Teoria do éter de Lorentz

Em 1904, Poincaré estabeleceu que, para satisfazer o princípio da relatividade , nenhum sinal deveria ser capaz de se propagar mais rápido que a luz, caso contrário, a prescrição de sincronização do relógio e, portanto, da hora local, não seria mais válida. Naquele momento, isso lhe apareceu como uma possível objeção contra a compatibilidade entre o princípio da relatividade e a nova teoria. No entanto, ele mostrou em 1905 e 1906 que as mudanças no campo gravitacional podem se propagar na velocidade da luz, deixando uma lei da gravidade válida, desde que a transformação de Lorentz seja a base de tal teoria. Posteriormente, Minkowski (1908) e Sommerfeld (1910) tentam esboçar uma lei de Lorentz da gravidade invariante a partir da ideia de Poincaré, tornada supérflua pela obra de Einstein.

Princípios e convenções

Velocidade constante da luz

Em seus escritos filosóficos sobre as medidas do tempo (1898), Poincaré já afirma que astrônomos, como Ole Rømer , em sua interpretação das medidas da velocidade da luz com base na observação das luas de Júpiter , tiveram que partir de o postulado de que a velocidade da luz é constante e a mesma em todas as direções. Caso contrário, outras leis como a da gravitação se tornariam muito mais complicadas (porém, não está totalmente claro se, para Poincaré, esse postulado se aplica a todos os referenciais). A velocidade de propagação também deve ser levada em consideração na determinação da simultaneidade dos eventos. Esse processo levou Poincaré em 1900 à sua interpretação da hora local de Lorentz, onde a hora local (além da contração dos comprimentos ) é necessária para a validade observada do princípio da relatividade, como Poincaré enfatiza em inúmeras ocasiões. E em 1904, ele resumiu a relação entre a teoria de Lorentz e a velocidade da luz da seguinte forma:

“De todos esses resultados, se forem confirmados, surgirá um método totalmente novo caracterizado principalmente pelo fato de que nenhuma velocidade pode ultrapassar a da luz, assim como nenhuma temperatura pode cair abaixo do zero absoluto. Para um observador que se deixa levar por um movimento que ignora, nenhuma velocidade poderia parecer-lhe exceder a da luz. Isso seria contraditório, se não lembrássemos que este observador não usa os mesmos relógios de um observador em repouso, mas relógios que indicam a "hora local". [...] Talvez tenhamos que imaginar um mecanismo totalmente novo, que só surge diante de nós sem precisão, onde, à medida que a resistência aumenta com a velocidade, a velocidade da luz é uma barreira intransponível. A mecânica usual seria simplesmente uma primeira aproximação, que só permaneceria válida para velocidades não muito altas, de modo que ainda podemos encontrar a velha dinâmica sob a nova ... Mas acrescento para concluir que ainda não chegamos até agora, e que nada ainda mostra que eles [os princípios da mecânica comum] não sairão da batalha vitoriosos e intactos. "

Princípio da Relatividade

Já em 1895, Poincaré assumiu que o experimento de Michelson-Morley parecia mostrar que é impossível medir o movimento absoluto, ou o movimento da matéria em relação ao éter . E embora a maioria dos físicos pense que é muito possível, Poincaré ainda mantém sua opinião em 1900, e usa as expressões "princípio do movimento relativo" ou "relatividade do espaço" de forma intercambiável . Ao mesmo tempo, critica o caráter artificial das hipóteses lançadas de acordo com as necessidades, para salvar esse princípio. Finalmente, em 1902, ele usou a expressão "princípio da relatividade" para isso. Em 1904, ele homenageia por um lado o trabalho dos matemáticos que salvaram esse princípio com hipóteses como a da hora local, mas novamente critica o “acúmulo de hipóteses” . Ele define este princípio (de acordo com Miller, divergindo do teorema do estado correspondente de Lorentz) como segue: "O princípio da relatividade, segundo o qual as leis dos processos físicos devem ser as mesmas para um observador em repouso e para um observador em translação uniforme , de modo que temos e não podemos ter nenhuma maneira de saber se estamos em tal movimento ou não. "

Levando em conta as objeções de Poincaré, Lorentz tenta formular uma teoria mais coerente e escreve em 1904: “Certamente, resta algo de artificial no andaime de novas hipóteses especiais para cada novo resultado do experimento. Seria muito mais satisfatório poder mostrar por meio de certos pressupostos básicos, que muitos processos eletromagnéticos são independentes do movimento do sistema de referência, em um sentido forte, isto é, sem negligenciar nenhum dos membros do sistema superior grau. "

Embora Poincaré mostre em 1905 que Lorentz não terminou sua obra, ele atribui a ela este postulado: “Parece que essa impossibilidade de demonstrar o movimento absoluto é uma lei geral da natureza [...] Lorentz procurou completar e modificar sua hipótese para alinhe-o com o postulado da completa impossibilidade de determinar o movimento absoluto. Foi o que ele conseguiu em seu artigo intitulado Elektromagnetische Erscheinungen in einem System, das sich mit beliebiger, die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt (Fenômenos eletromagnéticos em um sistema que se move a uma velocidade arbitrária, inferior à da luz) ” .

Em 1906, Poincaré designou esse princípio como um “postulado da relatividade” . E embora indique que este postulado pode ser invalidado (e evoca o facto de que a descoberta dos raios catódicos magnéticos por Paul Villard (1904) põe em perigo a teoria), ainda seria interessante considerar as consequências de uma validade total deste postulado. . Isso implicaria em particular que todas as forças da natureza (e não apenas as forças eletromagnéticas) são invariantes pela transformação de Lorentz .

Em 1921, Lorentz também homenageia as atuações de Poincaré em conexão com o estabelecimento do princípio da relatividade: “… Eu não estabeleci o princípio da relatividade como rigorosa e universalmente verdadeiro. Poincaré, ao contrário, obteve uma invariância perfeita das equações da eletrodinâmica , e formulou o "postulado da relatividade", termos que foi o primeiro a usar. "

O papel do éter

Em 1889, Poincaré escreveu, no sentido de sua filosofia do convencionalismo  : “Não nos importamos se o éter realmente existe; é uma questão do metafísico; o que nos interessa é que tudo se passe como se existisse e que esta hipótese seja conveniente para a explicação das aparências. Além disso, temos outras causas para acreditar na existência de objetos materiais? Esta é apenas uma hipótese conveniente, e não deixará de existir até que um dia o éter seja descartado como inútil. "

Em 1901, também contestou a existência de um espaço absoluto ou de um tempo absoluto:
“1 - Não existe espaço absoluto, e só concebemos movimentos relativos; entretanto, freqüentemente falamos de fatos mecânicos como se houvesse um espaço absoluto ao qual pudéssemos relacioná-los.

2 - Não há tempo absoluto; quando dizemos que duas vezes são iguais, é uma afirmação que não tem sentido em si mesma e que só pode ser obtida por convenção.

3 - Não temos apenas uma visão direta da igualdade de dois tempos, mas nem mesmo da simultaneidade de dois eventos que ocorrem em lugares diferentes; Expliquei isso em uma palestra sob o título: A medida do tempo. "

Poincaré, entretanto, continua a usar o conceito de éter e justifica seu uso em 1900 pelo fato de ser necessário explicar onde está o raio de luz depois de ter deixado sua fonte e antes de chegar ao seu receptor. Porque em mecânica, devemos ser capazes de determinar exatamente um estado do estado anterior. Para preservar a simplicidade ou conveniência das leis mecânicas da natureza, é necessário um suporte material. E embora ele enfatize o caráter relativo e convencional do espaço e do tempo, ele pensa que a convenção clássica é mais "prática", e ele continua a distinguir entre o tempo "verdadeiro" e o tempo "aparente". Ele escreveu, por exemplo, em 1912, sobre a questão de saber se é realmente necessário mudar as convenções usuais sobre espaço e tempo: “Somos forçados a modificar nossas conclusões? Certamente não! aceitamos uma convenção porque nos parece conveniente e dissemos que nada nos obriga a abandoná-la. Hoje, muitos físicos querem adotar uma nova convenção. Não é que sejam forçados a isso; eles acham que esta convenção é mais conveniente; isso é tudo. Quem discorda tem todo o direito de ficar com o antigo, para não ser perturbado em suas concepções. Acho, entre nós dois, que o faremos por muito tempo. "

Lorentz também escreveu em 1913: “Suponha que haja um éter; então, entre todos os sistemas , um deles se distingue pelo fato de que os eixos de coordenadas, bem como o relógio, estão em repouso no éter. Se conectarmos com isso a ideia (da qual eu realmente não gostaria de desistir), que espaço e tempo são coisas totalmente diferentes, e que existe um "tempo verdadeiro" (a simultaneidade seria então independente do lugar, o que corresponde ao nosso idéia de que velocidades infinitamente altas são possíveis), então podemos facilmente ver que esse tempo verdadeiro deve ser indicado precisamente pelos relógios que estão em repouso no éter. Se o princípio da relatividade tivesse validade geral na natureza, não poderíamos dizer se o sistema de referência usado agora é exatamente esse sistema privilegiado. "x,y,z,t{\ displaystyle x, y, z, t}

A mudança para a teoria da relatividade

Relatividade

Embora algumas explicações relacionadas à teoria do elétron de Lorentz (por exemplo, que a matéria consiste exclusivamente em elétrons , ou que na natureza existem apenas interações elétricas, ou as explicações citadas da gravidade) sejam claramente invalidadas, muitas previsões e resultados da teoria são equivalentes aos de relatividade especial de Albert Einstein (1905). O princípio da relatividade e a constância da velocidade da luz no vácuo, independentemente do referencial inercial em que o observador está localizado, também foram usados ​​por Poincaré e Lorentz. Poincaré, o primeiro, depois Lorentz, ensinou a equivalência matemática completa dos sistemas de referência e reconheceu que coordenadas realmente diferentes de espaço e tempo são medidas. Eles relacionam os efeitos da transformação de Lorentz às interações dinâmicas com o éter, diferenciando entre o tempo "verdadeiro" em um sistema em repouso no éter e o tempo "aparente" em sistemas que se movem em relação a ele, e evocaram o éter até em seus últimos escritos

Enquanto a apresentação da relatividade especial de Einstein foi generalizada em 1907 por Minkowski , cujo espaço-tempo quadridimensional permite uma interpretação muito natural das relações dentro da teoria, os aspectos fundamentais do espaço-tempo quadridimensional já foram antecipados por Poincaré, como apontado acima. O aspecto natural e útil da representação de Einstein e Minkowski contribui para a aceitação da relatividade especial e o desinteresse pela teoria do éter de Lorentz. Certamente, em 1913, Lorentz argumentou que entre sua teoria do éter e a rejeição de um sistema de referência privilegiado, não havia muita diferença, e que era uma questão de gosto a respeito de qual teoria conectar. No entanto, em 1907, Einstein criticou a natureza ad hoc da hipótese da contração , introduzida apenas com o propósito de "salvar" o éter, quando um éter não rastreável seria uma base insatisfatória para a eletrodinâmica . Minkowski também designa em 1908 a hipótese de contração no quadro da teoria de Lorentz como um “presente de cima” .

Equivalência de massa e energia

Como Einstein (1905) deduziu do princípio da relatividade , existe na verdade uma inércia de energia dependendo , ou mais precisamente, de que a radiação eletromagnética pode transportar a inércia de um corpo para outro. Mas ao contrário de Poincaré , Einstein descobre que a matéria, na emissão, perde uma massa de - isto é, energia armazenada na matéria e correspondente a uma determinada massa, pode ser trocada por energia eletromagnética de acordo com , de onde vem uma equivalência real de massa e energia . O paradoxo da radiação de Poincaré pode ser resolvido facilmente com esta equivalência. Se assumirmos que a fonte de luz perde massa de acordo com , a contradição desaparece sem ter que assumir nenhuma força de equilíbrio no éter. E/vs2{\ displaystyle E / c ^ {2}}E/vs2{\ displaystyle E / c ^ {2}}E=mvs2{\ displaystyle E = mc ^ {2}}E/vs2{\ displaystyle E / c ^ {2}}

Como Poincaré, Einstein pode mostrar em 1906 que o teorema da conservação do movimento do centro de gravidade permanece válido mesmo em considerações eletrodinâmicas, se a inércia da energia (eletromagnética) for assumida. Aqui não é necessário, como em Poincaré, introduzir massas fictícias, mas basta mostrar como a emissão e absorção de energia conduz ao transporte de inércia, para que nenhum movimento perpétuo possa ocorrer. E aí, ele se refere à obra de Poincaré, e considera seu conteúdo como formalmente em grande parte de acordo com seu próprio texto. Einstein escreve em sua introdução: “Embora as considerações formais simples que devem ser feitas para demonstrar essa afirmação já tenham sido essencialmente contidas em uma obra de H. Poincaré, para maior clareza, não vou confiar nisso. "

Da mesma forma com a proposição de Einstein, podemos resolver a contradição evocada por Poincaré entre o teorema da conservação da massa e o princípio da reação, porque o teorema da conservação da massa agora se torna um caso especial do teorema da conservação da energia .

Teoria da Relatividade Geral

De acordo com a teoria da relatividade geral desenvolvida por Einstein, que torna supérfluas as explicações da gravidade de Lorentz e Poincaré, uma incorporação da gravidade ao princípio da relatividade leva à transformação de Lorentz e a constância da velocidade da luz só pode ser definida e validado localmente. Einstein diz em uma palestra (1920) que, no âmbito da relatividade geral, não se pode conceber o espaço sem potencial gravitacional e, portanto, ele atribui qualidades físicas ao próprio espaço. Assim, pode-se falar de um "éter gravitacional" no sentido de "éter da relatividade geral". Ele escreve :

“A novidade do princípio do éter da relatividade geral com respeito ao éter de Lorentz consiste em que o estado do primeiro é definido em cada ponto por relações com a matéria e com os estados do éter em pontos vizinhos, na forma de equações diferenciais, enquanto o estado do éter de Lorentz na ausência de campos eletromagnéticos é determinado por nada além de si mesmo, e é o mesmo em todos os lugares. O éter da relatividade geral se transforma em pensamento no de Lorentz, se as funções espaciais que o descrevem forem substituídas por constantes, sem levar em conta as causas na origem de seu estado. Também podemos dizer que o éter da relatividade geral vem daquele de Lorentz por relativização. "

Prioridades

Especula-se que a relatividade especial é obra de Henri Poincaré e Hendrik Lorentz , não de Albert Einstein . Elas são infundadas porque as duas teorias de Lorentz-Poincaré e Einstein não são equivalentes. Para saber mais, leia História da Relatividade Especial e Críticas da Teoria da Relatividade .

Novos desenvolvimentos

Neo-Lorentzianismo

Embora a ideia de um sistema de referência privilegiado seja rejeitada principalmente entre os especialistas, certos modelos “Lorentzian” ou “néo-Lorentzien” (em inglês: “  relatividade neo-Lorentziana  ” ) foram desenvolvidos. Essas teorias foram defendidas principalmente por Herbert Eugene Ives e Geoffrey Builder na década de 1950 e, nas décadas seguintes, por Simon Jacques Prokhovnik. De acordo com a teoria inicial de Lorentz, presume-se que seja um éter em repouso, a velocidade da luz sendo constante apenas neste sistema de referência e, portanto, deve depender da direção em sistemas inerciais em movimento. Se adicionarmos a essa dependência da direção o efeito de uma contração dos comprimentos , segue-se também a existência de uma dilatação do tempo . Não é, portanto, possível, na medida em que outros parâmetros da teoria não sejam alterados), estabelecer experimentalmente a anisotropia da velocidade da luz. Experimentos, como os do físico búlgaro Stefan Marinov  (in) , supostamente para confirmar essa dependência da direção, foram julgados pelos especialistas como inutilizáveis.

Helmut Günther também desenvolveu em 1996 um modelo Lorentziano de éter universal. Isso se baseia no fato de que efeitos “quase relativísticos”, como a contração de comprimentos em deformações plásticas ou deslocamentos em estruturas cristalinas, ou mesmo em cadeias de pêndulo, foram associados aos solitons . Isso se deve ao fato de que na base desses fenômenos existe uma equação seno-Gordon que é invariante de Lorentz. Outros modelos Lorentzianos são discutidos em Brandes et al .

No entanto, todos esses modelos dificilmente foram discutidos por especialistas, porque se pode dar pouca probabilidade a uma teoria em que, por uma espécie de conjuração, os efeitos do éter não sejam observáveis ​​de forma conveniente.

Teorias de teste de relatividade especial

Alguns testes de teorias da relatividade  (in) , projetados para medir possíveis desvios da invariância de Lorentz incluem a teoria do éter de Lorentz como um caso limite. Até 2005, as medições de precisão confirmavam completamente a validade da invariância de Lorentz.

Notas e referências

• (de) Este artigo foi retirado parcial ou totalmente do artigo da Wikipedia em alemão intitulado “  Lorentzsche Äthertheorie  ” ( ver lista de autores ) .

Notas

1. Na relatividade especial , a contração dos comprimentos e a dilatação dos tempos são, por outro lado, uma consequência das propriedades do espaço-tempo , e não de padrões materiais e relógios. A simetria desses efeitos é consequência da igualdade entre observadores, que está na base do princípio da relatividade da teoria. Todas as magnitudes da teoria são acessíveis experimentalmente.
2. O problema da formulação de Poincaré é o uso de grandezas complexas , introduzidas pelo fator imaginário puro na coordenada de tempo. Minkowski resolverá este problema usando um espaço pseudo-Euclidiano inteiramente real , formulação universalmente adotada atualmente.-1{\ displaystyle {\ sqrt {-1}}}
3. O núcleo atômico não foi descoberto até 1911 por Rutherford . Não podemos, portanto, censurar Lorentz ou Poincaré por considerar apenas os elétrons
4. Einstein voltou ao éter em 1916 e lá permaneceu até sua morte em 1955.

Referências

1. Lorentz 1892a
2. Whittaker 1951 , p. 386 sq.
3. Nascido em 1964 , p.  172 sq.
4. Lorentz 1895
5. Lorentz 1904b
6. Poincaré 1906
7. Poincaré 1905b
8. Lorentz 1916
9. Michelson e Morley 1887
10. Lorentz 1892b
11. Brown 2001
12. Miller 1981 , p.  70-75
13. Lorentz 1899
14. Janssen 1995 , cap. 3.5.4
15. Poincaré 1898  ; Poincaré 1905a , c. 2
16. Poincaré 1900B
17. Poincaré 1905a , cap. VII-IX
18. Darrigol 2005 , p.  10-11
19. Janssen e Mecklemburgo 2007
20. letra n o  1, maio 1905
21. letra n o  2, maio 1905
22. Walter 2007 , cap. 1
23. Miller 1981 , p.  359-360
24. Lorentz 1900
25. Poincaré 1908a  ; Poincaré 1908b , t. 3
26. Lorentz 1914
27. Walter 2007
28. Galison 2003
29. Miller 1981 , p.  186-189
30. Poincaré 1895
31. Poincaré 1900a  ; Poincaré 1902 , c. 10
32. Poincaré 1902 , cap. 13
33. Miller 1981 , p.  79
34. Katzir 2005 , p.  275-288
35. Lorentz 1921 , p.  247-261
36. Poincaré 1889  ; Poincaré 1902 , c. 12
37. Poincaré 1901a  ; Poincaré 1902 , c. 6
38. Poincaré 1913 , cap. 2
39. Lorentz, Einstein e Minkowski 1913 , p.  75
40. Einstein 1908
41. Einstein 1905b
42. Darrigol 2005 , p.  18-21
43. Einstein 1906
44. Einstein 1920
45. Prokhovnik 1965
46. Prokhovnik 1979
47. Günther 1996
48. Dietrich 2001
49. Brandes 1997
50. Miller 1981
51. Janssen 1995
52. Wolf 2005

Bibliografia

Para uma lista mais completa, consulte a bibliografia em History of Special Relativity .

Obras de Lorentz, Poincaré e Einstein

• Hendrik Antoon Lorentz , “  Sobre a influência do movimento da terra nos fenômenos luminosos  ”, Arquivos Holandeses de Ciências Naturais , vol.  21,1886, p.  103-176

• (de) Hendrik Lorentz, "  Die relative Bewegung der Erde und des Äthers  " , em Abhandlungen über Theoretische Physik , Leipzig, BG Teubner,1892, p.  443-447

• Hendrik Antoon Lorentz , “  Teoria Eletromagnética de Maxwell e sua Aplicação a Corpos em Movimento  ”, Arquivos Holandeses de Ciências Naturais , vol.  25,1892, p.  363–552 ( ler online )

• (de) Hendrik Antoon Lorentz , Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern , Leiden, EJ Brill,1895

• (pt) Hendrik Antoon Lorentz , "  Teoria Simplificada de Fenômenos Elétricos e Óticos em Sistemas Móveis  " , Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences , vol.  1,1899, p.  427-442

• (pt) Hendrik Antoon Lorentz , “  Considerations on Gravitation  ” , Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences , vol.  2,1900, p.  559–574

• (de) Hendrik Antoon Lorentz , “  Über die scheinbare Masse der Ionen  ” , Physikalische Zeitschrift , vol.  2, n o  5,1900, p.  78-80

• (de) Hendrik Antoon Lorentz , “  Weiterbildung der Maxwellschen Theorie. Elektronentheorie  ” , Encyclopädie der mathematischen Wissenschaften , vol.  5, n o  21904, p.  145-288 ( leia online )

• (de) Hendrik Lorentz, “  Elektromagnetische Erscheinungen in einem System, das sich mit beliebiger, die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt  ” , em Otto Blumenthal & Arnold Sommerfeld, Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen ,1904, p.  6-26

• (de) Hendrik Lorentz, “  Das Relativitätsprinzip und seine Anwendung auf einige besondere physikalische Erscheinungen  ” , in Otto Blumenthal & Arnold Sommerfeld, Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen ,1910, p.  74-89

• (de) Hendrik Antoon Lorentz , Albert Einstein e Hermann Minkowski , Das Relativitätsprinzip , Leipzig & Berlin, BG Teubner ,1913( leia online )

• (de) Hendrik Antoon Lorentz , Das Relativitätsprinzip. Drei Vorlesungen gehalten em Teylers Stiftung zu Haarlem , Leipzig e Berlin, BG Teubner ,1914

• Hendrik Antoon Lorentz , “  La Gravitation  ”, Scientia , vol.  16,1914, p.  28-59 ( ler online )

• (pt) Hendrik Antoon Lorentz , A teoria dos elétrons , Leipzig & Berlin, BG Teubner ,1916( leia online )

• Hendrik Antoon Lorentz , “  Duas Memórias de Henri Poincaré na Física Matemática  ”, Acta Mathematica , vol.  38,1921, p.  293-308 ( DOI  10.1007 / BF02392073 )

• (pt) Hendrik Antoon Lorentz , “  Conferência sobre o Experimento Michelson-Morley  ” , The Astrophysical Journal , vol.  68,1928, p.  345-351 ( ler online )