим, Максвелова теорија била је незадовољавајућа у погледу оптике покретних тела, и иако је био у стању да представи комплетан математички модел, није могао да пружи кохерентан механички опис етра.Whittaker (1951), 240ff
Након што је Хајнрих Херц 1887. године демонстрирао постојање електромагнетних таласа, Максвелова теорија је широко прихваћена. Поред тога, Оливер Хевисајд и Херц су даље развили теорију и увели модернизоване верзије Максвелових једначина. „Максвел–Херцове” или „Хевисајд–Херцове” једначине су потом чиниле важну основу за даљи развој електродинамике, а Хевисајдова нотација се и данас користи. Други важан допринос Максвеловој теорији дали су Џорџ Фицџералд, Џозеф Џон Томсон, Џон Хенри Појнтинг, Хендрик Лоренц и Џозеф Лармор.Whittaker (1951), 319ffJanssen/Stachel (2004), 20
Потрага за етром У погледу релативног кретања и међусобног утицаја материје и етра, постојале су две теорије, од којих ниједна није била потпуно задовољавајућа. Једну је развио Френел (а касније и Лоренц). Овај модел (теорија стационарног етра) претпостављао је да се светлост простире као трансверзални талас и да материја делимично повлачи етар са одређеним коефицијентом. На основу ове претпоставке, Френел је могао да објасни аберацију светлости и многе оптичке појаве.Whittaker (1951), 107ff
Другу хипотезу предложио је Џорџ Габријел Стокс, који је 1845. године изјавио да материја потпуно повлачи етар (касније је ово гледиште делио и Херц). У овом моделу, етар би могао бити (по аналогији са боровом смолом) крут за брзе објекте и флуидан за спорије објекте. Тако би Земља могла да се креће кроз њега прилично слободно, али би био довољно крут да преноси светлост.Whittaker (1951), 386f Френелова теорија је била пожељнија јер је његов коефицијент повлачења потврђен Физоовим експериментом 1851. године, који је мерио брзину светлости у покретним течностима.Janssen/Stachel (2004), 4–15
мини|лево|А. А. Мајкелсон Алберт А. Мајкелсон (1881) покушао је да измери релативно кретање Земље и етра („етарски ветар”), како се очекивало у Френеловој теорији, користећи интерферометар. Није могао да утврди никакво релативно кретање, па је резултат протумачио као потврду Стоксове тезе.Whittaker (1951), 390f Међутим, Лоренц (1886) је показао да су Мајкелсонови прорачуни били погрешни и да је преценио тачност мерења. То је, заједно са великом маргином грешке, учинило резултат Мајкелсоновог експеримента неубедљивим. Поред тога, Лоренц је показао да Стоксов потпуно повучени етар доводи до контрадикторних последица, те је стога подржао теорију етра сличну Френеловој.Whittaker (1951), 386ff Да би поново проверили Френелову теорију, Мајкелсон и Едвард В. Морли (1886) извели су понављање Физоовог експеримента. Френелов коефицијент повлачења том приликом је врло прецизно потврђен и Мајкелсон је сада био мишљења да је Френелова теорија стационарног етра исправна.Janssen/Stachel (2004), 18–19 Да би разјаснили ситуацију, Мајкелсон и Морли (1887) поновили су Мајкелсонов експеримент из 1881. године и значајно повећали тачност мерења. Међутим, овај сада чувени Мајкелсон–Морлијев експеримент поново је дао негативан резултат: није детектовано кретање апаратуре кроз етар (иако се брзина Земље разликује за 60 km/s у северној зими у поређењу са летом). Тако су се физичари суочили са два наизглед контрадикторна експеримента: експеримент из 1886. као привидна потврда Френеловог стационарног етра, и експеримент из 1887. као привидна потврда Стоксовог потпуно повученог етра.Janssen/Stachel (2004), 19–20
Могуће решење проблема показао је Волдемар Фогт (1887), који је истраживао Доплеров ефекат за таласе који се простиру у нестишљивом еластичном медијуму и извео релације трансформације које су остављале таласну једначину у слободном простору непромењеном и објашњавале негативан резултат Мајкелсон–Морлијевог експеримента. Фогтове трансформације укључују Лоренцов фактор за и координате, и нову временску променљиву која је касније названа „локално време”. Међутим, Фогтов рад су његови савременици потпуно игнорисали.Miller (1981), 114–115Pais (1982), Chap. 6b
Фицџералд (1889) понудио је друго објашњење негативног резултата Мајкелсон–Морлијевог експеримента. За разлику од Фогта, он је спекулисао да су интермолекуларне силе вероватно електричног порекла, тако да би се материјална тела контраховала у правцу кретања (контракција дужине). Ово је било у вези са радом Хевисајда (1887), који је утврдио да су електростатичка поља у покрету деформисана (Хевисајдов елипсоид), што доводи до физички неодређених услова при брзини светлости.Miller (1981), 99–100 Међутим, Фицџералдова идеја остала је углавном непозната и није расправљана пре него што је Оливер Лоџ објавио сажетак те идеје 1892. године.Brown (2001) Такође, Лоренц (1892b) предложио је контракцију дужине независно од Фицџералда како би објаснио Мајкелсон–Морлијев експеримент. Ради уверљивости, Лоренц се позвао на аналогију контракције електростатичких поља. Међутим, чак је и Лоренц признао да то није нужан разлог и да је контракција дужине последично остала *ad hoc* хипотеза.Miller (1981), 27–29Janssen (1995), Ch. 3.3
Лоренцова теорија електрона мини|десно|Хендрик Антон Лоренц
Лоренц (1892a) поставио је темеље Лоренцове теорије етра, претпоставивши постојање електрона које је одвојио од етра и заменивши „Максвел–Херцове” једначине „Максвел–Лоренцовим” једначинама. У његовом моделу, етар је потпуно непокретан и, за разлику од Френелове теорије, материја га не повлачи ни делимично. Важна последица овог схватања била је да је брзина светлости потпуно независна од брзине извора. Лоренц није давао изјаве о механичкој природи етра и електромагнетних процеса, већ је, заправо, покушао да објасни механичке процесе електромагнетним и стога је створио апстрактни електромагнетни етар. У оквиру своје теорије, Лоренц је израчунао, попут Хевисајда, контракцију електростатичких поља. Лоренц (1895) је такође увео оно што је назвао „Теоремом кореспондентних стања” за чланове првог реда у . Ова теорема каже да покретни посматрач (у односу на етар) у свом „фиктивном” пољу чини иста опажања као и посматрач који мирује у свом „стварном” пољу. Важан део тога било је локално време , које је утрло пут Лоренцовим трансформацијама и које је увео независно од Фогта. Уз помоћ овог концепта, Лоренц је могао да објасни и аберацију светлости, Доплеров ефекат и Физоов експеримент. Међутим, Лоренцово локално време било је само помоћно математичко средство за поједностављење трансформације из једног система у други – Поенкаре је 1900. године препознао да „локално време” заправо показују покретни сатови.Miller (1982)Zahar (1989)Galison (2002) Лоренц је такође препознао да његова теорија нарушава принцип акције и реакције, будући да етар делује на материју, али материја не може да делује на непокретни етар.Janssen (1995), Ch. 3.1