Wiatr eteru przywiał teorię względności

Wielkim problemem fizyki wieku XIX była niewykrywalność "wiatru eteru", oparta o założenie, że działa on jak siła uniwersalna. Założenie to umożliwia pogodzenie istnienia eteru z niewykrywalnością ruchu względem niego. Jako alternatywne rozwiązanie mogło nasuwać się zanegowanie istnienia eteru, wobec jego zasadniczej nieobserwowalności.

Ruch, eter i Einstein

Takie rozstrzygnięcie nie było bynajmniej wtedy pożądane, gdyż groziło zaprzepaszczeniem większości sukcesów w zrozumieniu zjawisk elektromagnetycznych uzyskanych w ramach teorii Maxwella-Lorentza. Jak wiadomo, tę drogę wybrał Albert Einstein, któremu udało się zminimalizować straty dzięki radykalnym zmianom aparatu pojęciowego. Zmianom tym przyjrzymy się nieco dokładniej w późniejszych etapach naszych rozmyśleń. Na razie zapoznamy się z nimi jedynie w stopniu odpowiadającym naszym potrzebom.

Pomyślmy o tym, jak niewykrywalność ruchu względem eteru wyjaśnił Einstein. Założył on, że obowiązuje zasada względności obejmująca wszystkie zjawiska, tj. we wszystkich układach inercjalnych wszystkie prawa przyrody wyrażają się jednakowo. Następnie przyjął on, pozornie sprzeczne z tym pierwszym, drugie założenie, zgodnie z którym w spoczywającym układzie inercjalnym każdy promień świetlny rozprzestrzenia się z prędkością równą co do wartorości stałej c, niezaleznie od tego, czy jest emitowany przez źródło spoczywające, czy poruszające się. Okazaio się, że oba założenia, zwane dziś postulatami szczególnej teorii względności, można pogodzić, jeżli tylko w roli przeksztalceń kinematycznych przedstawić przekształcenia Galileusza przez przeksztaicenia Lorentza.

Widać wagę wyniku, jakim było uogólnienie zasady względności na wszystkie zjawiska. Einstein po prostu to zalożył, podczas gdy Lorentz z trudem, nie bez potknięć i tylko w przybliżeniu wyprowadzii tę zasadę jedynie w odniesieniu do zjawisk elektromagnetycznych, analizując wplyw "wiatru eteru" na przebieg zjawisk i procedur pomiarowych w układzie inercjalnym poruszającym się względem eteru (wyprowadzenie to zresztą skorygował Poincaré, otrzymując dokładny wynik). Podobnie rzecz ma się z drugim postulatem, którego odpowiednik w teorii Lorentza wynikał z założenia, iż światło jest zaburzeniem pola elektromagnetycznego rozprzestrzeniającym się w eterze. W rezultacie Einstein otrzymał postać obowiązujących przekształceń kinematycznych w sposób znacznie bardziej ekonomiczny i od razu ścisły (w teorii Lorentza znów wynik ścisły uzyskał Poincare).

Z drugiej strony jednak, jeszcze w dwa lata po ogłoszeniu szczególnej teorii względności uskarżał się na brak pełnego obrazu świata odpowiadającego jej treści. Nic w tym dziwnego, gdyż nowe przekształcenia kinematyczne radykalnie różnią się od starych. Przede wszystkim z uwagi na relatywizację równoczesności. Różnice te próbuje się bagatelizować, twierdząc, że w przybliżeniu małych prędkości przekształcenia Lorentza przechodzą w przekształcenia Galileusza. Faktycznie jednak jest to prawdą jedynie w odniesieniu do wzorów dotyczących współrzędnych przestrzennych. Wzór dotyczący współrzędnej czasowej różni się od odpowiedniego wzoru nierelatywistycznego, przede wszystkim właśnie tym, iż zachowuje relatywizację równoczesności.

Teoria względności teorią zasad

Jak dostrzegł Albert Einstein, teoria ta w postaci, w której ją wprowadził, była tzw. teorią zasad, w odróżnieniu od teorii konstrukcyjnej, jaką była teoria Lorentza. Specyficzna dla teorii konstrukcyjnych jest przejrzystość modelu zjawisk, który został od podstaw skonstruowany, a rządzącego ewolucją prawa, w ostatecznym rozrachunku, są konsekwencją jego struktury i założonych własności elementarnych obiektów, z których został skonstruowany. W teorii zasad zaś o modelu wiadomo niewiele, poza tym, ze spełnia z góry założone prawa. Nic dziwnego, że teorie takie nie są w pełni zrozumiałe, na co własnie uskarżał się Einstein. Z drugiej strony, jeśli teoria taka nie jest wewnętrznie sprzeczna, to otwarta pozostaje możliwość odtworzenia jej jako teorii konstrukcyjnej, co oznacza, że o żadnej niesprzecznej teorii nie można zakładać, iż pozostanie teorią zasad na zawsze. Podczas gdy w teorii Lorentza odpowiednikiem drugiego postulatu było rozstrzygnięcie, że z prędkością równą co do ważności stałej c światło rozprzestrzenia się w układzie spoczywającym względem eteru, Einstein istnienie eteru odrzucił!

Czy wtedy umarł eter?

Wynik, który uzyskał, nie zależał jednak wprost od negacji istnienia eteru, która odgrywa jedynie pewną rolę heurystyczną w związku z przyjęciem pierwszego postulatu. Z kolei założenie, że światło rozprzestrzenia się ze stalą co do wartości prędkością w pewnym układzie inercjalnym, w zasadzie można było przyjąć niezależnie od rozstrzygnięcia kwestii istnienia eteru, nawet jeśli założenie istnienia eteru odgrywa przy jego akceptacji doniosłą rolę heurystyczną. Oba postulaty można było więc przyjąć, abstrahując od założenia nieistnienia eteru, które motywowało przyjęcie pierwszego z nich przez Einsteina, jak również od przeciwnego założenia, które motywowałoby przyjęcie drugiego z nich przez Lorentza. Wspólnie określają one zarówno postać obowiązujących przekształceń kinematycznych, jak też wszystkie empiryczne konsekwencje szczególnej teorii względności.