thumb|Hendrik Antoon Lorentz

Lo que ahora se llama a menudo teoría del éter de Lorentz (TEL) tiene sus raíces en la "teoría de los electrones" del propio Hendrik Antoon Lorentz, que marcó el final del desarrollo de la teorías sobre el éter clásicas a finales del y principios del .

La teoría inicial de Lorentz se generó entre 1892 y 1895, y estaba basada en eliminar suposiciones sobre el movimiento del éter. Explicó el fracaso de los experimentos en el intento de detectar la deriva respecto al éter de primer orden (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 y Morley llevó a la introducción de la hipótesis de la contracción de Lorentz en 1892. Sin embargo, otros experimentos también produjeron resultados negativos y (guiado por el principio de relatividad de Henri Poincaré) Lorentz intentó en 1899 y 1904 expandir su teoría a todos los órdenes de 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 y de hecho incorporó fuerzas no electromagnéticas (incluida la gravedad) dentro de la teoría, a la que llamó "La Nueva Mecánica". Muchos aspectos de la teoría de Lorentz se incorporaron a teoría de la relatividad especial (RE) con los trabajos de Albert Einstein y Hermann Minkowski.

Hoy en día, la TEL se trata a menudo como una especie de interpretación "lorentziana" o "neolorentziana" de la relatividad especial. La introducción de la contracción de Lorentz y de la dilatación del tiempo para todos los fenómenos en un sistema de referencia "preferente", que desempeña el papel del éter inmóvil de Lorentz, conduce a la transformación completa de Lorentz (véase teoría de la prueba de Robertson-Mansouri-Sexl como ejemplo), por lo que la covariancia de Lorentz no proporciona ninguna información verificable experimentalmente de la distinción entre la TEL y la RE. La simultaneidad absoluta en la formulación de la teoría de pruebas de Mansouri-Sexl del éter de Lorentz implica que un experimento con la velocidad de la luz unidireccional podría, en principio, distinguir entre la TEL y la RE, pero ahora se sostiene ampliamente que es imposible realizar tal prueba. En ausencia de cualquier forma de distinguir experimentalmente entre ambas teorías, se prefirió ampliamente la relatividad especial, debido a la suposición superflua de un éter indetectable en el modelo de Lorentz, y a que la validez del principio de relatividad en este último modelo parece que se haya introducido a medida (ad hoc) para hacer las expresiones coincidentes.

Desarrollo histórico

Concepto básico

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 Fresnel, en las ecuaciones de Maxwell y en la teoría del electrón de Rudolf Clausius. El artículo de Lorentz de 1895Whittaker (1951), 386ff rechazaba las teorías sobre el arrastre del éter, y se negó a expresar suposiciones sobre la naturaleza del éter. Decía así:

Como señalaría más adelante Max Born, era natural (aunque no lógicamente necesario) que los científicos de esa época identificaran el sistema del éter en reposo de Lorentz con el espacio absoluto de Isaac Newton.Born (1964), 172ff La condición de este éter puede ser descrita por 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 mecanicistas del éter. Al contrario de Clausius, que aceptaba que los electrones podían actuar mediante la acción 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 1895Lorentz (1895) 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 del éter estacionario, por lo que están haciendo las mismas observaciones.

Contracción de la longitud El experimento de Michelson y Morley de 1887 se convirtió en un gran desafío para la teoría del éter de Lorentz. Según las teorías de Fresnel y de Lorentz, mediante este experimento debería determinarse un movimiento relativo con respecto a un éter inmóvil, pero el resultado obtenido 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 de la luz de las estrellas refutaron ese modelo.

Una posible solución apareció a la vista cuando en 1889 Oliver Heaviside dedujo de las ecuaciones de Maxwell que el campo del potencial vectorial electromagnético alrededor de un cuerpo en movimiento se ve alterado por un factor de . Basándose en ese resultado, y para armonizar la hipótesis de un éter inmóvil con el experimento de Michelson y Morley, George FitzGerald en 1889 (cualitativamente) e, independientemente de él, Lorentz en 1892Lorentz (1892) (ya cuantitativamente), sugirieron que no solo los campos electrostáticos, sino que también las fuerzas moleculares, se ven afectados de la misma manera que la longitud de un cuerpo medida a lo largo de la línea de su movimiento es menor en el valor que la dimensión perpendicular a la línea de su 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 Lorentz propuso tres posibles explicaciones para esta contracción relativa:Brown (2001) El cuerpo se "contrae" en la línea de movimiento y conserva su dimensión perpendicularmente a ella. La dimensión del cuerpo sigue siendo la misma en la línea de movimiento, pero se expande perpendicularmente a ella. El cuerpo se contrae en la línea de movimiento y al mismo tiempo se expande perpendicularmente a ella.

Aunque Lorentz utilizó la posible conexión entre fuerzas electrostáticas e intermoleculares como argumento de plausibilidad, pronto se consideró que la hipótesis de la contracción era puramente un artificio ad hoc para hacer coherente su teoría. También es importante que esta contracción solo afectaría el espacio entre los electrones pero no a los electrones en sí; y por lo tanto, a veces se utilizó el nombre de "hipótesis intermolecular" para este efecto. La llamada contracción de Lorentz sin expansión perpendicular a la línea del movimiento y con el valor preciso de (donde l0 es la longitud en reposo con respecto al éter) fue dado por Larmor en 1897 y por Lorentz en 1904. En el mismo año, Lorentz argumentó así mismo que los propios electrones también se ven afectados por esta contracción.Miller (1981), 70–75,Lorentz (1904b)

Hora local Una parte importante del teorema de los estados correspondientes en 1892 y 1895 fue el concepto de hora local , donde t es la coordenada de tiempo para un observador en reposo con rspecto al éter, y t' es la coordenada del tiempo para un observador moviéndose en el éter (Woldemar Voigt había usado previamente 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, las mediciones del coeficiente de arrastre de Fresnel) realizado por 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 solo 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 que Lorentz, Poincaré vio más que un truco matemático en la definición de la hora local, que calificó como "la idea más ingeniosa" de Lorentz.Poincaré (1904); Poincaré (1905a), Ch. 8 En 1898, en su artículo La medida del tiempo escribió lo siguiente:Poincaré (1898); Poincaré (1905a), Ch. 2

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 solo 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.Poincaré (1900b) En 1904, ilustró el mismo procedimiento de la siguiente manera: A envía una señal en el tiempo 0 a B, que llega en el momento 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 sincrónicos, pero solo en el sistema en el que los relojes están en reposo en el éter. Así, según Darrigol,Darrigol (2005), 10–11 Poincaré entendía 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 un procedimiento de sincronización similar que fue llamado sincronización de Einstein, Darrigol dice que Poincaré tenía la opinión de que los relojes en reposo con respecto al éter muestran la hora verdadera.

Sin embargo, al principio se desconocía que la hora local incluye lo que hoy se conoce como dilatación del tiempo. Este efecto fue notado 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 1899Lorentz (1899) también Lorentz observó para la frecuencia de los electrones oscilantes "que en S el tiempo de las vibraciones es veces mayor que en S0", donde S0 es el marco de referencia del éter, S el marco matemático-ficticio del movimiento del observador, k es y es un factor indeterminado.Janssen (1995), Chap. 3.5.4

Transformación de Lorentz