[论文解读] 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 3

一句话总结

本文研究了阿尔伯特·爱因斯坦对菲佐于1851年进行的水流管实验的智力参与，以及该实验在其发展狭义相对论过程中的作用。研究发现，尽管爱因斯坦在其1905年的论文中未引用菲佐的实验，但他后来承认该实验与恒星光行差一样，是其理论发展的关键影响因素。此外，自1907年起，他采纳了马克斯·劳厄基于相对论的菲涅尔拖拽系数推导，取代了其早期依赖洛伦兹1895年基于以太的推导。

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.

研究动机与目标

• 调查爱因斯坦为何在其1905年狭义相对论论文中未引用菲佐1851年水流管实验，尽管该实验在其智力发展中具有重要意义。
• 阐明爱因斯坦对菲涅尔拖拽系数理解的演变过程，从其1905年以前尝试将该实验与经典速度叠加相协调，到洛伦兹1895年基于以太的推导，再到劳厄1907年基于相对论的公式推导。
• 分析爱因斯坦本人的回忆，特别是1922年京都讲义笔记以及他与罗伯特·尚克兰的谈话，关于哪些实验对其理论影响最大。
• 解决历史谜题：为何对爱因斯坦至关重要的菲佐实验，却未被其1905年的奠基性论文所引用？
• 确立菲佐实验、洛伦兹理论与爱因斯坦最终采纳劳厄的相对论推导之间的智力连续性。

提出的方法

• 分析原始资料，包括爱因斯坦1922年京都讲义笔记及其与罗伯特·尚克兰在1950年代的谈话。
• 考察洛伦兹1895年对菲涅尔拖拽系数的推导，该推导早于电磁理论，基于静止以太和电子理论。
• 将洛伦兹1895年的推导与马克斯·劳厄1907年基于相对论速度叠加定理的推导进行比较。
• 重建爱因斯坦的智力发展轨迹，重点关注其1905年以前尝试将菲佐实验与经典速度叠加相协调的过程。
• 利用档案资料和已发表的回忆录，追踪爱因斯坦对实验意义理解的演变过程。
• 对照爱因斯坦关于具有影响力实验（尤其是恒星光行差和菲佐实验）的陈述，与他的已发表著作和通信进行交叉验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何爱因斯坦虽在智力发展上极为重视菲佐1851年水流管实验，却在其1905年相对论论文中未予引用？
• RQ2 爱因斯坦对菲涅尔拖拽系数的理解，如何从其1905年以前的尝试，经由洛伦兹1895年的以太理论推导，最终演变为劳厄1907年的相对论推导？
• RQ3 考虑到爱因斯坦后来将菲佐实验视为关键影响因素，该实验结果在狭义相对论的形成过程中起到了何种作用？
• RQ4 为何爱因斯坦声称迈克耳孫-莫雷实验直到1905年以后才为他所知，而菲佐实验却是更早的影响因素？
• RQ5 洛伦兹1895年推导与劳厄1907年相对论推导在数学上等价，这一事实如何解释爱因斯坦最终采纳后者？

主要发现

• 爱因斯坦在其1905年相对论论文中未提及菲佐1851年水流管实验，尽管他后来表示该实验对其思想产生了重大影响。
• 在1905年之前，爱因斯坦曾试图用牛顿速度叠加原理解释菲佐实验，反映出其尚未形成相对论观念的早期理解。
• 1907年，马克斯·劳厄证明，菲涅尔拖拽系数可直接从相对论速度叠加定理推出，其推导在数学上等价，但概念上比洛伦兹1895年的方法更为连贯。
• 自1907年起，爱因斯坦采纳了劳厄的相对论推导，取代了其早期依赖以太理论的洛伦兹框架。
• 爱因斯坦本人的回忆表明，恒星光行差和菲佐实验是对其发展狭义相对论影响最大的两个实验结果。
• 本文通过揭示爱因斯坦对菲佐实验的智力参与是内在的且发生于1905年之前，从而解决了该实验未被1905年论文引用的历史悖论，因此在最终表述中无需特别引用。