[論文レビュー] Albert Einstein and the Fizeau 1851 Water Tube Experiment

Galina Weinstein|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2012

History and Developments in Astronomy参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、アインシュタインが1851年のフィゾーの水管実験にどのように関与し、それが相対性理論の発展に果たした役割を調査している。アインシュタインは1905年の論文ではフィゾーの実験を引用していなかったが、後にそれはスターリング・アブレーションと並んで主要な影響要因であったと認め、1907年以降にマックス・ラウエの相対論的導出を採用し、1895年のローレンツのエーテルに基づく導出から切り替えたことが明らかになった。

ABSTRACT

In 1895 Hendrik Antoon Lorentz derived the Fresnel dragging coefficient in his theory of immobile ether and electrons. This derivation did not explicitly involve electromagnetic theory at all. According to the 1922 Kyoto lecture notes, before 1905 Einstein tried to discuss Fizeau's experiment "as originally discussed by Lorentz" (in 1895). At this time he was still under the impression that the ordinary Newtonian law of addition of velocities was unproblematic. In 1907 Max Laue showed that the Fresnel dragging coefficient would follow from a straightforward application of the relativistic addition theorem of velocities. This derivation is mathematically equivalent to Lorentz's derivation of 1895. From 1907 onwards Einstein adopted Laue's derivation. When Robert Shankland asked Einstein how he had learned of the Michelson-Morley experiment, Einstein told him that he had become aware of it through the writings of Lorentz, but only after 1905 had it come to his attention. "Otherwise", he said, "I would have mentioned it in my paper". He continued to say that the experimental results which had influenced him most were stellar aberration and Fizeau's water tube experiment. "They were enough". Indeed the famous Michelson-Morley experiment is not mentioned in the 1905 relativity paper; but curiously Einstein did not mention Fizeau's experimental result either, and this is puzzling in light of the importance of the experiment in Einstein's pathway to his theory. In this paper I try to discuss this question.

研究の動機と目的

• アインシュタインが1905年の特殊相対性理論論文においてフィゾーの1851年水管実験を引用しなかった理由を、彼の知識的発展におけるその重要性にもかかわらず調査すること。
• アインシュタインがフレネルのドラッグ係数の理解を、1895年のローレンツのエーテルに基づく導出から1907年のラウエの相対論的定式化へとどのように進化させたかを明確にすること。
• アインシュタイン自身の回想、特に1922年の京都市講義録とロバート・シャンクランドとの会話から、彼の理論に最も影響を与えた実験が何かを分析すること。
• フィゾーの実験がアインシュタインにとって極めて重要であるにもかかわらず、彼の代表的1905年論文からなぜ省かれたのかという歴史的パズルを解明すること。
• フィゾーの実験、ローレンツの理論、そしてアインシュタインが最終的にラウエの相対論的導出を採用するまでの知的連続性を確立すること。

提案手法

• アインシュタインの1922年京都市講義録と1950年代のロバート・シャンクランドとの会話といった一次資料の分析。
• 電磁気学的理論の前触れであったが、静止エーテルと電子論に基づく1895年のローレンツによるフレネルドラッグ係数の導出の検証。
• ローレンツの1895年の導出と、相対論的速度加法則を用いたマックス・ラウエの1907年の相対論的導出との比較。
• 1905年以前のアインシュタインがニュートン的速度加法を用いてフィゾーの実験を解釈しようとした試みに焦点を当て、彼の知識的発展の歴史的再構築。
• アーカイブ資料と公表された回想記録を用いて、アインシュタインが実験の重要性をどのように理解を深めていったかを追跡すること。
• アインシュタイン自身が影響を与えた実験（特にスターリング・アブレーションとフィゾーの実験）についての発言を、彼の出版物や手紙と照合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アインシュタインが1905年の特殊相対性理論論文でフィゾーの1851年水管実験を引用しなかったのは、彼の知識的発展においてその実験が中心的役割を果たしていたにもかかわらず、なぜか？
• RQ2 アインシュタインが1905年以前の試みから、ローレンツの1895年エーテルに基づく導出、そしてラウエの1907年の相対論的導出へとフレネルのドラッグ係数の理解をどのように進化させたか？
• RQ3 アインシュタイン自身が後でその実験を理論形成における主要な影響要因と認めているにもかかわらず、フィゾーの実験結果が特殊相対性理論の構築に果たした役割は何か？
• RQ4 アインシュタインがマイケルソン＝モーリー実験は1905年以降に知ったと主張している一方で、フィゾーの実験はそれ以前の影響であったのはなぜか？
• RQ5 ローレンツの1895年導出とラウエの1907年相対論的導出の数学的同等性が、なぜアインシュタインが最終的に後者を採用したかを説明できるか？

主な発見

• アインシュタインは1905年の相対性理論論文においてフィゾーの1851年水管実験を一切言及していなかったが、後にそれが彼の思考に大きな影響を与えたと述べている。
• 1905年以前、アインシュタインはニュートン的速度加法を用いてフィゾーの実験を解釈しようとしており、これは彼の相対論的でない理解を反映している。
• 1907年、マックス・ラウエはフレネルのドラッグ係数が相対論的速度加法則から直接導かれることが示され、ローレンツの1895年アプローチよりも数学的に同等でありながら、概念的により整合性のある導出を提供した。
• 1907年以降、アインシュタインはラウエの相対論的導出を採用し、以前のエーテルに基づくローレンツの枠組みから切り替えた。
• アインシュタイン自身の回想によれば、スターリング・アブレーションとフィゾーの実験が、特殊相対性理論の発展において最も影響力があった実験であった。
• 本論文は、1905年の論文からフィゾーの実験が省かれたという歴史的パラドックスを解消し、アインシュタインがその実験を1905年以前に内省的に関与しており、最終的定式化においては引用の必要がないと判断したことを示している。