Lo que ahora se conoce como teoría del éter de Lorentz ( LET ) tiene sus raíces en la "teoría de los electrones" de Hendrik Lorentz , que marcó el final del desarrollo de las teorías clásicas del éter a finales del siglo XIX y principios del XX. siglo.
La teoría inicial de Lorentz se creó entre 1892 y 1895 y se basó en eliminar suposiciones sobre el movimiento del éter. Explicó el fracaso de los experimentos de deriva negativa del éter de primer orden en v / c mediante la introducción de una variable auxiliar llamada "hora local" para conectar sistemas en reposo y en movimiento en el éter. Además, el resultado negativo del experimento de Michelson-Morley llevó a la introducción de la hipótesis de la contracción de la longitud en 1892. Sin embargo, otros experimentos también produjeron resultados negativos y (guiado por el principio de relatividad de Henri Poincaré ) Lorentz lo intentó en 1899 y 1904 para ampliar su teoría a todos los órdenes en v / c introduciendo la transformación de Lorentz . Además, supuso que las fuerzas no electromagnéticas (si existen) se transforman como fuerzas eléctricas. Sin embargo, las expresiones de Lorentz para la densidad de carga y la corriente eran incorrectas, por lo que su teoría no excluía por completo la posibilidad de detectar el éter. Finalmente, fue Henri Poincaré quien en 1905 corrigió los errores en el artículo de Lorentz e incorporó fuerzas no electromagnéticas (incluida la gravitación ) dentro de la teoría, a la que llamó "La Nueva Mecánica". Muchos aspectos de la teoría de Lorentz fueron incorporados a la relatividad especial (SR) con los trabajos de Albert Einstein y Hermann Minkowski .
Hoy en día, la LET se trata a menudo como una especie de interpretación "lorentziana" o "neolorentziana" de la relatividad especial. [1] La introducción de la contracción de la longitud y la dilatación del tiempo para todos los fenómenos en un marco de referencia "preferido" , que desempeña el papel del éter inmóvil de Lorentz, conduce a la transformación completa de Lorentz (ver la teoría de la prueba de Robertson-Mansouri-Sexl como una ejemplo), por lo que la covarianza de Lorentz no proporciona ninguna distinción verificable experimentalmente entre LET y SR. La simultaneidad absoluta en la formulación de la teoría de la prueba Mansouri-Sexl de LET [2] implica que un experimento unidireccional de la velocidad de la luz podría en principio distinguir entre LET y SR, pero ahora se sostiene ampliamente que es imposible realizar tal prueba. . En ausencia de cualquier forma de distinguir experimentalmente entre LET y SR, SR se prefiere ampliamente a LET, debido a la suposición superflua de un éter indetectable en LET, y a que la validez del principio de relatividad en LET parece ad hoc o coincidente.
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La teoría del éter de Lorentz, que fue desarrollada principalmente entre 1892 y 1906 por Lorentz y Poincaré, se basó en la teoría del éter de Augustin-Jean Fresnel , las ecuaciones de Maxwell y la teoría del electrón de Rudolf Clausius . [B 1] El artículo de Lorentz de 1895 rechazó las teorías de la deriva del éter y se negó a expresar suposiciones sobre la naturaleza del éter. Decía:
Es evidente que no podemos hablar de un reposo absoluto del éter; Esta expresión ni siquiera tendría sentido. Cuando digo, en aras de la brevedad, que el éter estaría en reposo, significa sólo que una parte de este medio no se mueve contra la otra y que todos los movimientos perceptibles son movimientos relativos de los cuerpos celestes con respecto al éter.
Como dijo más tarde Max Born , era natural (aunque no lógicamente necesario) que los científicos de esa época identificaran el sistema de reposo del éter de Lorentz con el espacio absoluto de Isaac Newton . [B 2] La condición de este éter puede describirse mediante el campo eléctrico E y el campo magnético H, donde estos campos representan los "estados" del éter (sin mayor especificación), relacionados con las cargas de los electrones. Así, un éter electromagnético abstracto reemplaza a los antiguos modelos de éter mecanicistas. Al contrario de Clausius, que aceptaba que los electrones actúan mediante acciones a distancia , el campo electromagnético del éter aparece como mediador entre los electrones, y los cambios en este campo no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz . Lorentz explicó teóricamente el efecto Zeeman basándose en su teoría, por la que recibió el Premio Nobel de Física en 1902. Joseph Larmor encontró al mismo tiempo una teoría similar, pero su concepto se basaba en un éter mecánico. Un concepto fundamental de la teoría de Lorentz en 1895 [A 1] fue el "teorema de los estados correspondientes" para términos de orden v / c . Este teorema establece que un observador en movimiento con respecto al éter puede usar las mismas ecuaciones electrodinámicas que un observador en el sistema de éter estacionario, por lo que están haciendo las mismas observaciones.
Un gran desafío para la teoría del éter de Lorentz fue el experimento de Michelson-Morley en 1887. Según las teorías de Fresnel y Lorentz, mediante este experimento se debía determinar un movimiento relativo con respecto a un éter inmóvil; sin embargo, el resultado fue negativo. El propio Michelson pensó que el resultado confirmaba la hipótesis del arrastre del éter, según la cual el éter es arrastrado íntegramente por la materia. Sin embargo, otros experimentos como el experimento de Fizeau y el efecto de la aberración refutaron ese modelo.
Una posible solución apareció a la vista cuando, en 1889, Oliver Heaviside dedujo de las ecuaciones de Maxwell que el campo potencial del vector magnético alrededor de un cuerpo en movimiento se altera en un factor de . Basándose en ese resultado, y para armonizar la hipótesis de un éter inmóvil con el experimento de Michelson-Morley, George FitzGerald en 1889 (cualitativamente) e, independientemente de él, Lorentz en 1892 [A 2] (ya cuantitativamente), sugirieron que no sólo los campos electrostáticos, sino también las fuerzas moleculares, se ven afectados de tal manera que la dimensión de un cuerpo en la línea de movimiento es menor en valor que la dimensión perpendicular a la línea de movimiento. Sin embargo, un observador que se moviera junto con la Tierra no notaría esta contracción porque todos los demás instrumentos se contraen en la misma proporción. En 1895 [A 1] Lorentz propuso tres posibles explicaciones para esta contracción relativa: [B 3]
Aunque Lorentz utilizó la posible conexión entre fuerzas electrostáticas e intermoleculares como argumento de plausibilidad, la hipótesis de la contracción pronto se consideró puramente ad hoc . También es importante que esta contracción sólo afectaría el espacio entre los electrones pero no a los electrones en sí; por lo tanto, a veces se utilizó el nombre de "hipótesis intermolecular" para este efecto. La llamada contracción de longitud sin expansión perpendicular a la línea de movimiento y por el valor preciso (donde l 0 es la longitud en reposo en el éter) fue dada por Larmor en 1897 y por Lorentz en 1904. En el mismo año, Lorentz También argumentó que los propios electrones también se ven afectados por esta contracción. [B 4] Para un mayor desarrollo de este concepto, consulte la sección § Transformación de Lorentz. [A 3]
Una parte importante del teorema de los estados correspondientes en 1892 y 1895 [A 1] fue la hora local , donde t es la coordenada de tiempo para un observador que descansa en el éter y t ' es la coordenada de tiempo para un observador que se mueve en el éter. . ( Woldemar Voigt ya había utilizado la misma expresión para la hora local en 1887 en relación con el efecto Doppler y un medio incompresible). Con la ayuda de este concepto, Lorentz pudo explicar la aberración de la luz , el efecto Doppler y el experimento de Fizeau (es decir, mediciones del coeficiente de resistencia de Fresnel ) de Hippolyte Fizeau en líquidos en movimiento y también en reposo. Mientras que para Lorentz la contracción de longitud era un efecto físico real, consideraba la transformación del tiempo sólo como una hipótesis de trabajo heurística y una estipulación matemática para simplificar el cálculo de un sistema en reposo a un sistema en movimiento "ficticio". Al contrario de Lorentz, Poincaré vio más que un truco matemático en la definición de la hora local, que calificó como la "idea más ingeniosa" de Lorentz. [A 4] En La medida del tiempo escribió en 1898: [A 5]
No tenemos una intuición directa para la simultaneidad, ni tampoco para la igualdad de dos períodos. Si creemos tener esta intuición, es una ilusión. Nos ayudamos de ciertas reglas, que solemos utilizar sin darnos cuenta de ello [...] Elegimos estas reglas por tanto, no porque sean ciertas, sino porque son las más convenientes, y podríamos resumirlas diciendo: "La simultaneidad de dos acontecimientos, o el orden de su sucesión, la igualdad de dos duraciones, deben definirse de tal manera que la enunciación de las leyes naturales sea lo más simple posible. En otras palabras, todas estas reglas, todas estas definiciones son sólo el fruto de un oportunismo inconsciente.” [C 1]
En 1900 Poincaré interpretó la hora local como resultado de un procedimiento de sincronización basado en señales luminosas. Supuso que dos observadores, A y B , que se mueven en el éter, sincronizan sus relojes mediante señales ópticas. Como se consideran a sí mismos como en reposo, deben considerar sólo el tiempo de transmisión de las señales y luego cruzar sus observaciones para examinar si sus relojes son sincrónicos. Sin embargo, desde el punto de vista de un observador en reposo en el éter los relojes no son sincrónicos e indican la hora local . Pero como los observadores en movimiento no saben nada sobre su movimiento, no lo reconocen. [A 6] En 1904, ilustró el mismo procedimiento de la siguiente manera: A envía una señal en el tiempo 0 a B , que llega en el tiempo t . B también envía una señal en el momento 0 a A , que llega en el momento t . Si en ambos casos t tiene el mismo valor, los relojes son síncronos, pero sólo en el sistema en el que los relojes están en reposo en el éter. Así, según Darrigol, [B 5] Poincaré entendió la hora local como un efecto físico, al igual que la contracción de la longitud, a diferencia de Lorentz, que no utilizó la misma interpretación antes de 1906. Sin embargo, a diferencia de Einstein, que más tarde utilizó una sincronización similar Procedimiento llamado sincronización de Einstein , Darrigol dice que Poincaré tenía la opinión de que los relojes que descansan en el éter marcan la hora verdadera. [A 4]
Sin embargo, al principio se desconocía que la hora local incluye lo que hoy se conoce como dilatación del tiempo . Este efecto fue observado por primera vez por Larmor (1897), quien escribió que " los electrones individuales describen partes correspondientes de sus órbitas en tiempos más cortos para el sistema [éter] en la proporción o ". Y en 1899 [A 7] también Lorentz observó para la frecuencia de los electrones oscilantes " que en S el tiempo de las vibraciones es veces mayor que en S 0 ", donde S 0 es el marco del éter, S el marco matemático-ficticio del observador en movimiento, k es , y es un factor indeterminado. [B 6]
Si bien la hora local podría explicar los experimentos negativos de deriva del éter de primer orden a v / c , fue necesario (debido a otros experimentos fallidos de deriva del éter como el experimento de Trouton-Noble ) modificar la hipótesis para incluir efectos de segundo orden. La herramienta matemática para ello es la llamada transformación de Lorentz . Voigt en 1887 ya había derivado un conjunto similar de ecuaciones (aunque con un factor de escala diferente). Posteriormente, Larmor en 1897 y Lorentz en 1899 [A 7] derivaron ecuaciones en una forma algebraicamente equivalente a las que se utilizan hasta el día de hoy, aunque Lorentz utilizó un factor indeterminado l en su transformación. En su artículo Fenómenos electromagnéticos en un sistema que se mueve con una velocidad menor que la de la luz (1904) [A 3] Lorentz intentó crear tal teoría, según la cual todas las fuerzas entre las moléculas se ven afectadas por la transformación de Lorentz (en la que Lorentz establezca el factor l en la unidad) de la misma manera que las fuerzas electrostáticas. En otras palabras, Lorentz intentó crear una teoría en la que el movimiento relativo de la Tierra y el éter es (casi o totalmente) indetectable. Por lo tanto, generalizó la hipótesis de la contracción y argumentó que no sólo las fuerzas entre los electrones, sino también los propios electrones se contraen en la línea de movimiento. Sin embargo, Max Abraham (1904) rápidamente notó un defecto de esa teoría: dentro de una teoría puramente electromagnética, la configuración electrónica contraída es inestable y hay que introducir fuerzas no electromagnéticas para estabilizar los electrones; el propio Abraham cuestionó la posibilidad de incluir tales fuerzas. dentro de la teoría de Lorentz.
Así fue Poincaré, el 5 de junio de 1905, [A 8] quien introdujo las llamadas "tensiones de Poincaré" para solucionar ese problema. Estas tensiones fueron interpretadas por él como una presión externa, no electromagnética, que estabiliza los electrones y también sirvió como explicación para la contracción de longitud. [B 7] Aunque argumentó que Lorentz logró crear una teoría que cumple con el postulado de la relatividad, demostró que las ecuaciones de electrodinámica de Lorentz no eran completamente covariantes de Lorentz . Entonces, al señalar las características del grupo de la transformación, Poincaré demostró la covarianza de Lorentz de las ecuaciones de Maxwell-Lorentz y corrigió las fórmulas de transformación de Lorentz para la densidad de carga y la densidad de corriente . Continuó esbozando un modelo de gravitación (incluidas las ondas gravitacionales ) que podría ser compatible con las transformaciones. Fue Poincaré quien utilizó por primera vez el término "transformación de Lorentz" y les dio una forma que se utiliza hasta el día de hoy. (Donde hay una función arbitraria de , que debe establecerse en la unidad para conservar las características del grupo. También estableció la velocidad de la luz en la unidad).
Poincaré presentó un trabajo sustancialmente ampliado (el llamado "documento de Palermo") [A 9] el 23 de julio de 1905, pero se publicó en enero de 1906 porque la revista aparecía sólo dos veces al año. Habló literalmente del "postulado de la relatividad", demostró que las transformaciones son consecuencia del principio de mínima acción ; demostró con más detalle las características grupales de la transformación, a las que llamó grupo de Lorentz , y demostró que la combinación es invariante. Mientras elaboraba su teoría gravitacional, notó que la transformación de Lorentz es simplemente una rotación en un espacio de cuatro dimensiones alrededor del origen mediante la introducción de una cuarta coordenada imaginaria, y utilizó una forma temprana de cuatro vectores . Sin embargo, Poincaré dijo más tarde que la traducción de la física al lenguaje de la geometría cuatridimensional implicaría demasiado esfuerzo para obtener ganancias limitadas y, por lo tanto, se negó a analizar las consecuencias de esta noción. Sin embargo, esto lo hizo más tarde Minkowski; ver "El cambio a la relatividad". [B 8]
JJ Thomson (1881) y otros notaron que la energía electromagnética contribuye a la masa de los cuerpos cargados en una cantidad que se llamó electromagnética o "masa aparente". Poincaré (1900) realizó otra derivación de algún tipo de masa electromagnética. Utilizando el impulso de los campos electromagnéticos, concluyó que estos campos aportan una masa a todos los cuerpos, lo cual es necesario para salvar el teorema del centro de masa .
Como observaron Thomson y otros, esta masa también aumenta con la velocidad. Así, en 1899, Lorentz calculó que la relación entre la masa del electrón en el marco en movimiento y la del marco de éter es paralela a la dirección del movimiento y perpendicular a la dirección del movimiento, donde y es un factor indeterminado. [A 7] Y en 1904, estableció , llegando a las expresiones para las masas en diferentes direcciones (longitudinal y transversal): [A 3]
dónde
Muchos científicos creían ahora que toda la masa y todas las formas de fuerzas eran de naturaleza electromagnética. Sin embargo, esta idea tuvo que ser abandonada en el curso del desarrollo de la mecánica relativista. Abraham (1904) argumentó (como se describe en la sección anterior #Transformación de Lorentz), que las fuerzas de unión no eléctricas eran necesarias dentro del modelo de electrones de Lorentz. Pero Abraham también notó que se produjeron resultados diferentes, dependiendo de si la masa em se calcula a partir de la energía o del momento. Para resolver esos problemas, Poincaré en 1905 [A 8] y 1906 [A 9] introdujo algún tipo de presión de naturaleza no eléctrica, que contribuye a la cantidad de energía de los cuerpos, y por tanto explica el factor 4/3 en la expresión de la relación electromagnética masa-energía. Sin embargo, si bien la expresión de Poincaré para la energía de los electrones era correcta, afirmó erróneamente que sólo la energía em contribuye a la masa de los cuerpos. [B 9]
El concepto de masa electromagnética ya no se considera la causa de la masa per se , porque toda la masa (no solo la parte electromagnética) es proporcional a la energía y puede convertirse en diferentes formas de energía, lo cual se explica por la masa de Einstein. equivalencia energética . [B 10]
En 1900 [A 10] Lorentz intentó explicar la gravedad basándose en las ecuaciones de Maxwell. Primero consideró un modelo tipo Le Sage y argumentó que posiblemente exista un campo de radiación universal, que consiste en radiación em muy penetrante y que ejerce una presión uniforme sobre cada cuerpo. Lorentz demostró que efectivamente surgiría una fuerza de atracción entre partículas cargadas si se supone que la energía incidente se absorbe por completo. Este era el mismo problema fundamental que había afectado a los otros modelos de Le Sage, porque la radiación debía desaparecer de alguna manera y cualquier absorción debía conducir a un calentamiento enorme. Por tanto, Lorentz abandonó este modelo.
En el mismo artículo, asumió, al igual que Ottaviano Fabrizio Mossotti y Johann Karl Friedrich Zöllner, que la atracción de partículas con cargas opuestas es más fuerte que la repulsión de partículas con cargas iguales. La fuerza neta resultante es exactamente lo que se conoce como gravitación universal, en la que la velocidad de la gravedad es la de la luz. Esto lleva a un conflicto con la ley de gravitación de Isaac Newton, en la que Pierre Simon Laplace demostró que una velocidad de gravedad finita conduce a algún tipo de aberración y, por lo tanto, hace que las órbitas sean inestables. Sin embargo, Lorentz demostró que la teoría no se ve afectada por la crítica de Laplace, porque debido a la estructura de las ecuaciones de Maxwell sólo surgen efectos en el orden v 2 / c 2 . Pero Lorentz calculó que el valor del avance del perihelio de Mercurio era demasiado bajo. El escribio:
Quizás pueda modificarse la forma especial de estos términos. Sin embargo, lo dicho es suficiente para demostrar que la gravitación puede atribuirse a acciones que se propagan sin mayor velocidad que la de la luz.
En 1908 [A 11] Poincaré examinó la teoría gravitacional de Lorentz y la clasificó como compatible con el principio de la relatividad, pero (al igual que Lorentz) criticó la indicación inexacta del avance del perihelio de Mercurio. Al contrario de Poincaré, Lorentz en 1914 consideró su propia teoría como incompatible con el principio de relatividad y la rechazó. [A 12]
Poincaré argumentó en 1904 que una velocidad de propagación de la gravedad mayor que c contradice el concepto de hora local y el principio de relatividad. Él escribió: [A 4]
¿Qué pasaría si pudiéramos comunicarnos mediante señales distintas a las de la luz, cuya velocidad de propagación difiriera de la de la luz? Si después de haber regulado nuestros relojes por el método óptimo quisiéramos verificar el resultado mediante estas nuevas señales, deberíamos observar discrepancias debidas al movimiento de traslación común de las dos estaciones. ¿Y son inconcebibles tales señales, si tomamos la opinión de Laplace de que la gravitación universal se transmite con una velocidad un millón de veces mayor que la de la luz?
Sin embargo, en 1905 y 1906 Poincaré señaló la posibilidad de una teoría gravitacional, en la que los cambios se propagan con la velocidad de la luz y que es covariante de Lorentz. Señaló que en tal teoría la fuerza gravitacional no sólo depende de las masas y su distancia mutua, sino también de sus velocidades y su posición debido al tiempo finito de propagación de la interacción. En aquella ocasión Poincaré introdujo los cuatro vectores. [A 8] Siguiendo a Poincaré, también Minkowski (1908) y Arnold Sommerfeld (1910) intentaron establecer una ley gravitacional invariante de Lorentz. [B 11] Sin embargo, estos intentos fueron reemplazados debido a la teoría de la relatividad general de Einstein , ver "El cambio a la relatividad".
La inexistencia de una generalización del éter de Lorentz a la gravedad fue una de las principales razones de la preferencia por la interpretación del espacio-tiempo. Schmelzer propuso una generalización viable a la gravedad recién en 2012. [3] El marco preferido está definido por la condición de coordenadas armónicas . El campo gravitacional está definido por la densidad, la velocidad y el tensor de tensión del éter de Lorentz, de modo que las condiciones armónicas se convierten en ecuaciones de continuidad y de Euler . Se deriva el principio de equivalencia de Einstein . Se viola el Principio de Equivalencia Fuerte , pero se recupera en un límite, lo que da las ecuaciones de Einstein de la relatividad general en coordenadas armónicas.
Ya en su escrito filosófico sobre las mediciones del tiempo (1898), [A 5] Poincaré escribió que los astrónomos como Ole Rømer , al determinar la velocidad de la luz, simplemente suponen que la luz tiene una velocidad constante y que esta velocidad es la misma en todas las direcciones. . Sin este postulado no sería posible inferir la velocidad de la luz a partir de observaciones astronómicas, como hizo Rømer a partir de observaciones de las lunas de Júpiter. Poincaré continuó señalando que Rømer también tuvo que asumir que las lunas de Júpiter obedecen las leyes de Newton, incluida la ley de gravitación, mientras que sería posible conciliar una velocidad diferente de la luz con las mismas observaciones si supusiéramos algunas velocidades diferentes (probablemente más complicadas). leyes del movimiento. Según Poincaré, esto ilustra que adoptamos para la velocidad de la luz un valor que simplifica al máximo las leyes de la mecánica. (Este es un ejemplo de la filosofía convencionalista de Poincaré.) Poincaré también señaló que la velocidad de propagación de la luz puede usarse (y en la práctica a menudo se usa) para definir la simultaneidad entre eventos espacialmente separados. Sin embargo, en ese artículo no continuó discutiendo las consecuencias de aplicar estas "convenciones" a múltiples sistemas de referencia relativamente móviles. El siguiente paso lo dio Poincaré en 1900, [A 6] cuando reconoció que la sincronización mediante señales luminosas en el sistema de referencia de la Tierra conduce a la hora local de Lorentz. [B 12] [B 13] (Consulte la sección sobre "hora local" más arriba). Y en 1904 Poincaré escribió: [A 4]
De todos estos resultados, si se confirmaran, surgiría una mecánica completamente nueva que se caracterizaría sobre todo por el hecho de que no podría haber una velocidad mayor que la de la luz, como tampoco una temperatura inferior a la del cero absoluto. . Para un observador que participa en un movimiento de traslación del que no tiene ninguna sospecha, ninguna velocidad aparente podría superar la de la luz, y esto sería una contradicción, a menos que se recuerde que este observador no utiliza el mismo tipo de reloj. como el utilizado por un observador estacionario, sino más bien un reloj que indique la “hora local.[..] Quizás, también, tengamos que construir una mecánica completamente nueva de la que sólo logremos vislumbrar, donde, la inercia aumenta con la velocidad, la velocidad de la luz se convertiría en un límite infranqueable. La mecánica ordinaria, más simple, seguiría siendo una primera aproximación, ya que sería válida para velocidades no demasiado grandes, de modo que la antigua dinámica se encontraría todavía bajo la nueva. No deberíamos tener que arrepentirnos de haber creído en los principios, e incluso, dado que velocidades demasiado grandes para las viejas fórmulas serían siempre excepcionales, la manera más segura en la práctica sería seguir actuando como si siguiéramos creyendo en ellos. Son tan útiles que sería necesario reservarles un lugar. Determinarse a excluirlos por completo sería privarse de un arma preciosa. Me apresuro a decir para concluir que aún no hemos llegado a ese punto, y hasta ahora nada prueba que los principios no salgan victoriosos e intactos de la refriega”.
En 1895 [A 13] [B 14] Poincaré argumentó que experimentos como el de Michelson-Morley muestran que parece imposible detectar el movimiento absoluto de la materia o el movimiento relativo de la materia en relación con el éter. Y aunque la mayoría de los físicos tenían otras opiniones, Poincaré en 1900 [A 14] mantuvo su opinión y utilizó alternativamente las expresiones "principio del movimiento relativo" y "relatividad del espacio". Criticó a Lorentz diciendo que sería mejor crear una teoría más fundamental, que explique la ausencia de cualquier deriva del éter, que crear una hipótesis tras otra. En 1902 [A 15] utilizó por primera vez la expresión "principio de relatividad". En 1904 [A 4] apreció el trabajo de los matemáticos, que salvaron lo que ahora llamó el " principio de la relatividad " con la ayuda de hipótesis como la hora local, pero confesó que esta empresa sólo era posible mediante una acumulación de hipótesis. Y definió el principio de esta manera (según Miller [B 15] basándose en el teorema de los estados correspondientes de Lorentz): "El principio de relatividad, según el cual las leyes de los fenómenos físicos deben ser las mismas para un observador estacionario que para uno llevados en un movimiento uniforme de traslación, de modo que no tenemos ni podemos tener medios para determinar si estamos siendo llevados o no en tal movimiento".
Refiriéndose a la crítica de Poincaré de 1900, Lorentz escribió en su famoso artículo de 1904, donde amplió su teorema de los estados correspondientes: [A 3] "Seguramente, el proceso de inventar hipótesis especiales para cada nuevo resultado experimental es algo artificial. Sería más satisfactorio si fuera posible demostrar, mediante ciertos supuestos fundamentales, y sin descuidar términos de un orden de magnitud u otro, que muchas acciones electromagnéticas son completamente independientes del movimiento del sistema".
Una de las primeras valoraciones del artículo de Lorentz la realizó Paul Langevin en mayo de 1905. Según él, esta ampliación de las teorías electrónicas de Lorentz y Larmor condujo a "la imposibilidad física de demostrar el movimiento de traslación de la Tierra". Sin embargo, Poincaré notó en 1905 que la teoría de Lorentz de 1904 no era perfectamente "invariante de Lorentz" en algunas ecuaciones como la expresión de Lorentz para la densidad de corriente (Lorentz admitió en 1921 que se trataba de defectos). Como esto requirió sólo modificaciones menores del trabajo de Lorentz, también Poincaré afirmó [A 8] que Lorentz había logrado armonizar su teoría con el principio de la relatividad: "Parece que esta imposibilidad de demostrar el movimiento absoluto de la Tierra es una ley general de naturaleza [...] Lorentz intentó completar y modificar su hipótesis para armonizarla con el postulado de la total imposibilidad de determinar el movimiento absoluto. Esto es lo que logró en su artículo titulado Fenómenos electromagnéticos en un sistema que se mueve con. cualquier velocidad menor que la de la luz [Lorentz, 1904b]". [C2]
En su artículo de Palermo (1906), Poincaré llamó a esto "el postulado de la relatividad", y aunque afirmó que era posible que este principio pudiera ser refutado en algún momento (y de hecho mencionó al final del artículo que el descubrimiento de la magneto- Los rayos catódicos de Paul Ulrich Villard (1904) parecen amenazarlo [B 16] ), creía que era interesante considerar las consecuencias si asumiéramos que el postulado de la relatividad era válido sin restricciones. Esto implicaría que todas las fuerzas de la naturaleza. (no sólo el electromagnetismo) debe ser invariante bajo la transformación de Lorentz [A 9] En 1921, Lorentz le dio crédito a Poincaré por establecer el principio y el postulado de la relatividad y escribió: [A 16] "No he establecido el principio de la relatividad de manera tan rigurosa y universal. verdadero. Poincaré, por el contrario, obtuvo una invariancia perfecta de las ecuaciones electromagnéticas y formuló "el postulado de la relatividad", términos que fue el primero en emplear." [C 3]
Poincaré escribió en 1889 en el sentido de su filosofía convencionalista : [A 17] "Poco importa si el éter existe o no; dejémoslo en manos de los metafísicos; lo esencial para nosotros es que todo suceda como si existiera, y que esta hipótesis resulta adecuada para la explicación de los fenómenos, después de todo, ¿tenemos alguna otra razón para creer en la existencia de objetos materiales? Ésta también es sólo una hipótesis conveniente, y nunca dejará de serlo; , mientras que algún día, sin duda, el éter será desechado por inútil".
También negó la existencia del espacio y del tiempo absolutos al decir en 1901: [A 18] "1. No hay espacio absoluto, y sólo concebimos el movimiento relativo; y sin embargo, en la mayoría de los casos, los hechos mecánicos se enuncian como si hubiera un espacio absoluto al que pueden referirse 2. No existe tiempo absoluto Cuando decimos que dos periodos son iguales, la afirmación no tiene significado, y sólo puede adquirir significado por una convención. No tenemos ninguna intuición de la igualdad de dos períodos, pero ni siquiera tenemos una intuición directa de la simultaneidad de dos acontecimientos que ocurren en dos lugares diferentes. ¿Nuestra geometría euclidiana es en sí misma sólo una especie de convención del lenguaje?
Sin embargo, el propio Poincaré nunca abandonó la hipótesis del éter y afirmó en 1900: [A 14] "¿Existe realmente nuestro éter? Conocemos el origen de nuestra creencia en el éter. Si la luz de una estrella distante tarda varios años en llegar hasta nosotros, Ya no está en la estrella ni en la Tierra. Debe estar en algún lugar y sostenido, por así decirlo, por algún agente material". Y refiriéndose al experimento de Fizeau , llegó a escribir: "El éter está prácticamente a nuestro alcance". También dijo que el éter es necesario para armonizar la teoría de Lorentz con la tercera ley de Newton. Incluso en 1912, en un artículo titulado "La teoría cuántica", Poincaré utilizó diez veces la palabra "éter" y describió la luz como "vibraciones luminosas del éter" . [A 19]
Y aunque admitió el carácter relativo y convencional del espacio y el tiempo, creía que la convención clásica es más "conveniente" y continuó distinguiendo entre el tiempo "verdadero" en el éter y el tiempo "aparente" en los sistemas en movimiento. Al abordar la cuestión de si se necesita una nueva convención de espacio y tiempo, escribió en 1912: [A 20] "¿Estaremos obligados a modificar nuestras conclusiones? Ciertamente no; habíamos adoptado una convención porque nos parecía conveniente y habíamos dicho que nada Podría obligarnos a abandonarlo. Hoy en día algunos físicos quieren adoptar una nueva convención. No es que estén obligados a hacerlo; consideran que esta nueva convención es más conveniente, y aquellos que no son de esta opinión pueden hacerlo legítimamente. retener el viejo para no perturbar sus viejos hábitos, creo, entre nosotros, que esto es lo que harán durante mucho tiempo".
Lorentz también argumentó durante su vida que en todos los marcos de referencia se debe preferir éste, en el que el éter está en reposo. Los relojes en este marco muestran el tiempo "real" y la simultaneidad no es relativa. Sin embargo, si se acepta la exactitud del principio de relatividad, es imposible encontrar este sistema mediante experimentos. [A 21]
En 1905, Albert Einstein publicó su artículo sobre lo que hoy se llama relatividad especial . [A 22] En este artículo, al examinar los significados fundamentales de las coordenadas de espacio y tiempo utilizadas en las teorías físicas, Einstein demostró que las coordenadas "efectivas" dadas por la transformación de Lorentz eran de hecho las coordenadas inerciales de marcos de referencia relativamente móviles. De esto se derivaron todas las consecuencias físicamente observables de LET, junto con otras, todo sin la necesidad de postular una entidad no observable (el éter). Einstein identificó dos principios fundamentales, cada uno de ellos basado en la experiencia, de los cuales se deriva toda la electrodinámica de Lorentz:
Tomados en conjunto (junto con algunos otros supuestos tácitos como la isotropía y la homogeneidad del espacio), estos dos postulados conducen únicamente a las matemáticas de la relatividad especial. Lorentz y Poincaré también habían adoptado estos mismos principios, como necesarios para lograr sus resultados finales, pero no reconocieron que también eran suficientes y, por lo tanto, obviaron todos los demás supuestos subyacentes a las deducciones iniciales de Lorentz (muchos de los cuales luego resultaron ser ciertos). ser incorrecto [C 4] ). Por lo tanto, la relatividad especial rápidamente ganó una amplia aceptación entre los físicos, y el concepto del siglo XIX de éter luminífero ya no se consideró útil. [B 17] [B 18]
Poincaré (1905) y Hermann Minkowski (1905) demostraron que la relatividad especial tenía una interpretación muy natural [C 5] en términos de un " espacio-tiempo " unificado de cuatro dimensiones en el que los intervalos absolutos se ven dados por una extensión del teorema de Pitágoras. . [B 19] La utilidad y naturalidad de la representación del espacio-tiempo contribuyeron a la rápida aceptación de la relatividad especial y a la correspondiente pérdida de interés en la teoría del éter de Lorentz.
En 1909 [A 23] y 1912 [A 24] Einstein explicó: [B 20]
...es imposible basar una teoría de las leyes de transformación del espacio y el tiempo únicamente en el principio de la relatividad. Como sabemos, esto está relacionado con la relatividad de los conceptos de "simultaneidad" y "forma de los cuerpos en movimiento". Para llenar este vacío, introduje el principio de la constancia de la velocidad de la luz, que tomé prestado de la teoría del éter luminífero estacionario de HA Lorentz y que, como el principio de la relatividad, contiene una suposición física que parecía estar justificada sólo por los experimentos pertinentes (experimentos de Fizeau, Rowland, etc.) [A 24]
En 1907 Einstein criticó el carácter " ad hoc " de la hipótesis de la contracción de Lorentz en su teoría de los electrones, porque según él era una suposición artificial hacer que el experimento de Michelson-Morley se ajustara al éter estacionario de Lorentz y al principio de relatividad. [A 25] Einstein argumentó que el "tiempo local" de Lorentz puede llamarse simplemente "tiempo", y afirmó que el éter inmóvil como fundamento teórico de la electrodinámica no era satisfactorio. [A 26] Escribió en 1920: [A 27]
En cuanto a la naturaleza mecánica del éter lorentziano, se puede decir, con un espíritu un tanto lúdico, que la inmovilidad es la única propiedad mecánica de la que HA Lorentz no le ha privado. Puede añadirse que todo el cambio en la concepción del éter que provocó la teoría especial de la relatividad consistió en quitarle al éter su última cualidad mecánica, es decir, su inmovilidad. [...] Una reflexión más cuidadosa nos enseña, sin embargo, que la teoría especial de la relatividad no nos obliga a negar el éter. Podemos suponer la existencia de un éter; sólo que debemos renunciar a atribuirle un estado de movimiento definido, es decir, debemos tomarle por abstracción la última característica mecánica que Lorentz aún le había dejado.
Minkowski argumentó que la introducción de Lorentz de la hipótesis de la contracción "suena bastante fantástica", ya que no es producto de la resistencia en el éter sino un "regalo de arriba". Dijo que esta hipótesis es "completamente equivalente al nuevo concepto de espacio y tiempo", aunque se vuelve mucho más comprensible en el marco de la nueva geometría del espacio-tiempo. [A 28] Sin embargo, Lorentz no estuvo de acuerdo con que fuera "ad-hoc" y argumentó en 1913 que hay poca diferencia entre su teoría y la negación de un marco de referencia preferido, como en la teoría de Einstein y Minkowski, de modo que Es una cuestión de gustos qué teoría se prefiere. [A 21]
Einstein (1905) dedujo, como consecuencia del principio de relatividad, que la inercia de la energía en realidad está representada por , pero a diferencia del artículo de Poincaré de 1900, Einstein reconoció que la materia misma pierde o gana masa durante la emisión o absorción. [A 29] Entonces, la masa de cualquier forma de materia es igual a una cierta cantidad de energía, que puede convertirse y reconvertirse a partir de otras formas de energía. Esta es la equivalencia masa-energía , representada por . Así, Einstein no tuvo que introducir masas "ficticias" y también evitó el problema del movimiento perpetuo , porque según Darrigol, [B 21] la paradoja de la radiación de Poincaré puede resolverse simplemente aplicando la equivalencia de Einstein. Si la fuente de luz pierde masa durante la emisión de , la contradicción en la ley del momento desaparece sin necesidad de ningún efecto compensador en el éter.
Al igual que Poincaré, Einstein concluyó en 1906 que la inercia de la energía (electromagnética) es una condición necesaria para que el teorema del centro de masa se cumpla en sistemas en los que los campos electromagnéticos y la materia actúan entre sí. Basándose en la equivalencia masa-energía, demostró que la emisión y absorción de radiación em, y por tanto el transporte de inercia, resuelve todos los problemas. En aquella ocasión, Einstein se refirió al artículo de Poincaré de 1900 y escribió: [A 30]
Aunque las consideraciones formales simples que es necesario cumplir para demostrar esta afirmación ya están contenidas principalmente en una obra de H. Poincaré [Lorentz-Festschrift, p. 252, 1900], en aras de la claridad no me basaré en ese trabajo. [C 6]
También el rechazo de Poincaré del principio de reacción debido a la violación de la ley de conservación de la masa puede evitarse gracias al de Einstein , porque la conservación de la masa aparece como un caso especial de la ley de conservación de la energía .
Los intentos de Lorentz y Poincaré (y otros intentos como los de Abraham y Gunnar Nordström ) de formular una teoría de la gravitación fueron superados por la teoría de la relatividad general de Einstein . [B 22] Esta teoría se basa en principios como el principio de equivalencia , el principio general de la relatividad , el principio de covarianza general , el movimiento geodésico , la covarianza local de Lorentz (las leyes de la relatividad especial se aplican localmente para todos los observadores inerciales) y que el espacio-tiempo La curvatura es creada por tensión-energía dentro del espacio-tiempo.
En 1920, Einstein comparó el éter de Lorentz con el "éter gravitacional" de la relatividad general. Decía que la inmovilidad es la única propiedad mecánica de la que Lorentz no ha privado al éter, pero, a diferencia del luminífero y del éter de Lorentz, el éter de la relatividad general no tiene ninguna propiedad mecánica, ni siquiera la inmovilidad: [A 27]
El éter de la teoría general de la relatividad es un medio que carece de todas las cualidades mecánicas y cinemáticas, pero que ayuda a determinar eventos mecánicos (y electromagnéticos). Lo que es fundamentalmente nuevo en el éter de la teoría general de la relatividad, a diferencia del éter de Lorentz, consiste en que el estado del primero está determinado en todas partes por conexiones con la materia y el estado del éter en los lugares vecinos. lugares que son susceptibles de ley en forma de ecuaciones diferenciales; mientras que el estado del éter lorentziano en ausencia de campos electromagnéticos no está condicionado por nada exterior a él y es el mismo en todas partes. El éter de la teoría general de la relatividad se transmuta conceptualmente en el éter de Lorentz si sustituimos las funciones del espacio por constantes que describen a aquella, desconociendo las causas que condicionan su estado. Por lo tanto, creo que también podemos decir que el éter de la teoría general de la relatividad es el resultado del éter lorentziano, a través de la relativización.
Algunos afirman que Poincaré y Lorentz son los verdaderos fundadores de la relatividad especial, no Einstein. Para obtener más detalles, consulte el artículo sobre esta disputa .
Considerada como una teoría de partículas elementales, la teoría del electrón/éter de Lorentz fue reemplazada durante las primeras décadas del siglo XX, primero por la mecánica cuántica y luego por la teoría cuántica de campos. Como teoría general de la dinámica, Lorentz y Poincaré ya (alrededor de 1905) habían considerado necesario invocar el principio de la relatividad en sí para que la teoría coincidiera con todos los datos empíricos disponibles. En este punto, la mayoría de los vestigios de un éter sustancial habían sido eliminados de la teoría del "éter" de Lorentz, y se volvió empírica y deductivamente equivalente a la relatividad especial. La principal diferencia fue el postulado metafísico de un marco de reposo absoluto único, que era empíricamente indetectable y no desempeñaba ningún papel en las predicciones físicas de la teoría, como escribió Lorentz en 1909, [C 7] 1910 (publicado en 1913), [C 8] 1913 (publicado en 1914), [C 9] o en 1912 (publicado en 1922). [C 10]
Como resultado, el término "teoría del éter de Lorentz" se utiliza a veces hoy en día para referirse a una interpretación neolorentziana de la relatividad especial. [B 23] El prefijo "neo" se utiliza en reconocimiento del hecho de que la interpretación ahora debe aplicarse a entidades y procesos físicos (como el modelo estándar de la teoría cuántica de campos) que eran desconocidos en la época de Lorentz.
Después del advenimiento de la relatividad especial, sólo un pequeño número de personas han defendido el enfoque lorentziano de la física. Muchos de ellos, como Herbert E. Ives (quien, junto con GR Stilwell, realizó la primera confirmación experimental de la dilatación del tiempo) han sido motivados por la creencia de que la relatividad especial es lógicamente inconsistente, por lo que se necesita algún otro marco conceptual para conciliar Los fenómenos relativistas. Por ejemplo, Ives escribió: " El 'principio' de la constancia de la velocidad de la luz no es simplemente 'incomprensible', no está respaldado por 'cuestiones objetivas de hecho'; es insostenible... ". [C 11] Sin embargo, la consistencia lógica de la relatividad especial (así como su éxito empírico) está bien establecida, por lo que las opiniones de tales individuos se consideran infundadas dentro de la comunidad científica dominante.
John Stewart Bell abogó por enseñar la relatividad especial primero desde el punto de vista de un único marco inercial de Lorentz, y luego mostró que la invariancia de Poincaré de las leyes de la física, como las ecuaciones de Maxwell, es equivalente a los argumentos de cambio de marco que se utilizan a menudo en la enseñanza de la relatividad especial. Debido a que un único marco inercial de Lorentz pertenece a una clase preferida de marcos, llamó a este enfoque Lorentziano en espíritu. [B 24]
Además, algunas teorías de prueba de la relatividad especial utilizan algún tipo de marco lorentziano. Por ejemplo, la teoría de la prueba de Robertson-Mansouri-Sexl introduce un marco de éter preferido e incluye parámetros que indican diferentes combinaciones de cambios de longitud y tiempo. Si la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud de los cuerpos que se mueven en el éter tienen sus valores relativistas exactos, se puede derivar la transformación de Lorentz completa y el éter queda oculto a cualquier observación, lo que lo hace cinemáticamente indistinguible de las predicciones de la relatividad especial. Utilizando este modelo, el experimento de Michelson-Morley , el experimento de Kennedy-Thorndike y el experimento de Ives-Stilwell impusieron fuertes restricciones a las violaciones de la invariancia de Lorentz.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )Para obtener una lista más completa con fuentes de muchos otros autores, consulte Historia de la relatividad especial#Referencias .
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