К истории специальной теории относительности.

Основы специальной теории относительности (с. т. о.) могут, естественно, изучаться лишь в ознакомительном плане. Исторический экскурс здесь играет первостепенную роль. Он дает возможность учащимся понять главное — необходимость такой теории. Учителю придется столкнуться с рядом методических трудностей при разъяснении в высшей степени абстрактных представлений. Не следует ожидать, что все будет усвоено. Важно вызвать интерес.
История с. т. о. изобилует сложными моментами. Чтобы идти прямым путем к цели, целесообразно вести рассказ в следующем плане. С.т.о. кристаллизовалась из попыток построить физическую теорию, которая давала бы возможность объяснить ряд оптических и электромагнитных явлений, вызванных относительным движением тел и дать возможность расчетов таких явлений.
Начало было положено в 1728 г., когда английский астроном Джемс Брадлей установил, что наблюдаемая с Земли звезда ?-Дракона описывает в течение года эллипс с большой полуосью приблизительно в 20". Брадлей предположил, что наблюдаемое движение обусловлено относительным движением Земли и звезды.
«Я догадался,— писал Брадлей,— что все упомянутые явления происходят от постепенного распространения света и голичного движения Земли по своей орбите. Ибо я видел, что если свет распространяется во времени, то кажущееся положение неподвижного предмета, когда глаз находится в покое, будет иное, чем когда он движется в направлении, уклоняющемся от линии, соединяющей предмет с глазом, и что когда глаз движется в различных направлениях, то и кажущиеся положения объекта будут различны».
Так началось изучение явления аберрации света, приведшее физику к первой проблеме оптики движущихся тел. Попытки решения этой проблемы породили длинную цепь исследований.
Явление аберрации непринужденно истолковывалось с корпускулярной точки зрения. Однако ситуация резко изменилась в начале XIX в., когда Т. Юнг начал плодотворное развитие волновой оптики. Естественно, возникла задача объяснить явление аберрации света с точки зрения волновой теории. Согласно теории Гюйгенса, свет — волновой процесс в эфире. Но тогда для объяснения аберрации нужно было решить принципиально новый вопрос: каково взаимоотношение эфира с движущимися в нем телами. Юнг дал первое объяснение, за ним пошла длинная цепь гипотез о свойствах эфира, его взаимоотношении с веществом. Прошло 150 лет.
В 1879 г. Максвеллу пришлось констатировать: «Теория движения эфира едва ли достаточно развита, чтобы позволить нам составить строго математическую теорию аберрации света, принимая в соображение движение эфира».
Явление аберрации открывало соблазнительную возможность «почувствовать» эфир с помощью оптического эксперимента. При корпускулярном объяснении аберрации Брадлеем и волновом объяснении Юнгом рассматривался простейший случай распространения световых корпускул или волн в вакууме. Но луч света, попадая в оптический прибор, проходит через границы раздела сред с разными оптическими свойствами. Араго поставил следующий принципиальный вопрос: как будут влиять преломляющие поверхности на аберрацию света.
Лишь в 1871 г. английский астроном Джордж Эйри (1801 — 1892), рискуя испортить большой гринвичский телескоп, наполнил его водой и повторил опыт Брадлея по наблюдению звезды ?-Дракона.
Измерение угла аберрации проводилось в благоприятный для наблюдений период. Однако опыт дал отрицательный результат: угол аберрации остался брадлеевским! Итак, опыты показали, что преломление света не оказывает никакого влияния на аберрацию.
В 1818 г. Араго написал Френелю письмо с предложением объяснить с волновой точки зрения факт отсутствия влияния движения Земли на преломление лучей звезд. Френель дал такое объяснение, предположив, что «эфир свободно проходит через земной шар и что скорость, сообщенная этой тонкой жидкости, представляет только небольшую часть скорости Земли, не превышая, примерно, одной сотой доли этой скорости».
Итак, океан эфира неподвижен. «Световое движение,— пишет Френель,— является не течением, а колебанием эфира». Но взаимодействие между эфиром и движущимися в нем. телами существует, хотя оно весьма слабо. В этом пункте идея Френеля выражена в весьма неопределенной форме.
В 1842 г. было открыто новое физическое явление, обусловленное относительным движением источника волн и их приемника. Австрийский физик Христиан Допплер (1803 — 1853) показал, что возможен общий подход к звуковым и световым явлениям, как волновым процессам. Он исходил из следующей идеи. Впечатления, которые получают глаз или ухо, не зависят от внутренних напряжений и периода звуковых и световых волн, а определяются интервалом времени, в течение которого они воздействуют на органы наблюдения. Отсюда следует, что цвет луча и высота тона, определяемые соответствующими частотами колебаний, должны изменяться при относительном движении источника волн и наблюдателя.
Допплер дал расчет изменения частоты колебаний, принимаемых акустическим или оптическим прибором при.его приближении или удалении от соответствующего источника или при одновременном сближении или удалении излучателя волн и приемника. Опыты со звуковыми волнами подтвердили теорию Допплера.
Но самым важным было применение теории к световым волнам. Допплер утверждал, что его теория дополняет учение об аберрации, открывая возможность определения не только направлений световых лучей, идущих от звезд, но и их длин волн. Он выражал уверенность в том, что в недалеком будущем астрономы воспользуются его результатами для определения движения и расстояний до далеких светил, имеющих малый параллактический угол.
Особенный успех имело открытие Допплера у астрономов. В 1847 г. появилось два мемуара итальянского ученого П. Сестини, посвященного анализу цветов звезд в связи с эффектом Допплера. Открытие спектрального анализа еще более возвысило «астрономическую ценность» нового принципа.
В 1868 г. Хэггинс с помощью спектроскопа большой разрешающей способности нашел согласное с принципом Допплера смещение D-линии в спектре Сириуса и аналогичное смещение в линиях D, принадлежащих спектру туманности в созвездии Ориона. Еще более впечатляющим было наблюдение Хэггинса 1871 г., обнаружившее различие в спектре краев Солнца, вызванное его вращением.
Тем не менее применимость принципа Допплера к оптическим явлениям продолжала вызывать сомнения. Устранить их мог только прямой оптический эксперимент в лабораторных условиях. Это была сложная проблема. Необходимо было достигнуть больших скоростей источника света или его изображения и иметь спектральную аппаратуру высокой разрешающей способности.
Проблема была убедительно решена замечательными опытами русского астрофизика А.А. Белопольского в самом конце XIX в.
Успехи применения принципа Допплера к астрофизике обострили интерес к физической теории, описывающей явления в движущихся телах. В 1865 г. Максвелл развил теорию электромагнитного поля. Световые волны рассматривались как электромагнитные волны в эфире. Однако в рамках этой теории невозможно было поставить проблемы, относящиеся к физическим явлениям в движущихся телах. Поэтому надежды связывались в первую очередь с экспериментальными исследованиями. Они велись и в оптике, и в электродинамике.
Среди множества экспериментов, связанных с теорией физических явлений в движущихся телах, особое значение приобрел опыт Майкельсона, описанный в учебнике. Отрицательный результат многочисленных попыток обнаружить движение Земли относительно Солнца с помощью тончайшего оптического эксперимента, придуманного Майкельсоном, послужил самым убедительным основанием для формулировки специального принципа относительности.
Первую теорию физических явлений в движущихся телах дал великий голландский физик Гендрик Антон Лоренц.

Лоренц родился в 1853 г. в голландском городе Арнеме. Родители его занимались садоводством и. земледелием. Хотя они не были людьми образованными, но тянулись к книгам и культуре. Шести лет мальчик был отдан в частную школу Тиммера — выдающегося педагога, автора учебников и научно-популярных книг по физике. Уже здесь Лоренц обнаруживает выдающиеся способности.
В 1866 г. юноша поступает в только что созданную Высшую гражданскую школу. Здесь Лоренцу снова повезло. Учителем физики в школе был Ван-дер-Стадт, блестящий лектор, автор учебников, переиздававшихся в Голландии более полувека. Уроки часто проводились на лоне природы, учащиеся вели дискуссии на разнообразные научные темы. Лоренц увлекается историей, литературой, философией, языками, однако предпочтение отдает физике и математике.
В 1870 г. Лоренца принимает Лейденский университет. О его необыкновенных способностях здесь было уже известно, и это обеспечило юноше свободу в выборе пути научного поиска.
Решающим событием, определившим магистральный путь ученого, бы ло знакомство с работами Максвелла. Преподаватели не могли ему помочь в овладении теорией Максвелла. Достаточно сказать, что в библиотеке Ло ренцу самому приходилось вскрывать пакеты с работами, которые никто не читал.            
В 1872 г., проучившись немногим более года, Лоренц блестяще сдал экзамен на степень магистра и вернулся в Арнем. Он выбирает лучший способ обучения — учит сам. Правда, учителю нет еще и 20 лет, мешает врожденная стеснительность, однако учащиеся покоряются сильному интеллекту У Лоренца остается много времени для творческой работы: он продолжает изучать Максвелла, экспериментирует в школьной и собственной домашней лаборатории, ищет свой путь в физике. Как раз в это время выходит «Трактат» Максвелла.
Лоренц — один из немногих — понимает содержание' «библии электричества». Более того, он видит слабые стороны новой теории и намечает пути ее развития. Свою программу он формулирует в докторской диссертации которую защищает в конце 1875 г. Хотя оппоненты вряд ли понимали содержание новых идей, молодой диссертант был удостоен высшей похвалы — magna cum laude.
Лоренц, наверно, сознавал, что создал новое и значительное, однако скромность его была столь велика, что он даже 'не посылал своих работ в центральные научные журналы. Только через два года сокращенный перевод его диссертации появляется в немецком журнале.
После защиты молодой доктор удаляется в родной Арнем, продолжает учительствовать и ведет интенсивную творческую работу.
В 1878 г. Лейденский университет один из первых в Европе учредил кафедру теоретической физики и предложил Лоренцу возглавить ее. Имя 25-летнего профессора становится широко, известным после публикации работ, содержавших идеи новой электродинамики, особенно его основополагающей работы «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах», вышедшей в 1896 г.
В 1897 г; Лоренц впервые принял участие в Международном конгрессе немецких естествоиспытателей и врачей. Известность Лоренца непрерывно росла и достигла своего апогея после объяснения эффекта Зеемана и создания эйнштейновской теории относительности. Он становится, не только непременным участником международных форумов выдающихся физиков, но и возглавляет их. Он свободно изъяснялся на нескольких языках, был блестящим педагогом и обладал редким дипломатическим талантом и объективностью.
В 1914 г. Лоренц оставил профессуру в Лейденском университете и развернул кипучую популяризаторскую и общественную деятельность. Он занимается реформой образования, созданием методики обучения, вопросами международного научного сотрудничества, председательствует в комитете по осушению залива Зюдер-Зео.
Лоренц глубоко интересовался физикой в России, был связан с выдающимися, русскими учеными. Об этом свидетельствует замечательный документ, одновременно раскрывающий Лоренца и как человека. После трагической кончины Петра Николаевича Лебедева Лоренц написал вдове ученого следующее:
Милостивая государыня!
Позвольте выразить Вам мое сердечное и искреннее соболезнование в тяжелой утрате, которую Вы понесли. G глубоким огорчением принял я известие об этом, так как кончина Вашего супруга означает невозместимую потерю для науки. Я считал его одним из первых и лучших физиков нашего времени и восхищался тем, как он в последний год при самых неблагоприятных условиях сумел поддержать в целости основанную им московскую школу и нашел возможности продолжить общую работу. Теперь я узнаю, что он делал все это с уже расстроенным здоровьем, принося свои последние силы в жертву поставленной перед собой прекрасной цели. Пусть дух его живет в его учениках и сотрудниках по работе, и пусть посеянные им семена принесут богатый плод!
Что касается меня, то я вечно буду помнить и чтить этого благородного человека И талантливого исследователя.
Теперь я очень сожалею, что не ответил на его письмо, которое получено мною несколько месяцев тому назад. Я хотел выждать до тех пор, пока получил бы возможность- высказаться более определенно по вопросу, о котором шла речь в этом письме. Если бы я знал о его болезни и если бы мог предполагать, что он так скоро нас покинет, я бы не преминул тот-час же выразить свое сочувствие к его намерениям и свое восхищение перед его выдержкой.

С совершенным уважением остаюсь преданный Вам
Г. А. Лоренц.

После Великой Октябрьской революции Лоренц внимательно следил за становлением советской физики и помогал нашим молодым ученым.
Умер Лоренц 4 февраля 1928 г. в Гарлеме.
Интересен отрывок из воспоминаний Эйнштейна, ярко рисующий облик Лоренца:
«Он легко и со спокойной уверенностью владел собой так же, как владел физикой и математическим аппаратом. Необычайное отсутствие у него человеческих слабостей не действовало унижающе на близких. Каждый чувствовал его превосходство, но оно никого не подавляло, потому что он всегда проявлял доброжелательность ко всем, хотя хорошо знал людей и человеческие отношения. Он был исключительно добросовестным, но не придавал какому-либо делу преувеличенного значения. От этого Лоренца предохранял тонкий юмор, который отражался и в его улыбке. Этому соответствовало и то, что, несмотря на всю преданность научному познанию, его все-таки пронизывало сознание невозможности до конца проникнуть в сущность вещей. Только в более зрелые годы я смог полностью оценить эту полускептическую, полупокорную точку зрения».

В основополагающем труде Лоренца «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах» самым важным результатом были знаменитые преобразования координат и времени, легшие в основу теории относительности Эйнштейна. Но Лоренц не дал им правильного истолкования. Он сохранил ньютоновское представление об абсолютном пространстве и абсолютном времени. Время t` в движущейся системе отсчета он правильно связал с временем t в неподвижной системе, написав . Однако он назвал его «местным временем», в противовес «всеобщему времени».
Естественно, что Лоренцу, не удалось построить последовательную теорию явлений в движущихся телах. Это сделал Эйнштейн.
После появления «Опыта» Г.А. Лоренца в физике произошли события, временно заслонившие проблемы электродинамики движущихся тел: открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона, динамики заряженных частиц, рождение квантовых представлений — это все в течение каких-нибудь пяти лет.
В то же время это был период пересмотра устоявшихся физических представлений. Именно в эти годы скромный служащий бюро патентов в небольшом швейцарском городе Берне Альберт Эйнштейн (1879 — 1955) резко меняет русло вековой дискуссии и формулирует новую программу.
Эйнштейн родился в Ульме на Дунае в 1879 г. В детстве он ничем не отличался от своих сверстников. Окончил кантонанальную школу в Аарау (Швейцария), в 1896 г. поступил, а в 1900 г. окончил Цюрихский политехникум, где слушал лекции Г. Минковского.
Получив права преподавателя физики и химии, он некоторое время был безработным, занимался репетиторством. Тогда же он опубликовал свою первую работу о капиллярных явлениях.
В 1902 г. Эйнштейн устраивается в патентное бюро в Берне, Работа заключалась в том, чтобы уловить суть изобретения и затем написать краткий реферат так, чтобы начальство смогло решить, заслуживает ли оно выдачи патента.
Здесь с 1902 по 1909 г. развертывается уникальная по плодотворности деятельность гения. За семь лет — коренное преобразование физического мышления. В эти годы Эйнштейн заложил основы современной физики.
Финал развития макроскопической электродинамики и одновременно старт теории относительности — в работе Эйнштейна 1905 г. «К электродинамике движущихся тел». Это было началом развития теории относительности, которая привела к революционным преобразованиям в физике.
Эйнштейн строит теорию на базе двух принципов. Первый — принцип относительности. О нем уже говорилось. Второй — принцип постоянства скорости света.
В основополагающей работе Эйнштейна он сформулирован так: свет в пустоте всегда распространяется с постоянной скоростью с, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Опираясь на эти два принципа, Эйнштейн дает физическое истолкование преобразованиям Лоренца. Поэтому последние справедливо называть преобразованиями Лоренца — Эйнштейна.
Хотя Эйнштейну удалось объяснить явления в движущихся телах, его теория долгое время встречала противодействие. Почти сорок лет понадобилось для того, чтобы она появилась на страницах учебников.
Многолетние споры шли по поводу истолкования смысла знаменитой формулы Эйнштейна Е = тс², которую он дал в работе 1909 г.

Методическое замечание. Рассказывая об истории с. т. о., необходимо напомнить принцип относительности Галилея и подчеркнуть, что специальный принцип относительности Эйнштейна представляет собой лишь обобщение принципа, сформулированного впервые Галилеем. Чтобы сделать это очевидным для учащихся, целесообразно провести следующее сравнение. «Корабль Галилея» и Земля, движущаяся относительно Солнца — инерциальные системы отсчета. Каюта внутри корабля и комната внутри любого дома на Земле — равноправные системы отсчета. Следует только указать, что, хотя движение Земли вокруг Солнца вращательное, из-за большой протяженности траектории это движение можно считать равномерным и прямолинейным.
Интерес учащихся может возбудить вопрос, касающийся второго постулата теории относительности, утверждающего, что скорость света постоянна во всех системах отсчета. Его необходимо дополнить утверждением, что скорость света является предельной скоростью движений. Сам Эйнштейн обосновал это утверждение следующим образом. Из закона взаимосвязи массы в энергии

                                      (1)

следует, что при приближении ? к с знаменатель в формуле (1) стремится к нулю, следовательно энергия тела стремится к бесконечности. Но для получения бесконечной энергии необходимо затратить бесконечную работу, что невозможно.
Галилей говорил о механических опытах. С их помощью невозможно определить, движется ли корабль прямолинейно и равномерно или находится в покое. А нельзя ли поставить опыт, с помощью которого можно обнаружить движение в космосе относительно Солнца? При этом надо напомнить, что движение Земли вокруг собственной оси можно обнаружить в комнате по наблюдению колебаний маятника, остановиться на опыте Фуко.
Далее следует рассказать о многолетних усилиях экспериментаторов решить поставленную проблему и отрицательных результатах множества опытов.
Необходимо подчеркнуть своеобразие ситуации. Обычно опыт ставится для подтверждения теории. Здесь же, наоборот, теория относительности подтверждается отрицательными результатами ряда опытов, в первую очередь опытом Майкельсона (последний в шутку называют величайшим из отрицательных экспериментов).