Quella che ora è chiamata spesso teoria dell'etere di Lorentz (TEL) (in inglese: Lorentz Ether Theory, LET) ha le sue radici nella "Teoria degli elettroni" di Hendrik Lorentz, che fu il punto finale nello sviluppo delle teorie classiche sull'etere alla fine del XIX e all'inizio del XX secolo.

La teoria iniziale di Lorentz creata nel 1892 e nel 1895 era basata su un etere completamente immobile. Essa spiegava il fallimento degli esperimenti negativi sul vento d'etere del primo ordine in v/c introducendo una variabile ausiliaria chiamata "tempo locale" per collegare i sistemi in quiete e in movimento nell'etere. Inoltre, il risultato negativo dell'esperimento di Michelson-Morley portò all'introduzione dell'ipotesi di contrazione delle lunghezze nel 1892. Tuttavia, anche altri esperimenti produssero risultati negativi e (guidato dal principio di relatività di Henri Poincaré) Lorentz tentò nel 1899 e nel 1904 di espandere la sua teoria a tutti gli ordini in v/c introducendo la trasformazione di Lorentz. In aggiunta, egli assunse che anche le forze non elettromagnetiche (se esistevano) si trasformassero come forze elettriche. Tuttavia, l'espressione di Lorentz per la densità di carica e la corrente erano scorrette, perciò la sua teoria non escludeva completamente la possibilità di rilevare l'etere. Alla fine, fu Henri Poincaré che nel 1905 corresse gli errori nello studio di Lorentz e incorporò effettivamente le forze non elettromagnetiche (compresa la gravitazione) all'interno della teoria, che chiamò "La nuova meccanica". Molti aspetti della teoria di Lorentz furono incorporati nella relatività ristretta (RR) con le opere di Albert Einstein e Hermann Minkowski.

Oggi la TEL è spesso trattata come una qualche specie di interpretazione "lorentziana" o "neo-lorentziana" della relatività ristretta. L'introduzione della contrazione delle lunghezze e della dilatazione del tempo per tutti i fenomeni in un sistema di riferimento "preferito", che svolge il ruolo dell'etere immobile di Lorentz, porta la trasformazione completa di Lorentz (vedi la teoria del test di Robertson-Mansouri-Sexl come esempio). A causa dello stesso formalismo matematico non è possibile distinguere fra TEL e RR mediante esperimento. Tuttavia, nella TEL si assume l'esistenza di un etere non rilevabile e la validità del principio della relatività sembra essere soltanto dovuta a una coincidenza, il che è una ragione per cui la RR è comunemente preferita rispetto alla TEL. Un'altra importante ragione per preferire la RR è che la nuova conoscenza dello spazio e del tempo fu fondamentale anche per lo sviluppo della relatività generale.

Sviluppo storico Concetto base

Questa teoria, che fu sviluppata principalmente tra il 1892 e il 1906 da Lorentz e Poincaré, si basava sulla teoria dell'etere di Augustin-Jean Fresnel, sulle equazioni di Maxwell e sulla teoria degli elettroni di Rudolf Clausius.Whittaker (1951), 386 ss. Lorentz introdusse una rigida separazione tra la materia (elettroni) e l'etere, per la quale nel suo modello l'etere è completamente immobile, e non sarà messo in moto in prossimità di materia ponderale. Come Max Born disse in seguito, era naturale (benché non logicamente necessario) per gli scienziati di quel tempo identificare il sistema in quiete dell'etere di Lorentz con lo spazio assoluto di Isaac Newton.Born (1964), 172 ss. La condizione di questo etere può essere descritta dal campo elettrico E e dal campo magnetico H, dove questi campi rappresentano gli "stati" dell'etere (senza ulteriore specificazione), legati alle cariche degli elettroni. Così un astratto etere elettromagnetico sostituisce i più vecchi modelli meccanicistici. Contrariamente a Clausius, che accettava che gli elettroni operassero mediante azioni a distanza, il campo elettromagnetico dell'etere appare come un mediatore tra gli elettroni, e i cambiamenti in questo campo possono propagarsi non più rapidamente della velocità della luce. Lorentz spiegò teoricamente l'effetto Zeeman sulla base della sua teoria, per la quale ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1902. Joseph Larmor trovò simultaneamente una teoria simile, ma il suo concetto si basava su un etere meccanico. Un concetto fondamentale della teoria di Lorentz del 1895Lorentz (1895) era il "teorema degli stati corrispondenti" per i termini di ordine v/c. Questo teorema afferma che un osservatore in movimento rispetto all'etere può usare le stesse equazioni elettrodinamiche di un osservatore nel sistema stazionario dell'etere, così essi stanno facendo le stesse osservazioni.

Contrazione delle lunghezze Una grossa sfida per questa teoria fu l'esperimento di Michelson-Morley nel 1887. Secondo le teorie di Fresnel e di Lorentz un moto relativo ad un etere immobile doveva essere determinato da questo esperimento, tuttavia il risultato fu negativo. Michelson stesso pensò che il risultato confermasse l'ipotesi del trascinamento dell'etere, in cui l'etere è completamente trascinato dalla materia. Tuttavia, altri esperimenti come l'esperimento Fizeau e l'effetto di aberrazione confutarono quel modello.

Una possibile soluzione giunse in vista, quando nel 1889 Oliver Heaviside derivò dalle equazioni di Maxwell che il campo del potenziale vettore intorno a un corpo in movimento è alterato di un fattore di . In base a quel risultato e per portare l'ipotesi di un etere immobile in accordo con l'esperimento di Michelson-Morley, George FitzGerald nel 1889 (qualitativamente) e indipendentemente da lui Lorentz nel 1892Lorentz (1892) (già quantitativamente) suggerirono che non solo i campi elettrostatici, ma anche le forze molecolari sono influenzate in modo tale che la dimensione di un corpo lungo la linea del moto è minore della dimensione perpendicolare alla linea del moto per il valore . Tuttavia, un osservatore che si muovesse con la Terra non noterebbe questa contraddizione, perché tutti gli altri strumenti si contraggono dello stesso rapporto. Nel 1895 Lorentz propose tre possibili spiegazioni per questa contrazione relativa:Brown (2001) Il corpo si contrae lungo la linea del moto e preserva la sua dimensione perpendicolarmente ad essa. La dimensione del corpo rimane la stessa lungo la linea del moto, ma si espande perpendicolarmente ad essa. Il corpo si contrae lungo la linea del moto, e si espande al tempo stesso perpendicolarmente ad essa.

Sebbene il possibile collegamento tra forze elettrostatiche e intermolecolari sia stato usato da Lorentz come un argomento plausibile, l'ipotesi della contrazione fu presto considerata come puramente ad hoc. È importante anche che questa contrazione influenzasse soltanto lo spazio tra gli elettroni ma non gli elettroni stessi, perciò per questo effetto fu usato talvolta il nome "ipotesi intramolecolari". La cosiddetta contrazione delle lunghezze senza espansione perpendicolare alla linea del movimento e per il valore preciso (dove l0 è la lunghezza in quiete nell'etere) fu data da Larmor nel 1897 e da Lorentz nel 1904. Nello stesso anno Lorentz sostenne inoltre che anche gli elettroni stessi sono influenzati da questa contrazione.Miller (1981), 70-75, Per l'ulteriore sviluppo di questo concetto vedi la sezione #Trasformazione di Lorentz.Lorentz (1904b)

Tempo locale Una parte importante del teorema degli stati corrispondenti nel 1892 e nel 1895 era il tempo locale , dove t è la coordinata temporale per un osservatore in quiete nell'etere, e t è la coordinata temporale per un osservatore in movimento nell'etere. (Woldemar Voigt aveva usato precedentemente la stessa espressione per il tempo locale nel 1887 in collegamento all'effetto Doppler e a un mezzo incomprimibile.) Con l'aiuto di questo concetto Lorentz poté spiegare l'aberrazione della luce, l'effetto Doppler e l'esperimento Fizeau (cioè le misure del coefficiente di trascinamento di Fresnel da parte di Hippolyte Fizeau) anche nei liquidi in movimento e in quiete. Sebbene per Lorentz la contrazione delle lunghezze fosse un effetto fisico reale, egli considerava la trasformazione temporale solo un'ipotesi di lavoro euristica e una clausola matematica per semplificare il calcolo da un sistema in quiete a un sistema "fittizio" in movimento. Contrariamente a Lorentz, Poincaré vedeva più di un trucco matematico nella definizione di tempo locale, che chiamava l'"idea più ingegnosa" di Lorentz.Poincaré (1904); Poincaré (1905a), cap. 8 In The Measure of Time egli scrisse nel 1898:Poincaré (1898); Poincaré (1905a), cap. 2

Nel 1900 Poincaré interpretò il tempo locale come il risultato di una procedura di sincronizzazione basata sui segnali luminosi. Egli assunse che 2 osservatori A e B che si stanno muovendo nell'etere, sincronizzino i loro orologi mediante segnali ottici. Poiché credono di essere in quiete devono considerare soltanto la trasmissione temporale dei segnali e poi incrociare le loro osservazioni per esaminare se i loro orologi sono sincroni. Tuttavia, dal punto di vista di un osservatore in quiete nell'etere gli orologi non sono sincroni e indicano il tempo locale . Ma poiché gli osservatori in movimento non sanno niente del loro movimento, essi non riconoscono questo.Poincaré (1900b) Nel 1904 egli illustrò la stessa procedura nel modo seguente: A manda un segnale al tempo 0 a B, che arriva al tempo t. Anche B manda un segnale al tempo 0 ad A, che arriva al tempo t. Se in entrambi i casi t ha lo stesso valore gli orologi sono sincroni, ma soltanto nel sistema in cui gli orologi sono in quiete nell'etere. Così secondo DarrigolDarrigol (2005), 10-11 Poincaré intendeva il tempo locale come un effetto fisico proprio come la contrazione delle lunghezze - al contrario di Lorentz, che usò la stessa interpretazione non prima del 1906. Tuttavia, contrariamente ad Einstein, che in seguito usò una procedura di sincronizzazione simile che fu chiamata sincronizzazione di Einstein, Darrigol dice che Poincaré aveva l'opinione che gli orologi in quiete nell'etere stanno mostrando il tempo vero.

Tuttavia, all'inizio non si sapeva che il tempo locale include quella che è ora nota come dilatazione del tempo. Questo effetto fu notato per la prima volta da Larmor (1897), che scrisse che "i singoli elettroni descrivono parti corrispondenti delle loro orbite in tempi più brevi per il sistema [dell'etere] nel rapporto or ". E nel 1899Lorentz (1899) anche Lorentz notò per la frequenza degli elettroni oscillanti "che in S il tempo delle vibrazioni è volte più grande che in S0", dove S0 è il sistema dell'etere, S il sistema matematico fittizio dell'osservatore in movimento, k = , ed è un fattore indeterminato.Janssen (1995), cap. 3.5.4

Trasformazione di Lorentz