Principii și convenții în teoria eterului

 (Henri Poincaré)

Constanța luminii

Încă de la lucrările filosofice ale măsurătorilor de timp (1898), Poincaré a scris că astronomi ca Ole Rømer, în determinarea vitezei luminii, presupun pur și simplu că lumina are o viteză constantă și că această viteză este aceeași în toate direcțiile . Fără acest postulat nu ar fi posibil să se deducă viteza luminii din observațiile astronomice, așa cum a făcut Rømer pe baza observațiilor asupra lunilor lui Jupiter. Poincaré a mai reținut că Rømer a trebuit de asemenea să presupună că lunile lui Jupiter respectă legile lui Newton, inclusiv legea gravitației, în timp ce ar fi posibil să reconciliem o altă viteză a luminii cu aceleași observații dacă am presupune că diferă (probabil mult mai complicat) legile mișcării. Potrivit lui Poincaré, acest lucru ilustrează faptul că adoptăm pentru viteza luminii o valoare care face legile mecanicii cât mai simple posibil. (Acesta este un exemplu al filozofiei convenționale a lui Poincaré.) Poincaré a menționat, de asemenea, că viteza de propagare a luminii poate fi (și în practică de multe ori este) utilizată pentru a defini simultaneitatea evenimentelor separate spațial. Cu toate acestea, în această lucrare nu a continuat să discute consecințele aplicării acestor „convenții” asupra mai multor sisteme de referință relative în mișcare. Următorul pas a fost realizat de Poincaré în 1900, când a recunoscut că sincronizarea cu semnale luminoase din cadrul de referință al pământului duce la timpul local al lui Lorentz. Și în 1904 Poincaré scria:

”Din toate aceste rezultate, dacă ar fi confirmate, s-ar obține o mecanică complet nouă care ar fi caracterizată mai presus de toate de acest fapt, că nu ar putea exista o viteză mai mare decât cea a luminii, la fel ca o temperatură sub cea de zero absolut. Pentru un observator, care participă într-o mișcare de translație despre care nu băbuiește nimic, nicio viteză aparentă nu ar putea depăși pe cea a luminii și aceasta ar fi o contradicție, dacă nu se amintește faptul că acest observator nu folosește același tip de ceasornic ca și cel folosit de un observator staționar, ci mai degrabă un ceas care arată ”ora locală. [..] Poate că, de asemenea, va trebui să construim o mecanică cu totul nouă, pe care numai reușim să o căutăm, unde inerția crescând cu viteza, viteza luminii ar deveni o limită de netrecut. Mecanica obișnuită, mai simplă, ar rămâne o primă aproximare, cât timp vitezele nu sunt prea mari, astfel încât vechea dinamică ar mai fi găsită sub noile legi. Nu ar trebui să regretăm că am crezut în principii și chiar dacă vitezele prea mari pentru vechile formule ar fi întotdeauna doar excepționale, cea mai sigură cale în practică ar fi să ne purtăm ca și cum am continua să credem în ele. Sunt atât de utile, încât ar fi necesar să le păstrăm locul. A încerca să le excludem în totalitate ar fi să ne lipsim de o armă prețioasă. Mă grăbesc să spun în concluzie că nu suntem încă acolo și că nimic nu dovedește că principiile nu vor ieși victorioase și intacte.””

Principiul relativității

În 1895, Poincaré a susținut că experimente precum cel al lui Michelson-Morley arată că este imposibil să se detecteze mișcarea absolută a materiei sau mișcarea relativă a materiei în raport cu eterul. Și, deși majoritatea fizicienilor aveau alte puncte de vedere, Poincaré în 1900 și-a exprimat opinia și, alternativ, a folosit expresiile „principiul mișcării relative” și „relativitatea spațiului”. El a criticat pe Lorentz spunând că ar fi mai bine să creeze o teorie mai fundamentală, care explică absența oricărui drift eteric, decât să creeze o ipoteză după cealaltă. În 1902 a folosit pentru prima dată expresia „principiul relativității”. În 1904, el a apreciat munca matematicienilor, care au salvat ceea ce acum el a numit „principiul relativității” cu ajutorul unor ipoteze precum timpul local, dar a mărturisit că această aventură a fost posibilă doar printr-o acumulare de ipoteze. Și el a definit principiul în acest fel (conform lui Miller bazat pe teorema Lorentz a stărilor corespondente): „Principiul relativității, potrivit căruia legile fenomenelor fizice trebuie să fie aceleași pentru un observator staționar ca pentru unul aflat într-o mișcare uniformă de translație, astfel încât să nu avem niciun mijloc și nu putem în niciun fel să determinăm dacă suntem sau nu deplasați împreună într-o astfel de mișcare„.

Referindu-se la critica lui Poincaré din 1900, Lorentz a scris în lucrarea sa faimoasă în 1904, unde și-a extins teorema stărilor corespunzătoare: „Desigur, cursul inventării unor ipoteze speciale pentru fiecare nou rezultat experimental este oarecum artificial. ar fi mai satisfăcător dacă ar fi posibil să demonstrăm, prin intermediul unor ipoteze fundamentale și fără a neglija termenii unui ordin de mărime sau a unui altuia, că multe acțiuni electromagnetice sunt complet independente de mișcarea sistemului„.

Una dintre primele evaluări ale lucrării lui Lorentz a fost făcută de Paul Langevin în mai 1905. Potrivit lui, această extensie a teoriilor electronului din Lorentz și Larmor a dus la „imposibilitatea fizică de a demonstra mișcarea translațională a pământului”. Cu toate acestea, Poincaré a observat în 1905 că teoria lui Lorentz din 1904 nu a fost perfect „Lorentz invariantă” în câteva ecuații, cum ar fi expresia Lorentz pentru densitatea curentului (a fost admis de Lorentz în 1921 că acestea erau defecte). Deoarece acest lucru necesită doar modificări minore ale operei lui Lorentz, Poincaré a afirmat că Lorentz a reușit să-și armonizeze teoria cu principiul relativității: „Se pare că această imposibilitate de a demonstra mișcarea absolută a pământului este o lege generală […] Lorentz a încercat să-și completeze și să-și modifice ipoteza pentru a o armoniza cu postulatul de imposibilitate completă de a determina mișcarea absolută. Este ceea ce a reușit să facă în articolul său intitulat Fenomene electromagnetice într-un sistem care se mișcă cu orice viteză mai mică decât cea a luminii [Lorentz, 1904b].”

În lucrarea sa din Palermo (1906), Poincaré a numit acest „postulat al relativității” și, deși a declarat că este posibil ca acest principiu să fie dezmințit într-un anumit moment (și, de fapt, el a menționat la sfârșitul lucrării că descoperirea magneto- razele catodice ale lui Paul Ulrich Villard (1904) pare să-l amenințe), el credea că este interesant să ia în considerare consecințele dacă am presupune că postulatul relativității era valabil fără restricții. Aceasta ar însemna că toate forțele naturii (nu doar electromagnetismul) trebuie să fie invariabile sub transformarea lui Lorentz. În 1921, Lorentz l-a creditat pe Poincaré cu stabilirea principiului și postulatului relativității și a scris: „Nu am stabilit principiul relativității atât de riguros și universal adevărat. Poincaré, pe de altă parte, a obținut o invarianță perfectă a ecuațiilor electromagnetice și a formulat „postulatul relativității”, fiind primul care a folosit acești termeni.”

Eterul

Poincaré a scris în sensul filozofiei sale convenționaliste în 1889: „Dacă eterul există sau nu, contează puțin – să lăsăm asta metafizicienilor, ceea ce este esențial pentru noi este ca totul să se întâmple ca și când ar exista și că această ipoteză se dovedește a fi potrivită pentru explicarea fenomenelor.În cele din urmă, avem alt motiv să credem în existența obiectelor materiale? Și aceasta este doar o ipoteză convenabilă, numai că nu va înceta niciodată să fie așa , în timp ce într-o zi, fără îndoială, eterul va fi aruncat la o parte ca inutil.”

De asemenea, el a negat existența spațiului și timpului absolut, spunând în 1901: „1. Nu există spațiu absolut și doar concepem o mișcare relativă și totuși, în cele mai multe cazuri, faptele mecanice sunt enunțate ca și când există spațiu absolut la care pot fi făcute referințe 2. Nu există timp absolut. Când spunem că două perioade sunt egale, declarația nu are niciun înțeles și poate dobândi un sens doar printr-o convenție 3. Nu numai că nu avem intuiția egalității a două perioade, dar nu am nici măcar o intuiție directă a simultaneității a două evenimente care se petrec în două locuri diferite.Am explicat acest lucru într-un articol intitulat „Mesure du Temps” [1898]. În final, nu este geometria noastră euclidiană, în sine, doar un fel de convenție a limbajului?”

Cu toate acestea, Poincaré însuși nu a renunțat niciodată la ipoteza eterică și a declarat în 1900: „A existat eterul nostru?” Știm originea credinței noastre în eter. Dacă lumina are nevoie de câțiva ani pentru a ajunge la noi dintr-o stea îndepărtată, nu mai este pe stea, nici pe pământ. Trebuie să fie undeva și să fie sprijinit, ca să zic așa, de un anumit agent.” Și referindu-se la experimentul Fizeau, el chiar a scris: „Eterul este doar în gândirea noastră„. El a mai spus că eterul este necesar pentru armonizarea teoriei lui Lorentz cu a treia lege a lui Newton. Chiar în 1912, într-o lucrare numită „Teoria cuantică„, Poincaré a folosit de zece ori cuvântul „eter” și a descris lumina ca „vibrații luminoase ale eterului”

Și, deși a recunoscut caracterul relativ și convențional al spațiului și timpului, a crezut că convenția clasică este mai „convenabilă” și a continuat să distingă între timpul „adevărat” în eter și timpul aparent în sistemele în mișcare. Adresându-se întrebării dacă este necesară o nouă convenție a spațiului și a timpului, el a scris în 1912: „Vom fi obligați să ne modificăm concluziile? Cu siguranță nu, am adoptat o convenție pentru că părea convenabilă și am spus că nimic nu ne-ar putea constrânge să renunțăm la ea.Astăzi, unii fizicieni doresc să adopte o nouă convenție, nu că ar fi constrânși să facă acest lucru, consideră că această nouă convenție este mai convenabilă, asta este totul, iar cei care nu sunt de acord cu acest punct de vedere pot păstra vechea convenție pentru a nu deranja vechile lor obiceiuri, cred, doar între noi, că aceasta este ceea ce vor face pentru o lungă perioadă de timp„.

De asemenea, Lorentz a susținut în timpul vieții sale că, în toate cadrele de referință, acesta trebuie să fie preferat, cel în care eterul este în repaus. Ceasurile din acest cadru arată timpul „real”, iar simultaneitatea nu este relativă. Cu toate acestea, dacă se acceptă corectitudinea principiului relativității, este imposibil să se găsească acest sistem prin experiment.