Poincarés Spezielle Relativitätstheorie Teil 1: Entdeckung der Lorentz-Gruppe

|Autor: Jin Xiaofeng

(Fakultät für Physik, Universität Fudan)

Dieser Artikel stammt aus der 3. Ausgabe von Physics im Jahr 2022

„Ist das nicht ein weiterer Clickbait-Titel? Wir haben nur von Einsteins spezieller Relativitätstheorie gehört und noch nie von Poincarés spezieller Relativitätstheorie!“ Es ist nicht überraschend, dass Menschen innerhalb und außerhalb der Physikerkreise die gleichen Zweifel haben. Das hätte sogar ich gedacht, wenn ich einen solchen Titel vor anderthalb Jahren gesehen hätte. Wie kam es also zu dieser 180-Grad-Wende?

Der Grund ist einfach. Die folgenden beiden Bücher, insbesondere das zweite, haben meine ursprüngliche Vorstellung völlig verändert: (1) O. Darrigols Electrodynamics from Ampere to Einstein [1], (2) AA Logunovs Henri Poincare and the Theory of Relativity [2].

Das erstgenannte Buch und seine Referenzen bieten eine relativ detaillierte Einführung in die frühen historischen Beiträge von Poincaré (Abbildung 1) zur speziellen Relativitätstheorie (vor 1905); Letzteres Buch, insbesondere Logunovs Einführung zu Poincarés Originalartikel (Abbildung 2)[3], beweist überzeugend, dass Poincaré im Jahr 1905 alle grundlegenden Inhalte der speziellen Relativitätstheorie vollständig etabliert hatte.

Abbildung 1 Henri Poincaré (1854-1912)

Genau aufgrund dieses Wandels wurde der Bericht „Der Weg zur speziellen Relativitätstheorie – eine verspätete Hommage an Henri Poincaré“ am 16. Oktober 2020 im Mittagstisch für Lehrkräfte der Fakultät für Physik der Universität Fudan vorgestellt. Da die Plattform „Kouxiang Science“ online live gestreamt wurde[4], ging im Anschluss an das Treffen neben den Diskussionen vor Ort eine Menge Feedback ein. Einer von ihnen schlug vor, den mündlichen Bericht in einen schriftlichen Text umzuwandeln und offiziell in einer chinesischen Zeitschrift zu veröffentlichen. Aufgrund der Komplexität und Sensibilität des Themas ist die Übertragung mündlicher Berichte in schriftliche Sprache jedoch mit viel Arbeit verbunden. Nach über einem Jahr des Zögerns habe ich mich schließlich dazu entschlossen, mir die Zeit zu nehmen, es aufzuschreiben, damit meine Kollegen es kritisieren und korrigieren konnten. Als Zusammenfassung dieses Beitrags wurde direkt die für den mündlichen Vortrag vor einem Jahr erstellte Zusammenfassung verwendet, wobei der letzte Satz hinzugefügt wurde.

Abbildung 2 Logunovs Buch „Über die Artikel von Henri Poincaré“ „Über die Dynamik des Elektrons“ ist eine Einführung in Poincarés Originalartikel

Im Jahr 1921 sagte der damals 21-jährige Pauli im Eröffnungskapitel seines berühmten Buches „Die Relativitätstheorie“, „Historischer Hintergrund (Lorentz, Poincaré, Einstein)“[5]:

Wir kommen nun zu den Beiträgen von Lorentz, Poincaré und Einstein, die die Argumentation und Entwicklung der Relativitätstheorie enthalten. Lorentz war chronologisch der Erste und bewies die Kovarianz der passiven Maxwell-Gleichungen unter den folgenden Koordinatentransformationen:

(Anmerkung des Autors: Hier ist l eine Funktion von v, l (v)) …Wir sollten betonen, dass Lorentz das Relativitätsprinzip unbekannt war. Einige Mängel, die Lorentz‘ Arbeit hinterlassen hatte, wurden von Poincaré behoben. Poincaré erklärte, das Relativitätsprinzip sei universell und streng gültig. ...Er korrigierte außerdem die Fehler in der Lorentz-Formel in Bezug auf Ladungsdichte und elektrischen Strom und erhielt dadurch die vollständige Kovarianz der aktiven Maxwell-Gleichungen. ...Letztendlich war es Einstein, der die grundlegende theoretische Konstruktion dieses neuen Feldes vollendete... Sein Artikel von 1905 enthielt nicht nur die wichtigsten Ergebnisse der beiden vorhergehenden, sondern demonstrierte auch ein völlig neues und viel tieferes Verständnis des gesamten Problems. „

Im Jahr 1955 schrieb der damals 55-jährige Pauli zum 50. Jahrestag der Geburt der Relativitätstheorie einen kurzen Artikel mit dem Titel „Relativität und Wissenschaft“[6], in dem er sagte:

Die spezielle Relativitätstheorie ist eng mit dem mathematischen Konzept der Gruppe verbunden, das, wenn auch in der Mechanik von Galileo und Newton nur angedeutet, heute durch experimentelle Fakten fest etabliert ist. ... Die Entwicklung der Elektrodynamik im 19. Jahrhundert endete mit einem Satz partieller Differentialgleichungen von Maxwell und Lorentz. Es ist offensichtlich, dass dieser Gleichungssatz nicht die Symmetrie der vorherigen klassischen mechanischen Gruppe aufweist ... Die Frage ist nun: Ist die Behauptung, dass die Naturgesetze Gruppensymmetrien aufweisen, nur eine ungefähre Eigenschaft und muss aufgegeben werden, oder ist die klassische mechanische Gruppe vielleicht nur ungefähr gültig und sollte durch eine allgemeinere Gruppe ersetzt werden, die sowohl für die klassische Mechanik als auch für die Elektrodynamik gültig ist? Die endgültige Entscheidung tendiert zur zweiten Option. Diese Hypothese kann sein. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen. Eine besteht darin, rein mathematische Methoden zu verwenden, um zu untersuchen, welche die allgemeinste Gruppe von Transformationen ist, die durch die Kovarianz der Maxwell-Lorentz-Gleichungen erfüllt wird. Dies ist der Weg des Mathematikers Poincaré. Die andere besteht darin, durch kritische Analyse die physikalischen Annahmen zu bestimmen, die zu der von Galileo und Newton übernommenen speziellen Gruppe der Mechanik geführt haben. Dies ist der Weg Einsteins. ... Sowohl Einstein als auch Poincaré stützten ihre Ergebnisse auf die früheren Arbeiten von Lorentz, der dem Endergebnis zwar recht nahe gekommen war, es aber nicht wirklich erreichte. Aus den unabhängigen, unterschiedlichen Wegen Einsteins und Poincarés wurde mir die Verbindung zwischen der mathematischen Methode und dem Gedankenexperiment (basierend auf den grundlegenden Merkmalen der physikalischen Erfahrung) klar. Die tiefere Bedeutung der Harmonie zwischen beiden.“

Es ist wichtig oder zumindest bemerkenswert, die beiden obigen Absätze zu vergleichen, in denen Pauli im Alter von 21 und 55 Jahren unterschiedliche Einschätzungen desselben Ereignisses verfasste. Offensichtlich stellte er zuvor Poincaré auf eine Stufe mit Lorentz und hob Einsteins Beitrag hervor; später stellte er Poincaré auf eine Stufe mit Einstein und wies darauf hin, dass beide auf den früheren Arbeiten von Lorentz basierten, aber über zwei unterschiedliche Wege zum selben Ziel der speziellen Relativitätstheorie gelangten (Abbildung 3). Einsteins spezielle Relativitätstheorie ist weithin bekannt, Poincarés spezielle Relativitätstheorie hingegen weniger. Es hinterlässt bei manchen sogar die Illusion, dass es ohne Einstein keine Entstehung der speziellen Relativitätstheorie gegeben hätte. Dies steht offensichtlich im Widerspruch zu den historischen Tatsachen. Daher ist es notwendig, mehr Menschen die spezielle Relativitätstheorie von Poincaré verständlich zu machen.

Abbildung 3 Ein Gruppenfoto von Lorentz, Poincaré und Einstein auf der ersten Solvay-Konferenz im Jahr 1911

Eine Frage, die gestellt werden muss, lautet: Wenn Poincaré tatsächlich einen so großen Beitrag zur speziellen Relativitätstheorie geleistet hat, wie konnte sein Name dann aus so vielen modernen Lehrbüchern und Monographien zur Relativitätstheorie spurlos verschwinden? Natürlich muss der Autor neben der Einführung der speziellen Relativitätstheorie von Poincaré auch diese unvermeidliche Frage beantworten. Die Gründe für dieses Jahrhundertphänomen scheinen kompliziert und komplex zu sein, doch tatsächlich sind sie so einfach, dass sie in einem Satz zusammengefasst werden können: Tatsächlich war es nicht die Geschichte, die Poincaré einen Streich gespielt hat, im Gegenteil, es war Poincaré, der der Geschichte einen Streich gespielt hat! Als nächstes werden wir unser Bestes tun, um die ganze Geschichte in groben Zügen zu entschlüsseln und anhand der lebhaften „Witze“ von Poincaré seine einzigartige Art der Forschung und seine wissenschaftliche Philosophie zu würdigen und seinen edlen Charakter zu bewundern.

Weitere Einzelheiten finden Sie hier:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjYwNzM1Ng==&mid=2651692043&idx=1&sn=a176fd9ecbeb14c75b8005bdc2a0c785&ch ksm=bd1f98188a68110e5af06091aad9ef1065cbe2cf79ca297ddba803d70b7bc7d17e69d0933274&token=954467291&lang=zh_CN#rd

PDF-Lesung: http://www.wuli.ac.cn/

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