Просмотр кода страницы История теории относительности

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке [[Электродинамика|электродинамики]]<ref name="Ginzburg">''[[Гинзбург, Виталий Лазаревич|Гинзбург В. Л.]]''
Как и кто создал теорию относительности? в
{{Книга:Эйнштейновский сборник|1966|страницы=363}}</ref>.
Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях [[Электричество|электричества]] и [[магнетизм]]а стали [[уравнения Максвелла]], описывающие эволюцию [[электромагнитное поле|электромагнитного поля]] и его взаимодействие с [[электрический заряд|зарядами]] и [[электрический ток|токами]].
В электродинамике Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя, и равна [[Скорость света|скорости света]]. Таким образом, уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно [[Преобразования Галилея|преобразований Галилея]], что противоречило классической механике.

== От Галилея до Максвелла ==
[[Файл:Galileo.arp.300pix.jpg|right|150px|thumb|Галилео Галилей]]
В 1632 году в книге ''Диалоги о двух главнейших системах мира — птоломеевой и коперниковой''<ref>{{Книга:Галилео Галилей: Диалог о двух главнейших системах мира}}</ref>
[[Галилео Галилей]] привёл рассуждения, получившие в дальнейшем название [[принцип относительности|принципа относительности]]:
<blockquote>
Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же.

Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно.
</blockquote>
Этот принцип, утверждающий эквивалентность различных [[инерциальная система отсчёта|инерциальных систем отсчёта]], сыграл важную роль как в [[классическая механика|классической механике]], так и в специальной теории относительности. Преобразования, связывающие результаты наблюдений относительно двух инерциальных систем отсчёта, получили название [[преобразования Галилея]]<ref>Заметим, что это название появилось уже в XX веке см. {{Книга:Паули В.: Теория относительности|1991|страницы=27}}</ref>.

Галилей, по-видимому, впервые предпринял также попытку измерить [[скорость света]] при помощи наземных экспериментов. Однако удалось это сделать только [[Рёмер, Оле Кристенсен|Олафу Рёмеру]] в 1676 году. Наблюдая изменение периода обращения спутника [[Юпитер]]а [[Ио (спутник)|Ио]] в зависимости от взаимного расположения [[Земля|Земли]] и Юпитера, Рёмер объяснил его конечностью скорости распространения светового сигнала и смог оценить эту скорость. В метрической системе результат измерений Рёмера соответствует {{число|214300}} км/с. Спустя 50 лет, в 1727 году, похожий результат получил [[Брэдли, Джеймс|Джеймс Брэдли]], наблюдая [[Аберрация света|аберрацию]] звёзд (изменение их видимого положения) при движении [[Земля|Земли]] вокруг [[Солнце|Солнца]].

[[Файл:James Clerk Maxwell.jpg|thumb|150px|right|Джеймс Клерк Максвелл]]
Параллельно с экспериментами по измерению скорости света происходили размышления относительно природы света. [[Френель, Огюстен Жан|Огюстен Френель]], основываясь на [[Волновая теория|волновой теории]], в 1818 году успешно объяснил явление [[дифракция|дифракции]]. [[Максвелл, Джеймс Клерк|Джеймс Клерк Максвелл]], обобщая экспериментальные открытия [[Эрстед, Ханс Кристиан|Эрстеда]], [[Ампер, Андре Мари|Ампера]] и [[Фарадей, Майкл|Фарадея]] в 1864 записал систему уравнений, описывающих эволюцию электромагнитного поля. Из [[уравнения Максвелла|уравнений Максвелла]] следовало, что в пустом пространстве [[электромагнитная волна|электромагнитные волны]] распространяются со [[скорость света|скоростью света]]. На основании этого была выдвинута гипотеза о волновой, электромагнитной природе света.

== Эксперименты ==
Таким образом, к середине XIX века волновая природа света стала доминирующей концепцией. Так как все известные к тому времени волновые процессы протекали в той или иной среде (вода, воздух), достаточно естественной оказалась модель [[Эфир (физика)|эфира]], некоторой субстанции, возмущения которой проявляются как [[электромагнитные волны]]. [[Уравнения Максвелла]] при этом интерпретировались как записанные относительно [[система отсчёта|системы отсчёта]], связанной с эфиром. Возник вопрос о взаимосвязи движущихся материальных тел и эфира. В частности, увлекается ли эфир движущимися сквозь него объектами, подобно увлечению воздуха в трюме корабля? Последовала серия экспериментов по выяснению характера увлечения эфира и определения скорости Земли относительно этой субстанции.

[[Файл:Hippolyte Fizeau.jpg|thumb|150px|right|Арман Ипполит Луи Физо]]
В 1851 г. [[Физо, Арман Ипполит Луи|Физо]] поставил [[Опыт Физо|эксперимент]] по измерению скорости света в движущейся среде, в качестве которой выступал поток воды. Его результат с точностью до первого порядка малости по скорости воды v привёл к следующему соотношению для скорости света:
: <math> c(v,n) = \frac{c}{n} + k\, v,~~~~~~~~~~~~k=1-\frac{1}{n^2},</math>
где n — [[показатель преломления]], c — [[скорость света]] в пустоте, а c/n — скорость света в неподвижной воде. Если основываться на классическом правиле сложения скоростей, это соотношение свидетельствовало о частичном увлечении эфира с коэффициентом k (при k=1 эфир увлекается полностью, а при k=0 — увлечения нет вообще).

[[Файл:Albert Abraham Michelson.JPG|thumb|150px|left|Альберт Абрахам Майкельсон]]
Серию следующих важных [[Опыт Майкельсона|экспериментов]] в 1881 г. предпринял [[Майкельсон, Альберт Абрахам|Майкельсон]]. При помощи [[интерферометр]]а он измерял время прохождения света в двух перпендикулярных направлениях. Ориентация интерферометра изменялась в пространстве, поэтому при отсутствии увлечения эфира Землёй появлялась возможность по разности времён определить абсолютную скорость движения Земли относительно системы отсчёта, связанной с эфиром. Эксперимент дал отрицательный результат, смещение полос интерференционной картины не совпало с ожидаемым (теоретическим). Это могло свидетельствовать либо о полном увлечении эфира, либо о неподвижности Земли. Последняя возможность была маловероятна, так как [[Земля]] со скоростью 30 км/c двигается, по крайней мере, вокруг Солнца. Привлечение же гипотезы полного увлечения эфира противоречило наблюдаемой [[Аберрация света|годовой аберрации]] звёзд, которая в этом случае отсутствовала бы. В дальнейшем [[Опыт Майкельсона|эксперименты Майкельсона]] неоднократно повторялись ([[Майкельсон, Альберт Абрахам|Майкельсон]] и [[Морли, Эдвард Уильямс|Морли]] (1887), [[Морли, Эдвард Уильямс|Морли]] и Миллер (1902—1904), и т. д.). Для уменьшения потенциального эффекта увлечения эфира установка поднималась в горы, однако получался результат, не совпадающий с ожидаемым<ref>Исключением явились эксперименты Миллера на горе Маунт Вильсон. Они свидетельствовали об эфирном ветре, имеющим скорость около 10 км/c перпендикулярно к плоскости орбиты Земли, и его отсутствии вдоль траектории движения Земли вокруг Солнца. В дальнейшем повторение экспериментов другими исследователями на более точной аппаратуре с использованием современных источников когерентных волн (мазеров) эффекта не выявили.
См. [http://www.ufn.ru/ru/articles/1932/1/g Повторения опыта Майкельсона] {{Wayback|url=http://www.ufn.ru/ru/articles/1932/1/g |date=20200112151353 }}</ref>.

== Создание СТО ==
[[Файл:Hendrik lorentz.jpg|right|150px|thumb|[[Хендрик Лоренц]]]]
Важный вклад в построение теоретических моделей эфира и его взаимодействия с веществом внёс [[Хендрик Лоренц]]. В его модели эфир представлял собой [[диэлектрик|диэлектрическую]] субстанцию с единичной [[диэлектрическая проницаемость|диэлектрической проницаемостью]] <math>
\varepsilon=1</math>. Наблюдаемая [[электрическая индукция]] <math>
\mathbf{D}=\varepsilon\mathbf{E}</math> складывалась из индукции вещества <math>
\mathbf{D}=(\varepsilon-1)\mathbf{E}</math> и эфира <math>
\mathbf{D}=\mathbf{E}</math>. Последняя, по теории Лоренца, не увлекалась при движении вещества, и Лоренц смог объяснить [[опыт Физо|эксперимент Физо]].
Однако [[Опыт Майкельсона|эксперименты Майкельсона]] противоречили электронной теории Лоренца, так как требовали для своего объяснения полного увлечения эфира. [[Хендрик Лоренц|Лоренц]] (1892 г.) и, независимо от него, [[Фицджеральд, Джордж Френсис|Фицджеральд]] (1893 г.) ввели достаточно искусственное предположение о том, что объекты (например, плечи [[Интерферометр Майкельсона|интерферометра Майкельсона]]) при движении сквозь эфир сокращаются
<math>l=l_0 \sqrt{1-v^2/c^2}</math> в направлении движения. Это сокращение позволяло объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона и, в свою очередь, объяснялось взаимодействием частиц вещества с эфиром.

Одновременно с этим шёл поиск преобразований, оставляющих [[уравнения Максвелла]] инвариантными. В 1887 г. [[Фойгт, Вольдемар|Фойгт]] записал преобразования координат и времени, которые оставляли неизменными форму распространения волн в эфире. В его преобразованиях время имело различный темп в различных пространственных точках. В 1892 г. Лоренц ввёл т. н. местное время <math>t'=t-(v/c^2) x</math> и показал, что с точностью до первого порядка по скорости уравнения Максвелла остаются неизменными при движении системы отсчёта сквозь эфир. В 1900 г. [[Лармор, Джозеф|Лармор]] в книге «Эфир и материя» привёл преобразования, относительно которых уравнения Максвелла остаются инвариантными в любом порядке по скорости {{math|''v''}}. Эти же преобразования были переоткрыты Лоренцем в его статье 1904 г. Благодаря работам Пуанкаре эти преобразования в дальнейшем стали называть [[Преобразования Лоренца|преобразованиями Лоренца]]. Ни Лармор, ни Лоренц не придавали преобразованиям характера общих пространственно-временных закономерностей и связывали их лишь с электромагнитными свойствами вещества и эфира. Сам Лоренц в конце своей жизни писал
<ref>''Пайс А.'' [http://www.edu.delfa.net/Interest/biblio/pajs_einshtein.djvu Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна.] {{Wayback|url=http://www.edu.delfa.net/Interest/biblio/pajs_einshtein.djvu |date=20140413171908 }} М.: Наука, 1989, стр. 161.</ref>:
<blockquote>
Основная причина, по которой я не смог предложить теории относительности, заключается в том, что я придерживался представления, будто лишь переменная {{math|''t''}} может считаться истинным временем, а предложенное мной местное время {{math|''t''′}} должно рассматриваться только в качестве вспомогательной математической величины.
</blockquote>

[[Файл:Poincare.jpg|left|150px|thumb|[[Анри Пуанкаре]]]]
Важную роль в развитии электронной теории Лоренца и в формулировке физических идей, которые легли в основу специальной теории относительности, сыграл [[Анри Пуанкаре]]. В частности, ему принадлежит ясная формулировка принципа относительности для электромагнитных явлений. В своей работе 1895 г. он писал:
<blockquote>
Невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира.
</blockquote>
В 1898 г. в статье «Измерение времени» Пуанкаре выдвинул гипотезу постоянства скорости света и обратил внимание на условный характер понятия одновременности двух событий. В книге «Наука и гипотеза» (1902 г.) Пуанкаре пишет:
<blockquote>
Не существует абсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, само по себе не имеет смысла и можно применять его только условно.
</blockquote>

Под влиянием работ Пуанкаре Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории. В ней он предположил, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках. Анри Пуанкаре далеко развил эти идеи в статье «О динамике электрона», краткий анонс которой был опубликован в сообщениях французской академии в июне 1905 г. В этой статье был сформулирован всеобщий принцип относительности, совместный с преобразованиями Лоренца. Пуанкаре установил групповой характер преобразований Лоренца и нашёл выражение для четырёхмерного интервала как инварианта этих преобразований. В этой же работе он предложил релятивистское обобщение теории гравитации, в которой тяготение распространялось в эфире со скоростью света. Несмотря на то, что фактически Пуанкаре сформулировал основные постулаты СТО, его работы были написаны в духе эфирной теории Лоренца:
<blockquote>
Результаты, полученные мною, согласуются во всех наиболее важных пунктах с теми, которые получил Лоренц. Я стремился только дополнить и видоизменить их в некоторых деталях.
</blockquote>

[[Файл:Einstein patentoffice.jpg|150px|thumb|[[Альберт Эйнштейн]]]]
В сентябре 1905 г. [[Альберт Эйнштейн]] публикует свою знаменитую работу «[[Список научных публикаций Альберта Эйнштейна#Ш 9|К электродинамике движущихся тел]]»<ref>К электродинамике движущихся тел: в кн. {{Книга:Эйнштейн А.: Собрание научных трудов|Т=1|страницы=7—35}}</ref>. Несмотря на «электродинамическое» название, работа Эйнштейна существенно отличалась по своему характеру от работ Пуанкаре и Лоренца. Она была проста в математическом плане и содержала пересмотр физических представлений о пространстве и времени. В её первом разделе Эйнштейн рассматривает процедуру синхронизации двух часов и пишет:
<blockquote>
Дальнейшие соображения опираются на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света. Мы определяем оба принципа следующим образом:
</blockquote>
<blockquote>
1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся.
</blockquote>
<blockquote>
2. Каждый луч света движется в покоящейся системе координат с определенной скоростью V независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом.
</blockquote>
На основе этих постулатов [[Альберт Эйнштейн|Эйнштейн]] достаточно просто получил [[преобразования Лоренца]]. Подобный [[Формальная система|аксиоматический подход]], общность и наглядный физический анализ измерительных процедур сразу привлёк широкое внимание. Именно эта работа фактически знаменовала собой завершение создания специальной теории относительности.

== Дальнейшее развитие ==
Часть учёных сразу приняли СТО: [[Макс Планк]] (1906) и сам [[Альберт Эйнштейн|Эйнштейн]] (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику.
[[Минковский, Герман|Герман Минковский]] в 1907 году представил математическую модель кинематики СТО, в которой преобразования Лоренца вытекают из геометрии четырёхмерного псевдоевклидова пространства. В [[пространство Минковского|пространстве Минковского]] лоренцевы преобразования являются преобразованиями поворотов координатных осей.

Были, однако, и критики новых концепций. Они указывали на то, что теория относительности не предсказывает новых фактов, которые можно проверить экспериментально, и ничем не лучше теории Лоренца. Появились попытки найти в СТО внутренние противоречия. Концепцию эфира продолжали поддерживать [[Томсон, Джозеф Джон|Дж. Дж. Томсон]], [[Ленард, Филипп Эдуард Антон фон|Ленард]], [[Лодж, Оливер Джозеф|Лодж]] и другие известные физики. Сам Лоренц прекратил критику СТО только к концу жизни.

== Работы по аксиоматике СТО ==
В 1910 году на собрании немецких натуралистов и врачей русский учёный
[[Игнатовский, Владимир Сергеевич|Владимир Игнатовский]] сделал доклад «Некоторые общие замечания к принципу относительности»<ref name=doklad_ru>''von W. v. Ignatowsky'', «Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip», Verh. d. Deutsch. Phys. Ges. 12, 788-96, 1910 ([http://www.synset.com/wiki/%D0%98%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_1910 русский перевод] {{Wayback|url=http://www.synset.com/wiki/%D0%98%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_1910 |date=20211118101850 }})</ref>:
<blockquote>
Сейчас я ставлю перед собой вопрос о том, к каким взаимосвязям или, точнее, уравнениям преобразования, можно прийти, если поставить во главу исследования только принцип относительности.
</blockquote>
[[Игнатовский, Владимир Сергеевич|Игнатовский]] показывал, что исходя из линейности преобразований, принципа относительности и изотропности пространства, можно вывести [[преобразования Лоренца]]. В этом выводе второй постулат Эйнштейна об инвариантности скорости света не использовался.

В следующем 1911 году в Annalen der Physik выходит работа Филиппа Франка и Германа Роте: «О преобразовании пространственно-временных координат из неподвижных систем в движущиеся»<ref>''von Philipp Frank und Hermann Rothe'' «Über die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme», Ann. der Physik, Ser. 4, Vol. 34, No. 5, 1911, pp. 825—855 ([http://synset.com/ru/Франк_Роте_1911 русский перевод] {{Wayback|url=http://synset.com/ru/%D0%A4%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%BA_%D0%A0%D0%BE%D1%82%D0%B5_1911 |date=20140829234711 }})</ref>,
в которой подход Игнатовского получил существенное развитие. Основываясь на групповом анализе, Франк и Роте в классе линейных функций нашли наиболее общие преобразования между инерциальными системами отсчёта. Они оказались зависящими от двух фундаментальных констант, имеющих размерность скорости. Добавление аксиомы изотропности пространства переводит эти преобразования в [[преобразования Лоренца]], а аксиома абсолютности времени — в преобразования Галилея. Франк и Роте также, по-видимому, первыми, отметили, что наиболее общими преобразованиями между двумя инерциальными системами отсчёта являются [[Дробно-линейная функция|дробно-линейные функции]].

Несмотря на фундаментальную важность этих работ для вопросов основания физики, они остались практически незамеченными. Большинство учебной литературы вплоть до настоящего времени основывается на аксиоматическом подходе Эйнштейна. Среди немногочисленных упоминаний работ Игнатовского, Франка и Роте можно отметить учебник [[Паули, Вольфганг|Вольфганга Паули]] «Теория относительности». Однако, в связи с этими работами он пишет<ref name="ReferenceA">{{Книга:Паули В.: Теория относительности|1991|страницы=27}}</ref>:
<blockquote>
Из теоретико-групповых соображений можно получить лишь внешний вид формул преобразования, но не их физическое содержание.
</blockquote>
При этом подразумевается, что возникающая в преобразованиях Лоренца фундаментальная константа скорости, не может быть, без привлечения дополнительных гипотез, интерпретирована как [[скорость света]].

Заметим, что идея о том, что для обоснования СТО не требуется второго постулата Эйнштейна, неоднократно переоткрывалась<ref>''Терлецкий Я. П.'' — Парадоксы теории относительности, М.: Наука (1965)</ref><ref>''Mermin N.D.'' — «Relativity without light», Am.J.Phys., Vol. 52, No. 2 (1984) p. 119—124. Русский перевод: ''Мермин Н. Д.'' — «Теория относительности без постулата о постоянстве скорости света», Физика за рубежом. Серия Б. (1986)
</ref><ref>
''Lee A.R. Kalotas T.M.'' — «Lorentz transformations from the first postulate», Am.J.Phys., Vol. 43, No. 5, (1975) p. 434—437.
</ref><ref>''Achin Sen'' «How Galileo could have derived the special theory of relativity» Am.J.Phys., Vol. 62, No. 2 (1994) p. 157—162.
</ref><ref>''Nishikawa S.'' — «Lorentz transformation without the direct use of Einstein’s postulates» Nuovo Cimento, Vol. 112B, No. 8 (1997) p. 1175—1187.
</ref>,
однако обычно без упоминания основополагающих работ 1910—1911 года. Общий обзор работ по аксиоматизации СТО (в рамках [[хроногеометрия|хроногеометрии]]) может быть найден в работе Гуца<ref>А. К. Гуц, «Аксиоматическая теория относительности», УМН, 37:2(224) (1982), с. 39—79.</ref> в [[Успехи математических наук|Успехах математических наук]].

== Создание общей теории относительности ==
{{В планах|дата=2016-07-31}}

== См. также ==
* [[Золотой век теории относительности]]
* [[Общая теория относительности]]
* [[Проект:Физика/Списки/Список известных учёных-релятивистов]]
* [[Лоренц, Хендрик Антон]]
* [[Минковский, Герман]]
* [[Переменная скорость света]]
* [[Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции]]
* [[Принцип относительности]]
* [[Пуанкаре, Анри]]
* [[Релятивистская механика]]
* [[Специальная теория относительности]]
* [[Список научных публикаций Альберта Эйнштейна]]
* [[Теория относительности]]
* [[Эквивалентность массы и энергии]]
* [[Эйнштейн, Альберт]]

== Примечания ==
{{примечания}}

[[Категория:История физики|Теория относительности]]
[[Категория:Теория относительности|*]]
[[Категория:Теории эфира]]
[[Категория:Альберт Эйнштейн]]