Historie teorie relativity

Předpokladem pro vznik teorie relativity byl rozvoj elektrodynamiky v 19. století [1] . Výsledkem zobecnění a teoretického pochopení experimentálních faktů a zákonitostí v oblasti elektřiny a magnetismu byly Maxwellovy rovnice popisující vývoj elektromagnetického pole a jeho interakci s náboji a proudy . V Maxwellově elektrodynamice rychlost šíření elektromagnetických vln ve vakuu nezávisí na rychlosti pohybu zdroje těchto vln a pozorovatele a je rovna rychlosti světla . Tak, Maxwellovy rovnice dopadly být non-invariantní pod Galilean transformacemi , který odporoval klasické mechanice.

Od Galilea k Maxwellovi

V roce 1632 Galileo Galilei v knize Dialogy o dvou hlavních systémech světa – Ptolemaiově a Koperníkově [2] citoval úvahy, které se později staly známými jako princip relativity :

Zatímco loď stojí, pozorně pozorujte, jak se malá létající zvířata pohybují stejnou rychlostí ve všech směrech místnosti; všechny padající kapky spadnou do nahrazené nádoby a vy, házející předmět, jej nebudete muset házet větší silou v jednom směru než v druhém, pokud jsou vzdálenosti stejné.

Nyní přinuťte loď, aby se pohybovala libovolnou rychlostí, a pak (pokud je pouze pohyb rovnoměrný a bez rolování jedním či druhým směrem) ve všech výše uvedených jevech nenajdete sebemenší změnu a nebudete schopni určit z žádné z nich, ať už se loď pohybuje nebo stojí na místě.

Tento princip, který prosazuje ekvivalenci různých inerciálních vztažných soustav , sehrál důležitou roli jak v klasické mechanice , tak ve speciální teorii relativity. Transformace spojující výsledky pozorování s ohledem na dvě inerciální vztažné soustavy se nazývají Galileovy transformace [3] .

Galileo zřejmě také učinil první pokus změřit rychlost světla pomocí pozemních experimentů. To se však v roce 1676 podařilo pouze Olafovi Römerovi . Pozorováním změny periody rotace Jupiterova satelitu Io v závislosti na vzájemné poloze Země a Jupiteru ji Römer vysvětlil konečností rychlosti šíření světelného signálu a dokázal tuto rychlost odhadnout. V metrickém systému odpovídá Römerův výsledek měření 214 300 km/s. O 50 let později, v roce 1727, dosáhl podobného výsledku James Bradley , když pozoroval aberaci hvězd (změnu jejich zdánlivé polohy) při pohybu Země kolem Slunce.

Souběžně s experimenty na měření rychlosti světla docházelo k úvahám o povaze světla. Augustin Fresnel na základě vlnové teorie úspěšně vysvětlil fenomén difrakce v roce 1818 . James Clerk Maxwell , shrnující experimentální objevy Oersteda , Ampera a Faradaye v roce 1864, sepsal systém rovnic popisujících vývoj elektromagnetického pole. Z Maxwellových rovnic vyplývá, že v prázdném prostoru se elektromagnetické vlny šíří rychlostí světla . Na základě toho byla předložena hypotéza o vlnové, elektromagnetické povaze světla.

Experimenty

V polovině 19. století se tedy vlnová povaha světla stala dominantním pojmem. Protože všechny do té doby známé vlnové procesy probíhaly v tom či onom médiu (voda, vzduch), ukázal se model éteru jako zcela přirozený , určitá látka, jejíž poruchy se projevují jako elektromagnetické vlny . Maxwellovy rovnice byly interpretovány jako psané ve vztahu k referenční soustavě spojené s éterem. Vyvstala otázka o vztahu mezi pohybujícími se hmotnými těly a éterem. Konkrétně, je éter strháván předměty, které se jím pohybují, jako je strhávání vzduchu v nákladovém prostoru lodi? Následovala řada experimentů s cílem objasnit povahu odporu éteru a určit rychlost Země vzhledem k této látce.

V roce 1851 Fizeau uspořádal experiment na měření rychlosti světla v pohybujícím se médiu, kterým byl proud vody. Jeho výsledek až do prvního řádu malosti v rychlosti vody v vedl k následujícímu vztahu pro rychlost světla:

kde n je index lomu , c je rychlost světla v prázdném prostoru a c/n je rychlost světla ve stojaté vodě. Na základě klasického pravidla pro sčítání rychlostí tento poměr svědčil o částečném strhávání éteru s koeficientem k (pro k=1 je éter zcela strháván a pro k=0 není strhávání vůbec).

Sérii dalších důležitých experimentů provedl v roce 1881 Michelson . Pomocí interferometru změřil dobu průchodu světla ve dvou na sebe kolmých směrech. Orientace interferometru se v prostoru měnila, takže při absenci strhávání éteru Zemí bylo možné určit absolutní rychlost pohybu Země vzhledem k referenční soustavě spojené s éterem časovým rozdílem. Experiment ukázal negativní výsledek, posun proužků interferenčního obrazce se neshodoval s očekávaným (teoretickým). To by mohlo svědčit buď o úplném strhávání éteru, nebo o nehybnosti Země. Druhá možnost byla nepravděpodobná, protože Země se pohybuje minimálně kolem Slunce rychlostí 30 km/s. Vyvolání hypotézy úplného odporu éteru bylo v rozporu s pozorovanou roční aberací hvězd, která by v tomto případě chyběla. Následně byly Michelsonovy experimenty opakovaně opakovány ( Michelson a Morley (1887), Morley a Miller (1902-1904) atd.). Aby se snížil potenciální účinek strhávání éteru, instalace vyšplhala do hor, ale výsledek nebyl stejný, jak se očekávalo [4] .

Zřízení čerpací stanice

Významný příspěvek ke konstrukci teoretických modelů éteru a jeho interakce s hmotou přinesl Hendrik Lorentz . V jeho modelu byl éter dielektrickou látkou s jednotkovou permitivitou . Pozorovaná elektrická indukce sestávala z indukce hmoty a éteru . Ten podle Lorentzovy teorie nebyl unášen během pohybu hmoty a Lorentz byl schopen vysvětlit Fizeauův experiment . Michelsonovy experimenty však odporovaly Lorentzově elektronické teorii, protože pro své vysvětlení vyžadovaly úplné tažení éteru. Lorentz (1892) a nezávisle na sobě Fitzgerald (1893) zavedli poněkud umělý předpoklad, že objekty (jako jsou ramena Michelsonova interferometru ) se při pohybu éterem smršťují ve směru pohybu . Tato redukce umožnila vysvětlit negativní výsledek Michelsonova experimentu a následně byla vysvětlena interakcí částic hmoty s éterem.

Současně se hledaly transformace, které by ponechaly Maxwellovy rovnice invariantní. V roce 1887 zaznamenal Voigt transformace souřadnic a času, které ponechaly podobu šíření vln v éteru beze změny. V jeho proměnách měl čas v různých prostorových bodech jiné tempo. V roce 1892 zavedl Lorentz tzv. místního času a ukázal, že až do prvního řádu rychlosti zůstávají Maxwellovy rovnice nezměněny, když se vztažná soustava pohybuje éterem. V roce 1900 Larmor ve své knize „Aether and Matter“ přinesl transformace, vůči nimž Maxwellovy rovnice zůstávají invariantní v jakémkoli pořadí v rychlosti v . Stejné transformace znovu objevil Lorentz ve svém článku z roku 1904. Díky práci Poincarého se tyto transformace později staly známými jako Lorentzovy transformace . Larmor ani Lorentz nedávali transformacím charakter obecných časoprostorových zákonitostí a spojovali je pouze s elektromagnetickými vlastnostmi hmoty a éteru. Lorentz sám napsal na konci svého života [5] :

Hlavním důvodem, proč jsem nemohl navrhnout teorii relativity, je, že jsem se držel představy, že pouze proměnná t může být považována za skutečný čas a že mnou navržený místní čas t ′ by měl být považován pouze za pomocnou matematickou veličinu.

Důležitou roli ve vývoji Lorentzovy elektronové teorie a ve formulaci fyzikálních myšlenek, které tvořily základ speciální teorie relativity, sehrál Henri Poincaré . Zejména vlastní jasnou formulaci principu relativity pro elektromagnetické jevy. Ve svém díle z roku 1895 napsal:

Je nemožné detekovat absolutní pohyb hmoty, přesněji řečeno relativní pohyb uvažovatelné hmoty a éteru.

V roce 1898 v článku „Měření času“ Poincare předložil hypotézu stálosti rychlosti světla a upozornil na podmíněnost konceptu simultánnosti dvou událostí. V Science and Hypothesis (1902) Poincaré píše:

Neexistuje žádný absolutní čas. Tvrzení, že dva časové úseky jsou stejné, samo o sobě nedává smysl a lze jej použít pouze podmíněně.

Pod vlivem Poincarého práce navrhl Lorentz v roce 1904 novou verzi své teorie. V něm naznačil, že při vysokých rychlostech je potřeba opravit newtonovskou mechaniku. Henri Poincare rozvinul tyto myšlenky daleko v článku „O dynamice elektronu“, jehož stručné oznámení bylo zveřejněno ve sdělení Francouzské akademie v červnu 1905. V tomto článku byl formulován obecný princip relativity v souladu s Lorentzovy transformace. Poincaré stanovil skupinovou povahu Lorentzových transformací a našel výraz pro čtyřrozměrný interval jako invariantu těchto transformací. Ve stejné práci navrhl relativistické zobecnění teorie gravitace, kdy se gravitace šířila éterem rychlostí světla. Navzdory skutečnosti, že ve skutečnosti Poincaré formuloval základní postuláty SRT, jeho díla byla napsána v duchu éterické teorie Lorentze:

Výsledky, které jsem získal, se ve všech nejdůležitějších bodech shodují s výsledky získanými Lorentzem. Snažil jsem se je pouze v některých detailech doplnit a upravit.

V září 1905 vydal Albert Einstein své slavné dílo „ O elektrodynamice pohybujících se těles “ [6] . I přes „elektrodynamický“ název se Einsteinovo dílo svým charakterem výrazně lišilo od díla Poincarého a Lorentze. Byl matematicky jednoduchý a obsahoval revizi fyzikálních pojmů prostoru a času. Ve své první části Einstein diskutuje o postupu pro synchronizaci dvou hodin a píše:

Další úvahy jsou založeny na principu relativity a na principu stálosti rychlosti světla. Oba principy definujeme takto:

1. Zákony, podle kterých se mění stavy fyzikálních systémů, nezávisí na tom, na který ze dvou souřadnicových systémů, které jsou vůči sobě v rovnoměrném translačním pohybu, se tyto změny stavu vztahují.

2. Každý paprsek světla se v klidu pohybuje v souřadnicové soustavě určitou rychlostí V, bez ohledu na to, zda tento paprsek světla vyzařuje těleso v klidu nebo pohybující se těleso.

Na základě těchto postulátů Einstein poměrně jednoduše získal Lorentzovy transformace . Takový axiomatický přístup , obecnost a vizuální fyzikální analýza postupů měření okamžitě přitáhla širokou pozornost. Právě tato práce vlastně znamenala završení vytvoření speciální teorie relativity.

Další vývoj

Někteří vědci okamžitě přijali SRT: Max Planck (1906) a sám Einstein (1907) vybudovali relativistickou dynamiku a termodynamiku. Hermann Minkowski v roce 1907 představil matematický model kinematiky SRT, ve kterém Lorentzovy transformace vycházejí z geometrie čtyřrozměrného pseudoeuklidovského prostoru. V Minkowského prostoru jsou Lorentzovy transformace transformace rotací souřadnicových os.

Objevili se však kritici nových konceptů. Poukázali na to, že teorie relativity nepředpovídá nová fakta, která lze ověřit experimentálně, a není o nic lepší než Lorentzova teorie. Byly pokusy najít vnitřní rozpory v SRT. Koncept éteru nadále podporovali J. J. Thomson , Lenard , Lodge a další významní fyzikové. Sám Lorentz přestal kritizovat SRT až na konci svého života.

Práce na axiomatice SRT

V roce 1910, na setkání německých přírodovědců a lékařů, ruský vědec Vladimir Ignatovsky učinil zprávu „Některé obecné poznámky k principu relativity“ [7] :

Nyní si položím otázku, k jakým vztahům, přesněji řečeno transformačním rovnicím, lze dospět, pokud do čela studie postavíme pouze princip relativity.

Ignatovský ukázal, že na základě linearity transformací, principu relativity a izotropie prostoru je možné odvodit Lorentzovy transformace . V tomto závěru nebyl použit druhý Einsteinův postulát o neměnnosti rychlosti světla.

Následujícího roku 1911 vydala Annalen der Physik práci Philippa Franka a Hermana Rotea: „O transformaci časoprostorových souřadnic ze stacionárních systémů na pohyblivé“ [8] , v níž se Ignatovského přístup výrazně rozvinul. Na základě skupinové analýzy našli Frank a Rothe nejobecnější transformace mezi inerciálními vztažnými soustavami ve třídě lineárních funkcí. Ukázalo se, že závisí na dvou základních konstantách, které mají rozměr rychlosti. Přidání axiomu prostorové izotropie převede tyto transformace na Lorentzovy transformace a axiom absolutního času na Galileovské transformace. Frank a Rote se také zdají být první, kdo si všimne, že nejběžnější transformace mezi dvěma inerciálními vztažnými soustavami jsou lineární zlomkové funkce .

Přes zásadní význam těchto prací pro otázky základů fyziky zůstaly prakticky nepovšimnuty. Většina vzdělávací literatury až do současnosti je založena na Einsteinově axiomatickém přístupu. Mezi nemnoho odkazů na díla Ignatovského, Franka a Rotea lze zaznamenat učebnici Wolfganga Pauliho „Teorie relativity“. V souvislosti s těmito pracemi však píše [9] :

Ze skupinově teoretických úvah lze získat pouze vnější vzhled transformačních vzorců, nikoli však jejich fyzikální obsah.

To znamená, že fundamentální rychlostní konstantu vznikající v Lorentzových transformacích nelze bez dalších hypotéz interpretovat jako rychlost světla .

Všimněte si, že myšlenka, že druhý Einsteinův postulát není vyžadován k ospravedlnění SRT, byla opakovaně znovuobjevena [10] [11] [12] [13] [14] , ale obvykle bez zmínky o základních pracích z let 1910-1911. Obecný přehled prací o axiomatizaci SRT (v rámci chronogeometrie ) lze nalézt v práci Gutze [15] v Uspekhi matematicheskikh nauk .

Vytvoření obecné teorie relativity

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Ginzburg V. L. Jak a kdo vytvořil teorii relativity? ve sbírce Einstein, 1966. - M. : Nauka, 1966. - S. 363. - 375 s. - 16 000 výtisků.
  2. ↑ Galileo Galilei . Dialog o dvou hlavních systémech světa – ptolemaiovské a koperníkovské. - M. , 1948.
  3. ↑ Všimněte si, že toto jméno se objevilo již ve 20. století, viz Pauli W. Theory of Relativity. - M. : Science, vydání 3, opraveno. - S. 27. - 328 s. - 17 700 výtisků.  - ISBN 5-02-014346-4 .
  4. ↑ Výjimkou byly Millerovy experimenty na Mount Wilson. Svědčily o éterickém větru, který má rychlost kolmo k rovině oběžné dráhy Země kolem 10 km/s, a jeho nepřítomnosti podél trajektorie Země kolem Slunce. Další opakování experimentů jinými výzkumníky na přesnějších zařízeních využívajících moderní zdroje koherentního vlnění (masery) efekt neodhalilo. Viz Opakování Michelsonova experimentu archivované 12. ledna 2020 na Wayback Machine
  5. ↑ Pais A. Vědecká činnost a život Alberta Einsteina. Archivní kopie ze dne 13. dubna 2014 ve Wayback Machine M .: Nauka, 1989, s. 161.
  6. ↑ K elektrodynamice pohybujících se těles: v knize. Einstein A. Sborník vědeckých prací. - M .: Nauka, 1965. - T. 1. - S. 7-35. - 700 s. - 32 000 výtisků.
  7. ↑ von W. v. Ignatowsky , "Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip", Verh. d. německy Phys. Ges. 12, 788-96, 1910 ( ruský překlad archivován 18. listopadu 2021 na Wayback Machine )
  8. ↑ von Philipp Frank a Hermann Rothe "Über die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme", Ann. der Physic, Ser. 4, sv. 34, č. 5, 1911, str. 825-855 ( ruský překlad Archivováno 29. srpna 2014 na Wayback Machine )
  9. ↑ Pauli W. Teorie relativity. - M. : Science, vydání 3, opraveno. - S. 27. - 328 s. - 17 700 výtisků.  - ISBN 5-02-014346-4 .
  10. ↑ Terletsky Ya. P.  - Paradoxy teorie relativity, M .: Nauka (1965)
  11. ↑ Mermin ND  - "Relativita bez světla", Am.J.Phys., sv. 52, č.p. 2 (1984) str. 119-124. Ruský překlad: Mermin N.D.  - "Teorie relativity bez postulátu stálosti rychlosti světla", Fyzika v zahraničí. Serie B. (1986)
  12. ↑ Lee AR Kalotas TM  - "Lorentzovy transformace z prvního postulátu", Am.J.Phys., sv. 43, č.p. 5, (1975) str. 434-437.
  13. ↑ Achin Sen „Jak mohl Galileo odvodit speciální teorii relativity“ Am.J.Phys., Vol. 62, č.p. 2 (1994) str. 157-162.
  14. ↑ Nishikawa S.  - "Lorentzova transformace bez přímého použití Einsteinových postulátů" Nuovo Cimento, sv. 112B, č. 8 (1997) str. 1175-1187.
  15. ↑ A. K. Guts, "Axiomatická teorie relativity", Uspekhi Mat. Nauk, 37:2(224) (1982), s. 39-79.