[論文レビュー] Does special relativity theory tell us anything new about space and time?

László E. Szabó|PhilSci-Archive (University of Pittsburgh)|Aug 8, 2003

Relativity and Gravitational Theory参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、特殊相対性理論が、相対論的以前のガリレオ力学にすでに示唆されていた内容を超えて、空間と時間に関する新たな知見をもたらさないことを主張している。代わりに、異なる幾何的構造を「時空」と呼ぶ用語の再定義を行うが、物理的予測はすべて保持される。主な貢献は、特殊相対性理論とローレンツ理論が物理的および数学的に同一であり、差異は語呂や解釈にのみあることを示している。実験的内容や時空の幾何的理解に差はない。

ABSTRACT

It will be shown that, in comparison with the pre-relativistic Galileo-invariant conceptions, special relativity tells us nothing new about the geometry of spacetime. It simply calls something else "spacetime", and this something else has different properties. All statements of special relativity about those features of reality that correspond to the original meaning of the terms "space" and "time" are identical with the corresponding traditional pre-relativistic statements. It will be also argued that special relativity and Lorentz theory are completely identical in both senses, as theories about spacetime and as theories about the behavior of moving physical objects.

研究の動機と目的

• 特殊相対性理論が空間と時間の本質に関する新たな知見をもたらすという広く信じられている信念に挑戦すること。
• 特殊相対性理論における時空の幾何的構造が、根本的に新しいものではなく、事前に存在する概念の再分類であることを示すこと。
• 特殊相対性理論とローレンツ理論の差が、物理的または理論的ではなく、語呂的であることを主張すること。
• 両理論が測定可能な物理現象について同一の予測をもたらすことを示すこと。
• 相対性原理とローレンツ共変性が、ヒューリスティックおよび実証的含意において同等であることを明確にすること。

提案手法

• 電磁場の用語が異なる2つの教科書（一方はE、他方はDを「電場強度」と呼ぶ）を比較する思考実験を用いて、異なるラベルが物理的差異を意味しないことを説明する。
• 両形式における方程式の数学的同等性を分析し、測定可能な量（試験電荷への力、影響電荷）の予測が同一であることを示す。
• 相対性原理とローレンツの原理の論理的分析を実施し、それらの形式的同等性を示し、エーテル仮説が両理論のフレームワークと実証的に区別できないことを示す。
• 形式的論理的構造を用いて、相対性原理（アインシュタインのもの）がエーテルを言及するローレンツの原理から導かれることを示し、エーテルの存在を含意しないことを示す。
• ローレンツ変換を根幹の数学的道具として用い、異なる慣性系における測定を関連付ける。両理論が同一の変換則に依存していることを示す。
• 操作主義的および便宜主義的科学哲学を用いて、用語や基準系の選択は便宜的であり、物理法則によって規定されないことを主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特殊相対性理論は、相対論的以前の物理学を超えて、空間と時間に関する新たな幾何的または物理的知見を提供するか？
• RQ2 ローレンツ理論とアインシュタインの特殊相対性理論は、どの程度実証的および数学的に同等であるか？
• RQ3 特殊相対性理論とローレンツ理論の差が、物理的内容ではなく語呂的差異に帰着できるか？
• RQ4 エーテルの概念は、実証的に確認されもせず否定されもしない以上、特殊相対性理論およびローレンツ理論から論理的に独立していると見なせるか？
• RQ5 電気磁気学における「電場強度」の定義が異なると、物理法則の解釈にどのような影響を及ぼすか。これにより、時空理論の解釈にどのような含意が生じるか？

主な発見

• 特殊相対性理論は、ガリレオ相対性理論に比べて時空の幾何学的性質について新たな情報を提供しない。代わりに、異なる幾何的構造についての用語を再定義しているにすぎない。
• Dを「電場強度」と呼ぶ新しい教科書が記述する理論は、古い教科書と矛盾しない。両者とも、力や影響電荷といった測定可能な量について同一の物理的結果を予測する。
• 異なる場の変数と用語を用いても、2つの教科書は同一の電気磁気学を記述しており、ラベル付けの慣習が物理的内容に変化をもたらさないことを証明する。
• ローレンツの原理とアインシュタインの相対性原理は論理的に同等である。相対性原理は、エーテルを言及するローレンツの原理から導かれるが、エーテルの存在を含意しない。
• エーテル仮説は、特殊相対性理論およびローレンツ理論から論理的に独立している。両理論はエーテルの存在を排除もせず、確認もしない。
• 両理論は、共通のローレンツ共変性と対称性原理を有するため、新しい物理法則の発見を導くヒューリスティックとして同等に有効である。