Хендрик Антон Лоренц ( / ˈ l ɒr ən t s / ; 18 июля 1853 — 4 февраля 1928) — голландский физик , разделивший Нобелевскую премию по физике 1902 года с Питером Зееманом за открытие и теоретическое объяснение эффекта Зеемана . Он вывел преобразование Лоренца специальной теории относительности , а также силу Лоренца , которая описывает совокупность электрических и магнитных сил, действующих на заряженную частицу в электромагнитном поле . Лоренц также был ответственным за модель осциллятора Лоренца , классическую модель, используемую для описания аномальной дисперсии, наблюдаемой в диэлектрических материалах, когда частота возбуждения электрического поля была близка к резонансной частоте, что приводило к аномальным показателям преломления.
Согласно биографии, опубликованной Нобелевским фондом , «можно сказать, что Лоренц рассматривался всеми физиками-теоретиками как ведущий мировой ум, который завершил то, что осталось незавершенным его предшественниками, и подготовил почву для плодотворного восприятия новых идей». идеи, основанные на квантовой теории ». [2] Он получил множество других наград и отличий, в том числе должность председателя Международного комитета по интеллектуальному сотрудничеству , [3] предшественника ЮНЕСКО , между 1925 и 1928 годами.
Хендрик Лоренц родился в Арнеме , Гелдерланд , Нидерланды , в семье Геррита Фредерика Лоренца (1822–1893), зажиточного садовода, и Гертруды ван Гинкель (1826–1861). В 1862 году, после смерти матери, его отец женился на Луберте Хупкес. Несмотря на то, что он был протестантом, он был вольнодумцем в религиозных вопросах и регулярно посещал католическую мессу в своей местной французской церкви. [B 1] С 1866 по 1869 год он посещал « Hogere Burgerschool » в Арнеме, государственную среднюю школу нового типа, недавно основанную Йоханом Рудольфом Торбеке . Его результаты в школе были образцовыми; он преуспел не только в физических науках и математике, но также в английском, французском и немецком языках. В 1870 году он сдал экзамены по классическим языкам , необходимые тогда для поступления в университет. [БИ 2]
Лоренц изучал физику и математику в Лейденском университете , где на него сильно повлияло учение профессора астрономии Фредерика Кайзера ; именно его влияние привело его к тому, что он стал физиком. Получив степень бакалавра , он вернулся в Арнем в 1871 году, чтобы преподавать математику в вечерней школе, но продолжил учебу в Лейдене в дополнение к своей преподавательской должности. В 1875 году Лоренц получил докторскую степень под руководством Питера Рийке за диссертацию под названием « Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht » (К теории отражения и преломления света), в которой он усовершенствовал электромагнитную теорию Джеймса Клерка Максвелла. . [Б 2] [4]
17 ноября 1877 года, когда ему было всего 24 года, Лоренц был назначен на недавно созданную кафедру теоретической физики в Лейденском университете . Позиция первоначально была предложена Йохану ван дер Ваальсу , но он принял должность в Университете ван Амстердама . [B 2] 25 января 1878 года Лоренц прочитал свою вступительную лекцию на тему « De moleculaire theoriën in de natuurkunde » (Молекулярные теории в физике). В 1881 году он стал членом Королевской Нидерландской академии искусств и наук . [5]
В течение первых двадцати лет пребывания в Лейдене Лоренц в первую очередь интересовался электромагнитной теорией электричества, магнетизма и света. После этого он расширил свои исследования на гораздо более широкую область, по-прежнему сосредоточив внимание на теоретической физике. Лоренц внес значительный вклад в различные области - от гидродинамики до общей теории относительности . Его наиболее важные вклады были в области электромагнетизма, электронной теории и теории относительности. [БИ 2]
Лоренц предположил, что атомы могут состоять из заряженных частиц, и предположил, что колебания этих заряженных частиц являются источником света. Когда коллега и бывший ученик Лоренца Питер Зееман открыл эффект Зеемана в 1896 году, Лоренц предложил его теоретическую интерпретацию. Экспериментальные и теоретические работы были удостоены Нобелевской премии по физике в 1902 году. Имя Лоренца теперь связано с уравнением Лоренца–Лоренца , силой Лоренца , лоренцевым распределением , моделью осциллятора Лоренца и преобразованием Лоренца .
В 1892 и 1895 годах Лоренц работал над описанием электромагнитных явлений (распространения света) в системах отсчета, движущихся относительно постулируемого светоносного эфира . [6] [7] Он обнаружил, что переход от одной системы отсчета к другой можно упростить, используя новую переменную времени, которую он назвал местным временем и которая зависела от всемирного времени и рассматриваемого местоположения. Хотя Лоренц не дал детальной интерпретации физического значения местного времени, с его помощью он смог объяснить аберрацию света и результат эксперимента Физо . В 1900 и 1904 годах Анри Пуанкаре назвал местное время «самой гениальной идеей Лоренца» и проиллюстрировал ее, показав, что часы в движущихся системах отсчета синхронизируются путем обмена световыми сигналами, которые, как предполагается, движутся с одинаковой скоростью против движения системы и вместе с ним . 8] [9] (см. Эйнштейновская синхронизация и Относительность одновременности ). В 1892 году, пытаясь объяснить эксперимент Майкельсона-Морли , Лоренц также предположил, что движущиеся тела сжимаются в направлении движения (см. сокращение длины ; Джордж Фитцджеральд уже пришел к этому выводу в 1889 году). [10]
В 1899 и 1904 годах Лоренц добавил к своим преобразованиям замедление времени и опубликовал то, что Пуанкаре в 1905 году назвал преобразованиями Лоренца . [11] [12]
Лоренц, очевидно, не знал, что Джозеф Лармор использовал идентичные преобразования для описания вращающихся по орбитам электронов в 1897 году. Уравнения Лармора и Лоренца выглядят несколько непохожими, но они алгебраически эквивалентны уравнениям, представленным Пуанкаре и Эйнштейном в 1905 году. [B 3] Статья Лоренца 1904 года. включает ковариантную формулировку электродинамики, в которой электродинамические явления в разных системах отсчета описываются одинаковыми уравнениями с четко определенными трансформационными свойствами. В статье ясно признается значение этой формулировки, а именно то, что результаты электродинамических экспериментов не зависят от относительного движения системы отсчета. Статья 1904 года включает подробное обсуждение увеличения инерционной массы быстро движущихся объектов в бесполезной попытке представить импульс точно таким же, как ньютоновский импульс; это также была попытка объяснить сокращение длины накоплением «вещества» на массе, заставляющим ее замедляться и сжиматься.
В 1905 году Эйнштейн использовал многие концепции, математические инструменты и результаты, обсуждавшиеся Лоренцем, для написания своей статьи под названием « Об электродинамике движущихся тел », [13] , известной сегодня как специальная теория относительности. Поскольку Лоренц заложил основы работы Эйнштейна, эта теория первоначально называлась теорией Лоренца–Эйнштейна . [Б 4]
В 1906 году электронная теория Лоренца получила полноценное изложение в его лекциях в Колумбийском университете , опубликованных под названием «Теория электронов».
Увеличение массы было первым предсказанием Лоренца и Эйнштейна, которое было проверено, но некоторые эксперименты Кауфмана, похоже , показали несколько иное увеличение массы; это привело Лоренца к знаменитому замечанию о том, что он был «au bout de mon latin» («на исходе моих [знаний] латыни» = в конце своего ума) [14]. Подтверждения его предсказания пришлось ждать до 1908 года, и позже (см. эксперименты Кауфмана-Бюхерера-Неймана ).
Лоренц опубликовал серию статей, посвященных тому, что он назвал «принципом относительности Эйнштейна». Например, в 1909 г., [15] [ проверка не удалась ] 1910 г., [16] [17] 1914 г. [18] В своих лекциях 1906 г., опубликованных с дополнениями в 1909 г. в книге «Теория электронов» (обновленной в 1915 г.), он положительно отзывался о теории Эйнштейна: [15]
Из сказанного будет ясно, что впечатления, полученные двумя наблюдателями А0 и А, будут во всех отношениях одинаковыми. Было бы невозможно решить, какой из них движется или стоит на месте относительно эфира, и не было бы никаких оснований предпочитать времена и длины, измеренные одним, тем, которые определяются другим, или говорить, что любой из них является обладая «истинными» временами или «истинными» длинами. Это момент, на котором Эйнштейн уделял особое внимание: в теории, в которой он исходит из того, что он называет принципом относительности, я не могу говорить здесь о многих очень интересных применениях, которые Эйнштейн сделал на основе этого принципа. Его результаты, касающиеся электромагнитных и оптических явлений, в основном согласуются с теми, которые мы получили на предыдущих страницах, с главным отличием в том, что Эйнштейн просто постулирует то, что мы вывели с некоторыми трудностями и не совсем удовлетворительно из фундаментальных уравнений электромагнитного поля. поле. Поступая так, он, безусловно, может поставить себе в заслугу то, что заставил нас увидеть в отрицательных результатах экспериментов, подобных экспериментам Майкельсона, Рэлея и Брейса, не случайную компенсацию противоположных эффектов, а проявление общего и фундаментального принципа. Было бы несправедливо не добавить, что, помимо поразительной смелости исходной точки, теория Эйнштейна имеет еще одно заметное преимущество перед моей. Если мне не удалось получить для уравнений, относящихся к движущимся осям, точно такой же вид, как для уравнений, применимых к стационарной системе, то Эйнштейн достиг этого с помощью системы новых переменных, несколько отличающихся от тех, которые я ввел.
Хотя Лоренц по-прежнему утверждал, что существует (необнаружимый) эфир, в котором покоящиеся часы показывают «истинное время»:
1909: Тем не менее, я думаю, что можно также кое-что утверждать в пользу той формы, в которой я изложил теорию. Я не могу не рассматривать эфир, который может быть вместилищем электромагнитного поля с его энергией и вибрациями, как наделенный определенной степенью субстанциональности, как бы он ни отличался от всей обычной материи. [15]
1910: При условии, что существует эфир, то во всех системах x, y, z, t одна предпочтительнее, поскольку оси координат, а также часы покоятся в эфире. Если с этим соединить идею (от которой я бы отказался лишь с неохотой), что пространство и время — это совершенно разные вещи и что существует «истинное время» (одновременность, таким образом, была бы независима от местоположения, что согласуется с тем обстоятельством, что мы могут иметь представление о бесконечно больших скоростях), то легко видеть, что это истинное время должно указываться покоящимися в эфире часами. Однако, если бы принцип относительности имел общую силу по своей природе, никто не был бы в состоянии определить, является ли только что использованная система отсчета предпочтительной. Тогда мы приходим к тем же результатам, как если бы (вслед за Эйнштейном и Минковским) отрицали существование эфира и истинного времени и считали все системы отсчета одинаково действительными. Какому из этих двух способов мышления следовать, конечно, можно оставить на усмотрение человека. [16]
Лоренц также высоко оценил вклад Пуанкаре в теорию относительности. [19]
Действительно, для некоторых физических величин, входящих в формулы, я не указал наиболее подходящее преобразование. Это сделал Пуанкаре, а затем Эйнштейн и Минковский. Мне не удалось добиться точной инвариантности уравнений. Пуанкаре, напротив, добился полной инвариантности уравнений электродинамики и сформулировал «постулат относительности» — термины, которые он использовал первым. Добавим, что, исправляя недостатки моей работы, он ни разу не упрекнул меня в них.
Лоренц был одним из немногих ученых, которые с самого начала поддерживали поиски Эйнштейном общей теории относительности – он написал несколько научных статей и беседовал с Эйнштейном лично и в письмах. [B 5] Например, он попытался объединить формализм Эйнштейна с принципом Гамильтона (1915), [20] и переформулировать его в бескоординатном виде (1916). [21] [B 6] Лоренц писал в 1919 году: [22]
Полное затмение Солнца 29 мая привело к поразительному подтверждению новой теории универсальной силы притяжения гравитации, разработанной Альбертом Эйнштейном, и, таким образом, укрепило убежденность в том, что определение этой теории является одним из наиболее важных шагов, когда-либо существовавших. принято в области естествознания.
Осенью 1926 года Лоренц прочитал в Корнелльском университете серию лекций по новой квантовой механике ; в них он представил волновую механику Эрвина Шрёдингера . [23]
Эйнштейн писал о Лоренце:
1928: Огромное значение его работы заключалось в том, что она составляет основу теории атомов, а также общей и специальной теорий относительности. Специальная теория представляла собой более детальное изложение тех понятий, которые встречаются в исследованиях Лоренца 1895 года. [Б 7]
1953 год: Лично для меня он значил больше, чем все остальные, встреченные мной на жизненном пути. [Б 8]
Пуанкаре (1902) сказал о теории электродинамики Лоренца: [24]
Наиболее удовлетворительной теорией является теория Лоренца; это, несомненно, теория, которая лучше всего объясняет известные факты, та, которая выявляет наибольшее количество известных отношений. Именно благодаря Лоренцу связаны между собой результаты Физо по оптике движущихся тел, законам нормальной и аномальной дисперсии и поглощения. Посмотрите, с какой легкостью новое явление Зеемана нашло свое место и даже помогло Фарадею классифицировать магнитное вращение, что бросило вызов всем усилиям Максвелла .
Поль Ланжевен (1911) сказал о Лоренце: [B 9]
Главной претензией Лоренца на славу будет то, что он продемонстрировал, что фундаментальные уравнения электромагнетизма допускают также группу преобразований, позволяющую им восстанавливать ту же форму при переходе от одной системы отсчета к другой. Эта группа принципиально отличается от вышеуказанной группы в отношении трансформаций пространства и времени».
Лоренц и Эмиль Вихерт вели интересную переписку на темы электромагнетизма и теории относительности, и Лоренц объяснял свои идеи в письмах Вихерту. [Б 10]
Лоренц был председателем первой Сольвеевской конференции , состоявшейся в Брюсселе осенью 1911 года. Вскоре после конференции Пуанкаре написал эссе по квантовой физике, которое дает представление о статусе Лоренца в то время: [25]
В любой момент можно было услышать, как двадцать физиков из разных стран говорили о [квантовой механике], которую они противопоставляли старой механике. Что же представляла собой старая механика? Был ли это Ньютон, тот, который все еще безраздельно правил в конце девятнадцатого века? Нет, это была механика Лоренца, имеющая дело с принципом относительности; тот, который всего пять лет назад казался верхом смелости.
В 1910 году Лоренц решил устроить свою жизнь. Преподавательские и управленческие обязанности в Лейденском университете отнимали у него слишком много времени, оставляя мало времени для исследований. В 1912 году он ушел со своей кафедры теоретической физики и стал куратором «Кабинета физики» в музее Тейлера в Харлеме . Он оставался связанным с Лейденским университетом в качестве внешнего профессора, и его «утренние лекции по понедельникам» о новых достижениях в теоретической физике вскоре стали легендарными. [БИ 2]
Сначала Лоренц попросил Эйнштейна стать его преемником на посту профессора теоретической физики в Лейдене. Однако Эйнштейн не смог принять предложение, поскольку он только что принял должность в ETH Zurich . Эйнштейн не сожалел об этом, поскольку перспектива занять место Лоренца заставляла его дрожать. Вместо этого Лоренц назначил Пауля Эренфеста своим преемником на кафедре теоретической физики Лейденского университета, который основал Институт теоретической физики, который впоследствии стал известен как Институт Лоренца . [БИ 2]
После Первой мировой войны Лоренц был одной из движущих сил основания «Wetenschappelijke Commissie van Advies en Onderzoek in het Belang van Volkswelvaart en Weerbaarheid», комитета, который должен был использовать научный потенциал, объединенный в Королевской Нидерландской академии искусств. и науки (KNAW) для решения гражданских проблем, таких как нехватка продовольствия, возникшая в результате войны. Лоренц был назначен председателем комитета. Однако, несмотря на все усилия многих участников, комитет не добился большого успеха. Единственным исключением было то, что в конечном итоге это привело к созданию TNO, Нидерландской организации прикладных научных исследований . [БИ 2]
Правительство Нидерландов также попросило Лоренца возглавить комитет для расчета некоторых последствий предлагаемой дамбы для защиты от наводнений Афслуитдейк (Ограждающая плотина) на уровень воды в Ваддензее . В то время гидротехника была в основном эмпирической наукой, но нарушение приливного потока, вызванное Афслуитдейком, было настолько беспрецедентным, что эмпирическим правилам нельзя было доверять. Первоначально предполагалось, что Лоренц будет играть лишь координирующую роль в комитете, но быстро стало очевидно, что Лоренц был единственным физиком, который имел хоть какое-то фундаментальное мнение по этой проблеме. В период с 1918 по 1926 год Лоренц посвятил этой проблеме большую часть своего времени. [26] Лоренц предложил начать с основных гидродинамических уравнений движения и решить задачу численно. Это было осуществимо для « человека-компьютера » из-за квазиодномерной природы потока воды в Ваддензее . Афслуитдейк был завершен в 1932 году, и предсказания Лоренца и его комитета оказались удивительно точными. [B 11] [B 2] Один из двух комплектов замков в Афслуитдейке был назван в его честь.
В 1881 году Лоренц женился на Алетте Катарине Кайзер. Ее отцом был Дж. В. Кайзер, профессор Академии художеств. Он был директором музея, который впоследствии стал знаменитым Рейксмузеумом (Национальной галереей). Он также был дизайнером первых почтовых марок Нидерландов.
От этого брака родились две дочери и один сын.
Доктор Гертруида Луберта Лоренц , старшая дочь, была физиком. Она вышла замуж за профессора Вандера Йоханнеса де Хааса , который был директором криогенной лаборатории Лейденского университета. [27]
В январе 1928 года Лоренц серьезно заболел и вскоре умер, 4 февраля. [B 2] Уважение, с которым к нему относились в Нидерландах, видно из описания его похорон Оуэном Уиллансом Ричардсоном :
Похороны состоялись в Харлеме в полдень в пятницу, 10 февраля. Ровно в двенадцать часов государственная телеграфная и телефонная связь Голландии была приостановлена на три минуты в знак почтения к величайшему человеку, которого Нидерланды произвели на свет нашего времени. В нем приняли участие многие коллеги и выдающиеся физики из зарубежных стран. Президент сэр Эрнест Резерфорд представлял Королевское общество и произнес благодарственную речь у могилы.
- О. О. Ричардсон [B 12]
Уникальные кадры фильма 1928 года: похоронная процессия: за первой каретой следуют десять скорбящих, за ней следует карета с гробом, за которой, в свою очередь, следуют еще как минимум четыре кареты, проезжающие мимо толпы на Гроте Маркт в Харлеме от Зийлстраат до Smedestraat, а затем обратно через Grote Houtstraat в сторону Barteljorisstraat, по пути к Algemene Begraafplaats на Клеверлаане (северное кладбище Харлема), были оцифрованы на YouTube . [B 13] Среди прочих на похоронах присутствовали Альберт Эйнштейн и Мария Кюри . [28]
Лоренц считается одним из ярких представителей «Второго голландского золотого века», периода в несколько десятилетий, начиная с 1900 года, когда в Нидерландах процветали естественные науки. [БИ 2]
Ричардсон описывает Лоренца как:
Человек недюжинных интеллектуальных способностей. Несмотря на то, что он был погружен в собственное исследование текущего момента, ему всегда казалось, что он всегда в непосредственной близости от его разветвлений во всех уголках вселенной. Исключительная ясность его сочинений является ярким отражением его удивительных способностей в этом отношении. Он обладал и успешно использовал живость ума, необходимую для того, чтобы следить за взаимодействием дискуссии, проницательность, необходимую для извлечения тех утверждений, которые освещают реальные трудности, и мудрость, позволяющую вести дискуссию по плодотворным каналам, и он делал это так умело. что этот процесс был едва заметен. [Б 12]
М. Дж. Кляйн (1967) писал о репутации Лоренца в 1920-х годах:
В течение многих лет физики всегда жаждали «послушать, что скажет по этому поводу Лоренц», когда была выдвинута новая теория, и даже в семьдесят два года он их не разочаровал. [Б 14]
Помимо Нобелевской премии , Лоренц получил множество наград за свою выдающуюся работу. В 1905 году он был избран иностранным членом Королевского общества (ForMemRS) . [1] Общество наградило его медалью Рамфорда в 1908 году и медалью Копли в 1918 году . В 1912 году он был избран почётным членом Нидерландского химического общества . [29] Он был международным членом Американского философского общества в США. Национальная академия наук и Американская академия искусств и наук . [30] [31] [32]
{{citation}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)Мадам.
Кюри из Парижа;
... проф.
доктор
А. Эйнштейн из Берлина;
Хотя он вырос в протестантских кругах, в религиозных вопросах он был вольнодумцем;
он регулярно посещал местную французскую церковь, чтобы улучшить свой французский.