Хронология специальной теории относительности и скорости света

Альберт Эйнштейн и Хендрик Лоренц в 1921 году в Лейдене.

В этой временной шкале описаны основные разработки, как экспериментальные, так и теоретические:

• Эйнштейна Специальная теория относительности (СТО),
• его предшественники, такие как теории светоносного эфира ,
• его ранние конкуренты, а именно:
  • Ритца Баллистическая теория света .
  • модели электромагнитной массы , созданные Абрахамом (1902 г.), Лоренцем (1904 г.), Бюшерером (1904 г.) и Ланжевеном (1904 г.).

В этом списке также упоминается происхождение стандартных обозначений (например, c ) и терминологии (например, теории относительности ).

Критерии включения

Оперативная группа номер один — первая в мире оперативная группа с ядерной установкой. «Энтерпрайз» , Лонг-Бич и Бейнбридж в строю в Средиземном море, 18 июня 1964 года. Члены экипажа «Энтерпрайза» объясняют формулу Эйнштейна эквивалентности массы и энергии E = mc. ² на летной палубе.

Теории, отличные от СТО, не описаны здесь исчерпывающе, а только в той степени, в которой это непосредственно относится к СТО, т.е. в тех моментах, когда они:

• предвосхитил некоторые элементы СТО, такие как гипотеза Френеля о частичном увлечении эфира,
• привело к новым экспериментам по проверке СТО, таким как модель полного сопротивления эфира Стокса,
• были опровергнуты или подвергнуты сомнению, например, экспериментами Оливера Лоджа .

Более подробную информацию о хронологии теорий эфира – например, об их появлении вместе с волновой теорией света – см. в отдельной статье . Кроме того, здесь перечислены не все эксперименты — повторы, даже с гораздо большей точностью, чем оригинал, упоминаются только в том случае, если они влияют или оспаривают мнения того времени. Так было с:

• Майкельсон и Морли (1886 г.) повторяют эксперимент Физо (1851 г.), что противоречит интерпретации Майкельсона его эксперимента 1881 г.;
• Майкельсон-Морли (1887 г.), более убедительный, чем первоначальный эксперимент Майкельсона (1881 г.), и его трудно согласовать с их экспериментом 1886 г. или другими измерениями первого порядка;
• Повторение Кауфманом в 1906 году своего эксперимента 1902 года, поскольку он утверждал, что противоречит модели Эйнштейна и Лоренца, которая считается совместимой с данными 1902 года;
• Миллера (1933) или Маринова (1974) с результатами, отличными от результатов Майкельсона-Морли.

Списки повторений см. в статьях о конкретных экспериментах. Измерения скорости света также упоминаются лишь в минимальной степени, т. е. тогда, когда они впервые доказали, что c конечна и инвариантна. Инновации вроде использования вращающегося зеркала Фуко или колеса Физо здесь не перечислены — см. статью о скорости света .

Эта временная шкала также игнорирует из соображений объема и ясности:

• длинная история пространства-времени и концепция времени как четвертого измерения; например, идеи Лагранжа и Уэллса ;
• математические инновации, повлиявшие на формализм СТО, например введение расслоений ;
• косвенные доказательства СТО через доказательства релятивистских теорий, таких как общая теория относительности или релятивистская квантовая механика ;
• публикация бесчисленных учебников и научно-популярных книг или статей, даже очень влиятельных классиков, таких как «Мистер Томпкинс» Джорджа Гамова ;
• культурное влияние СТО, например, публикация документальных фильмов или празднование СТО во время Всемирного года физики 2005 ;
• новые, непроверенные теории, модифицирующие СТО, такие как Двойная специальная теория относительности или Переменная скорость света .

До 19 века

Перерисованная версия иллюстрации из новостного репортажа 1676 года. Рёмер сравнил видимую продолжительность обращения Ио по мере движения Земли к Юпитеру (от F до G) и по мере удаления Земли от Юпитера (от L к K).

• 1632 г. - Галилео Галилей пишет об относительности движения и о том, что некоторые формы движения невозможно обнаружить; Позже это будет названо принципом относительности , важным для специальной теории относительности как один из ее постулатов.
• 1674 г. - Роберт Гук проводит наблюдения звезды Гамма Дракона , или сокращенно γ Дракона. Он доказывает изменение ее положения на небе, которое позже будет идентифицировано как звездная аберрация .
• 1676 г. - Оле Рёмер дает первое доказательство того, что скорость света конечна, посредством наблюдения спутников Юпитера ; открытие разделяет ученых своего времени.
• 1690 г. - Христиан Гюйгенс дает первую оценку скорости света в воздухе или вакууме на основе работы Рёмера. Результат эквивалентен примерно 2×10 ⁸ м/с в современных единицах измерения, с поправкой только на порядок величины .
• 1727 г. - Джеймс Брэдли правильно идентифицирует своеобразное поведение γ Дракона как звездную аберрацию. Брэдли использует этот факт для оценки скорости света в воздухе или вакууме, и его результат точнее, чем у Гюйгенса: около 3,0×10. ⁸ м/с в современных единицах. Впервые измерение верно с точностью до первых двух значащих цифр .

19 век

До 1880-х годов

• 1810 г. - Франсуа Араго замечает, что скорость света звезд, измеренная с помощью звездной аберрации, может не зависеть от относительного движения звезд и Земли; или, по крайней мере, невооруженным глазом никаких различий не наблюдается.
• 1818 г. - Огюстен-Жан Френель предлагает свою модель частичного увлечения эфира, чтобы объяснить открытие Араго.
• 1845 – Джордж Габриэль Стоукс создает собственную модель полного перетаскивания эфира.
• 1851 г. - Эксперимент Физо со светом в текущей воде подтверждает модель Френеля.
• 1861 — Джеймс Клерк Максвелл публикует свои уравнения электромагнитного поля , которые оказали большое влияние на более поздние работы по эфиру и специальной теории относительности.
• 1868 г. - Мартинус Хук модифицирует эксперимент Физо с теми же выводами.
• 1871 г. - Джордж Бидделл Эйри наблюдает звездную аберрацию в телескоп, наполненный водой, что подтверждает модель Френеля и противоречит модели Стокса.

1880-е годы

установка Майкельсона и Морли Интерферометрическая , установленная на каменной плите, плавающей в кольцевой ванне ртути.

• 1881 – Альберт Майкельсон проводит свой оригинальный интерферометрический эксперимент. Он не обнаруживает эфирного ветра, что противоречит модели Френеля в пользу модели Стокса.
• 1885 – Людвиг Ланге выдвигает идею инерциальной системы отсчета . Это существенно важно для теории относительности как элемента современной формулировки принципа относительности.
• 1886 г. - Альберт Майкельсон и Эдвард Морли повторяют эксперимент Физо с большей точностью, подтверждая его результат и противореча более ранним выводам Майкельсона.
• 1887 — Вольдемар Фойгт публикует свои преобразования координат, сохраняющие волновое уравнение . Они очень похожи – но не эквивалентны – на более поздние преобразования Лоренца .
• 1887 г. - эксперимент Майкельсона-Морли не смог обнаружить эфирный ветер, что опровергло некоторые теории эфира и привело к появлению новых.
• 1889 г. - Джордж Фитцджеральд выдвигает гипотезу о сокращении длины , объясняющую эксперимент Майкельсона-Морли.

1890-е годы

• 1892 г. - Хендрик Лоренц - независимо от Фитцджеральда - предлагает то же объяснение, но с формулой, лишь аппроксимирующей специально-релятивистское сокращение длины до первого порядка.
• 1893 — Оливер Лодж проводит интерферометрический эксперимент, ставящий под сомнение гипотезу сопротивления эфира .
• 1894 – Поль Друде вводит символ c , обозначающий скорость света в вакууме.
• 1895 г. - Хендрик Лоренц исправляет свою модель 1892 года, предлагая сокращение с помощью фактора Лоренца (γ).
• 1895 – Альберт Эйнштейн, вероятно, проводит свой мысленный эксперимент по погоне за лучом света, который позже будет иметь отношение к его работе по специальной теории относительности.
• 1897 – Оливер Лодж публикует еще один результат эксперимента, ставящий под сомнение сопротивление эфира.
• 1897 г. - Джозеф Лармор публикует свои преобразования координат, расширяющие формулу сокращения длины. Эти преобразования подразумевают своего рода замедление времени и были приближением полных преобразований Лоренца.
• 1898 – Анри Пуанкаре утверждает, что одновременность относительна.
• 1899 — Хендрик Антон Лоренц публикует раннюю версию своих преобразований координат, включая местное время .

20 век

Герман Минковский, который в 1908 году представил формализм пространства-времени в специальной теории относительности.

1900-е годы

• 1902 – Лорд Рэлей пишет, что гипотеза Лоренца о сокращении длины предсказывает форму двойного лучепреломления и пытается наблюдать ее . Нулевой результат ставит под сомнение модель Лоренца, но позже он будет объяснен комбинацией сокращения длины и замедления времени.
• 1902 – Макс Абрахам разрабатывает свою классическую модель электрона. Он предвосхитил некоторые элементы специальной теории относительности, такие как нелинейная зависимость импульса от скорости – или, другими словами, более спорные термины, релятивистская масса . Однако формула Абрахама была иной, чем в СТО или теории Лоренца.
• 1902 – Вальтер Кауфманн публикует свои измерения того, как импульс электрона – или, используя более поздние термины, его релятивистская масса – зависит от его скорости. Результаты, похоже, подтверждают модель Абрахама.
• 1903 – Олинто Де Претто представляет свою теорию эфира с некоторой формой эквивалентности массы и энергии . Это описывалось формулой, похожей на формулу Эйнштейна E = mc. ² , но с разными значениями терминов.
• 1903 – Фредерик Томас Траутон и Х.Р. Ноубл публикуют результаты своего эксперимента с конденсаторами, не показавшие отсутствия эфирного дрейфа.
• 1904 г. - ДеВитт Бристоль Брейс проводит улучшенную версию эксперимента Рэлея 1902 года, снова с нулевым результатом.
• 1904 г. - Хендрик Лоренц объясняет экспериментальные результаты Рэлея, Брейса, Траутона и Нобла, используя свои уточненные преобразования координат; он также доказывает, что уравнения Максвелла инвариантны относительно них. Лоренц также представляет свою собственную классическую модель электрона, включая сокращение длины, отсутствующее в работе Абрахама, но пока согласующееся с данными Кауфмана.
• 1904 г. - Альфред Бухерер и Поль Ланжевен независимо друг от друга публикуют модель электрона и его массы, увеличивающейся со скоростью, отличающуюся как от теорий Абрахама, так и от теорий Лоренца. Эта гипотеза также согласовывалась с результатами Кауфмана на том этапе.
• 1904 – Анри Пуанкаре представляет принцип относительности электромагнетизма .
• 1905 - Пуанкаре вводит название преобразований Лоренца и первым представляет их в полной форме, которая позже будет присутствовать в собственно специальной теории относительности Эйнштейна. Кроме того, Пуанкаре первым описал релятивистскую формулу сложения скоростей – неявно в своей публикации и явно в письме Лоренцу.
• 1905 - Альберт Эйнштейн публикует свою специальную теорию относительности, включая эквивалентность массы и энергии , которая позже будет записана как E = mc. ² .
• 1906 – Альфред Бухерер представляет теорию относительности , основанную на Макса Планка термине « относительная теория» .
• 1906 - Вальтер Кауфманн публикует свои новые измерения зависимости массы от скорости и утверждает, что опровергает формулу Лоренца и Эйнштейна. В то же время он признает, что как старая модель Абрахама (1902), так и более поздняя модель Бюшерера и Ланжевена (1904) согласуются с данными.
• 1907 - Макс фон Лауэ описывает, как релятивистская формула сложения скорости воссоздает коэффициенты сопротивления Френеля.
• 1908 – Герман Минковский публикует свой пространственно-временной формализм специальной теории относительности.
• 1908 — Фредерик Томас Траутон и Александр Рэнкин проводят эксперимент с электрической цепью , доказывая, что сокращение длины — не единственный релятивистский эффект и присутствует некоторая форма замедления времени — аналогично предыдущим экспериментам Рэлея (1902) и Брейса (1904). .
• 1908 – Вальтер Ритц публикует свою баллистическую теорию света как альтернативу специальной теории относительности и электродинамике Максвелла.
• 1909 - Пауль Эренфест публикует парадокс Эренфеста о жесткости в специальной теории относительности.
• 1909 – Гилберт Н. Льюис и Ричард Толман вводят спорный термин «релятивистская масса» .

1910-е годы

Схематическое изображение интерферометра Саньяка.

• 1910 — Владимир Игнатовский делает первые выводы преобразований Лоренца, которые опираются главным образом — и почти полностью — на принцип относительности , не обращаясь к уравнениям Максвелла ; такие выводы иногда называют однопостулатными .
• 1910 – Эдмунд Тейлор Уиттакер. и Владимир Варичак представить идею быстроты , но без использования этого имени.
• 1911 – Альфред Робб вводит термин «быстрота» .
• 1911 – Поль Ланжевен представляет парадокс близнецов , подразумеваемый замедлением времени .
• 1911 - Макс фон Лауэ пишет, что специальная теория относительности и теория эфира Лоренца предсказывают эффект Саньяка , отсутствующий в баллистической теории Ритца или в теории сопротивления эфира Стокса.
• 1913 - Жорж Саньяк наблюдает эффект, названный в его честь, опровергая баллистическую теорию Ритца или сопротивление эфира. Однако он поддерживает модель Лоренца и даже утверждает – ошибочно – что противоречит СТО.
• 1913 - Виллем де Ситтер описывает, как свет двойных звезд противоречит баллистической теории света Ритца.
• 1914 – Людвик Зильберштейн дает первое описание вращения Томаса – Вигнера . тогда недооценивали.
• 1914 г. - Гюнтер Нейман измеряет зависимость массы от скорости электронов. Его результат предпочтительнее формулы Лоренца и Эйнштейна, чем формулы Авраама.
• 1915 – Шарль-Эжен Гий и Шарль Лаванши проводят собственные измерения инерции катодных лучей, гораздо более точные, чем более ранние исследования Кауфмана. Их вывод противоположен выводу Кауфмана – опять же, формула Лоренца и Эйнштейна верна, а модель Абрахама опровергнута.

1920-е и 1930-е годы

• 1924 – Ганс Тирринг замечает, что баллистические теории света противоречат спектроскопическим наблюдениям Солнца.
• 1924 — Антон Лампа предсказывает релятивистский эффект, позже известный как вращение Пенроуза-Террелла .
• 1925 г. - эксперимент Майкельсона-Гейла-Пирсона проверяет эффект Саньяка, вызванный вращением Земли. Результат опровергает любое сопротивление эфира; в сочетании с другими экспериментами, опровергающими стационарный эфир, например эксперимент Майкельсона-Морли, он доказывает правильность преобразований Лоренца.
• 1925 — Ллевелин Томас открывает прецессию Томаса , которую можно объяснить эффектом, описанным ранее Зильберштейном, а затем Вигнером.
• 1928 – Поль Дирак описывает общее соотношение энергии и импульса , расширяя эквивалентность массы и энергии.
• 1932 г. - эксперимент Кеннеди-Торндайка по-новому подтверждает преобразования Лоренца, дополняя эксперимент Майкельсона-Морли. Эти два результата, если объединить их, доказывают некоторую форму замедления времени.
• 1932 – Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон доказали эквивалентность массы и энергии посредством ядерной реакции .
• 1933 - Дейтон Миллер проводит улучшенную форму эксперимента Майкельсона-Морли, утверждая, что он противоречит специальной теории относительности. Позже это будет объяснено в соответствии со СТО в 1950-х годах.
• 1935 – эксперимент Хаммара – еще одно опровержение сопротивления эфира и доказательство специальной теории относительности.
• 1938 — эксперимент Айвса-Стилуэлла измеряет замедление времени с помощью релятивистского эффекта Доплера . Впервые преобразования Лоренца могут быть выведены непосредственно из эмпирических данных, как заметил Робертсон в 1949 году.
• 1939 – Юджин Вигнер заново открывает, что СТО предсказывает вращение Томаса – Вигнера .

После 1930-х годов

• 1940 — Бруно Росси и Д.Б. Холл наблюдают замедление времени в космических лучах , т. е. в распаде мюонов .
• 1949 - Говард П. Робертсон замечает, что преобразования Лоренца можно вывести (извлечь) из трех ключевых экспериментов: Майкельсона-Морли, Кеннеди-Торндайка и Айвза-Стилвелла.
• 1954 - Герхарт Людерс и Вольфганг Паули доказывают, что лоренц-инвариантность в квантовых теориях поля подразумевает симметрию CPT , что позволяет проводить новые проверки специальной теории относительности.
• 1955 - Роберт С. Шенкленд и другие объясняют экспериментальный результат Миллера 1933 года в соответствии со специальной теорией относительности.
• 1959 - Роджер Пенроуз и Джеймс Террелл независимо друг от друга публикуют свое повторное открытие о том, что СТО предсказывает эффект Пенроуза-Террелла.
• 1959 — Э. Деван и М. Беран публикуют мысленный эксперимент, известный как парадокс космического корабля Белла .
• 1960 - Вернон В. Хьюз и др. провести спектроскопический эксперимент , позже интерпретировано как свидетельство лоренц-инвариантности взаимодействий частиц.
• 1961 г. – Рональд Древер независимо проводит аналогичный эксперимент с теми же выводами.
• 1961 – Вольфганг Риндлер представляет и решает парадокс лестницы .
• 1967 — Джеральд Файнберг вводит термин «тахион» для гипотетических частиц со скоростями, превышающими скорость света в вакууме ( c ).
• 1971 — Эксперимент Хафеле-Китинга подтверждает замедление времени, предсказанное специальной и общей теориями относительности .
• 1974 – Стефан Маринов заявляет, что противоречит специальной теории относительности, измеряя изменение c . Его результаты отмечены научным сообществом, но отвергнуты как неверные.
• 1983 г. — скорость света в вакууме ( с ) используется для определения метра в системе единиц СИ ; в определении не упоминается какая-либо система отсчета, предполагая, что эта скорость универсальна, и неявно, что специальная теория относительности верна.

21 век

• 2011 г. – аномалии нейтрино со скоростью, превышающей скорость света сообщает об ЦЕРН .
• 2012 г. – аномалия скорости нейтрино объясняется отказом оборудования; эта причина официально сообщается.

См. также

• История преобразований Лоренца
• Хронология гравитационной физики и теории относительности

Дальнейшее чтение

• Анджей Каетан Врублевский , Эйнштейн и физика сто лет назад , Acta Physica Polonica B , Vol. 37 (2006). Проверено 28 декабря 2021 г.