Хендрик Антон Лоренц ForMemRS ( / ˈ l ɒr ən t s / ; 18 июля 1853 — 4 февраля 1928) был голландским физиком , который разделил 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 объединенные электрические и магнитные силы, действующие на заряженную частицу в электромагнитном поле . Лоренц также был ответственен за модель осциллятора Лоренца , классическую модель, используемую для описания аномальной дисперсии, наблюдаемой в диэлектрических материалах, когда частота возбуждения электрического поля близка к резонансной частоте материала, что приводит к аномальным показателям преломления.
Согласно биографии, опубликованной Нобелевским фондом , «можно с уверенностью сказать, что Лоренц считался всеми физиками-теоретиками ведущим умом мира, который завершил то, что осталось незавершенным его предшественниками, и подготовил почву для плодотворного восприятия новых идей, основанных на квантовой теории ». [2] Он получил множество других почестей и отличий, включая срок полномочий председателя Международного комитета по интеллектуальному сотрудничеству , [3] предшественника ЮНЕСКО , между 1925 и 1928 годами. Он был отцом и научным руководителем Гертруды де Хаас-Лоренц .
Хендрик Лоренц родился в Арнеме , Гелдерланд , Нидерланды , в семье Геррита Фредерика Лоренца (1822–1893), состоятельного садовода, и Гертруды ван Гинкель (1826–1861). В 1862 году, после смерти матери, его отец женился на Люберте Хупкес. Несмотря на то, что он был воспитан как протестант, он был свободомыслящим 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, новый тип государственной средней школы, недавно основанной 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 , которые тогда требовались для поступления в университет. [Б 2]
Лоренц изучал физику и математику в Лейденском университете , где на него сильно повлияло преподавание 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 он продолжил свое обучение 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 » (О теории отражения и преломления света), в которой он усовершенствовал электромагнитную теорию Джеймса Клерка Максвелла . [B 2] [4]
17 ноября 1877 года, в возрасте всего 24 лет, Лоренц был назначен на недавно созданную кафедру теоретической физики в Лейденском университете . Первоначально эта должность была предложена Йохану ван дер Ваальсу , но он принял должность в Амстердамском университете . [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 в Лейдене Лоренц в первую очередь интересовался электромагнитной теорией электричества, магнетизмом и светом. После этого он расширил свои исследования на гораздо более широкую область, продолжая фокусироваться на теоретической физике. Лоренц внес значительный вклад в области от гидродинамики до общей теории относительности . Его наиболее важные вклады были в области электромагнетизма, электронной теории и теории относительности. [B 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 дал его теоретическую интерпретацию. Экспериментальная и теоретическая работа была отмечена Нобелевской премией по физике в 1902 году. Имя Лоренца теперь ассоциируется с уравнением Лоренца–Лоренца , силой Лоренца , распределением Лоренца , моделью осциллятора Лоренца и преобразованием Лоренца .
В 1892 и 1895 годах Лоренц работал над описанием электромагнитных явлений (распространение света) в системах отсчета, движущихся относительно постулируемого светоносного эфира . [6] [7] Он обнаружил, что переход из одной системы отсчета в другую можно упростить, используя новую временную переменную, которую он назвал местным временем и которая зависела от всемирного времени и рассматриваемого местоположения. Хотя Лоренц не дал подробной интерпретации физического значения местного времени, с его помощью он мог объяснить аберрацию света и результат эксперимента Физо . В 1900 и 1904 годах Анри Пуанкаре назвал локальное время «самой гениальной идеей» Лоренца и проиллюстрировал ее, показав, что часы в движущихся системах синхронизируются путем обмена световыми сигналами, которые, как предполагается, движутся с одинаковой скоростью против и с движением системы [8] [9] (см. Синхронизация Эйнштейна и Относительность одновременности ). В 1892 году, пытаясь объяснить эксперимент Майкельсона-Морли , Лоренц также предположил, что движущиеся тела сокращаются в направлении движения (см. сокращение длины ; Джордж Фицджеральд уже пришел к этому выводу в 1889 году). [10]
В 1899 и снова в 1904 годах Лоренц добавил к своим преобразованиям замедление времени и опубликовал то, что Пуанкаре в 1905 году назвал преобразованиями Лоренца . [11] [12]
Лоренц, по-видимому, не знал, что Джозеф Лармор использовал идентичные преобразования для описания орбитальных электронов в 1897 году. Уравнения Лармора и Лоренца выглядят несколько непохожими, но они алгебраически эквивалентны тем, которые представили Пуанкаре и Эйнштейн в 1905 году. [B 3] Статья Лоренца 1904 года включает ковариантную формулировку электродинамики, в которой электродинамические явления в различных системах отсчета описываются идентичными уравнениями с четко определенными свойствами преобразования. В статье четко признается важность этой формулировки, а именно то, что результаты электродинамических экспериментов не зависят от относительного движения системы отсчета. Статья 1904 года включает подробное обсуждение увеличения инертной массы быстро движущихся объектов в бесполезной попытке заставить импульс выглядеть в точности как ньютоновский импульс; это была также попытка объяснить сокращение длины как накопление «вещества» на массе, заставляющее ее замедляться и сокращаться.
_-_Titelpagina,_1919.jpg/1280px-Hendrik_Antoon_Lorentz_-_Lessen_over_theoretische_natuurkunde_-_I._Stralingstheorie_(1910-1911)_-_Titelpagina,_1919.jpg)
В 1905 году Эйнштейн использовал многие из концепций, математических инструментов и результатов, обсуждаемых Лоренцом, чтобы написать свою работу под названием « Об электродинамике движущихся тел » [13] , известную сегодня как специальная теория относительности. Поскольку Лоренц заложил основы для работы Эйнштейна, эта теория изначально называлась теорией Лоренца–Эйнштейна . [B 4]
В 1906 году электронная теория Лоренца получила полное 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 , по-видимому, показали несколько иное увеличение массы; это привело Лоренца к знаменитому замечанию, что он был «au bout de mon latin» («на пределе своих [знаний] латыни» = в тупике) [14]. Подтверждение его предсказания пришлось ждать до 1908 года и позже (см. эксперименты Кауфмана–Бухерера–Неймана ).
Лоренц опубликовал ряд статей, посвященных тому, что он называл «принципом относительности Эйнштейна». Например, в 1909, [15] [ неудачная проверка ] 1910, [16] [17] 1914. [18] В своих лекциях 1906 года, опубликованных с дополнениями в 1909 году в книге «Теория электронов» (обновленной в 1915 году), он высказался утвердительно о теории Эйнштейна: [15]
Из сказанного станет ясно, что впечатления, полученные двумя наблюдателями A0 и A, будут во всех отношениях одинаковыми. Было бы невозможно решить, кто из них движется или стоит на месте относительно эфира, и не было бы никаких оснований предпочитать времена и длины, измеренные одним, тем, которые определены другим, или говорить, что кто-либо из них обладает «истинными» временами или «истинными» длинами. Это момент, на котором Эйнштейн сделал особый акцент в теории, в которой он исходит из того, что он называет принципом относительности, я не могу здесь говорить о многих весьма интересных приложениях, которые Эйнштейн сделал из этого принципа. Его результаты, касающиеся электромагнитных и оптических явлений, в основном согласуются с теми, которые мы получили на предыдущих страницах, главное отличие состоит в том, что Эйнштейн просто постулирует то, что мы вывели, с некоторым трудом и не совсем удовлетворительно, из основных уравнений электромагнитного поля. Поступая так, он, безусловно, может поставить себе в заслугу то, что заставил нас увидеть в отрицательном результате 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 захватывающей смелости своей отправной точки, теория Эйнштейна имеет еще одно заметное преимущество перед моей. В то время как мне не удалось получить для уравнений, относящихся к движущимся осям, точно такую же форму, как и для уравнений, которые применяются к неподвижной системе, Эйнштейн добился этого посредством 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 кое-что можно также утверждать в пользу формы, в которой я представил теорию. Я не могу не рассматривать эфир, который может быть местом электромагнитного поля с его энергией и его колебаниями, как наделенный определенной степенью субстанциальности, как бы он ни отличался от всей обычной материи. [15]
1910: При условии, что есть эфир, то во всех системах x, y, z, t предпочтение отдается тому факту, что оси координат, а также часы покоятся в эфире. Если связать с этим идею (от которой я отказался бы лишь неохотно), что пространство и время — совершенно разные вещи, и что существует «истинное время» (одновременность, таким образом, не зависит от местоположения, в соответствии с тем обстоятельством, что мы можем иметь идею бесконечно больших скоростей), то можно легко увидеть, что это истинное время должно указываться часами, покоящимися в эфире. Однако если бы принцип относительности имел общую действительность в природе, то не было бы возможности определить, является ли только что использованная система отсчета предпочтительной. Тогда мы приходим к тем же результатам, как если бы мы (следуя Эйнштейну и Минковскому) отрицали существование эфира и истинного времени и считали все системы отсчета одинаково действительными. Какой из этих двух способов мышления мы используем, можно, конечно, оставить на усмотрение каждого. [16]
Лоренц также отдал должное вкладу Пуанкаре в теорию относительности. [19]
Действительно, для некоторых физических величин, входящих в формулы, я не указал преобразование, которое подходит лучше всего. Это сделал Пуанкаре, а затем г-н Эйнштейн и Минковский. Мне не удалось получить точную инвариантность уравнений. Пуанкаре, напротив, получил совершенную инвариантность уравнений электродинамики, и он сформулировал «постулат относительности», термины, которые он первым применил. Добавим, что, исправляя несовершенства моей работы, он никогда не упрекал меня за них.
Лоренц был одним из немногих ученых, которые поддерживали поиск Эйнштейном общей теории относительности с самого начала – он написал несколько исследовательских работ и обсуждал их с Эйнштейном лично и в письмах. [B 5] Например, он попытался объединить формализм Эйнштейна с принципом Гамильтона (1915), [20] и переформулировать его в бескоординатной форме (1916). [21] [B 6] Лоренц писал в 1919 году: [22]
Полное солнечное затмение 29 мая стало ярким подтверждением новой теории всемирного тяготения, разработанной Альбертом Эйнштейном, и тем самым укрепило убеждение в том, что определение этой теории является одним из важнейших шагов, когда-либо предпринятых в области естествознания.
Осенью 1926 года Лоренц прочитал серию лекций в Корнеллском университете по новой квантовой механике ; в них он представил волновую механику Эрвина Шредингера . [ 23]
Эйнштейн писал о Лоренце:
1928: Огромное значение его работы состояло в том, что она легла в основу теории атомов, общей и специальной теорий относительности. Специальная теория была более подробным изложением тех концепций, которые содержатся в исследованиях Лоренца 1895 года. [B 7]
1953: Лично для меня он значил больше, чем все остальные, кого я встречал на своем жизненном пути. [B 8]
Пуанкаре (1902) сказал о теории электродинамики Лоренца: [24]
Наиболее удовлетворительной является теория Лоренца; это, несомненно, теория, которая лучше всего объясняет известные факты, которая высвечивает наибольшее количество известных соотношений. Именно благодаря Лоренцу результаты Физо по оптике движущихся тел, законы нормальной и аномальной дисперсии и поглощения связаны друг с другом. Посмотрите, с какой легкостью новое явление Зеемана нашло свое место и даже помогло классификации магнитного вращения Фарадея, которое 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 также допускают группу преобразований, которая позволяет им возвращаться к той же форме при переходе из одной системы отсчета в другую. Эта группа принципиально отличается от предыдущей в отношении преобразований пространства и времени.''
У Лоренца и Эмиля Вихерта была интересная переписка по вопросам электромагнетизма и теории относительности, и Лоренц излагал свои идеи в письмах к Вихерту. [B 10]
Лоренц был председателем первой Сольвеевской конференции, состоявшейся в Брюсселе осенью 1911 года. Вскоре после конференции Пуанкаре написал эссе о 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. Так что же представляла собой старая механика? Была ли это механика Ньютона, та, которая все еще безраздельно господствовала в конце девятнадцатого века? Нет, это была механика Лоренца, та, которая имела дело с принципом относительности; та, которая всего пять лет назад казалась вершиной смелости.
В 1910 году Лоренц решил реорганизовать свою жизнь. Его преподавательские и управленческие обязанности в Лейденском университете отнимали у него слишком много времени, оставляя мало времени для исследований. В 1912 году он ушел с кафедры теоретической физики, чтобы стать куратором «Кабинета физики» в Музее Тейлера в Харлеме . Он оставался связанным с Лейденским университетом в качестве приглашенного профессора, и его «утренние лекции по понедельникам» о новых разработках в теоретической физике вскоре стали легендарными. [B 2]
Лоренц изначально попросил Эйнштейна стать его преемником на посту профессора теоретической физики в Лейдене. Однако Эйнштейн не мог принять это предложение, так как он только что принял предложение в ETH Zurich . Эйнштейн не жалел об этом, так как перспектива занять место Лоренца заставляла его дрожать. Вместо этого Лоренц назначил Пауля Эренфеста своим преемником на кафедре теоретической физики в Лейденском университете, который основал Институт теоретической физики, который стал известен как Институт Лоренца . [B 2]
После Первой мировой войны Лоренц был одним из инициаторов создания «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 наук (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 он привел к основанию TNO, Нидерландской организации прикладных научных исследований . [B 2]
Правительство Нидерландов также попросило Лоренца возглавить комитет по расчету некоторых эффектов предлагаемой плотины Афслёйтдейк (Enclosure Dam) для регулирования уровня воды в Ваттах . В то время гидротехника была в основном эмпирической наукой, но возмущение приливного течения, вызванное Афслёйтдейком, было настолько беспрецедентным, что эмпирическим правилам нельзя было доверять. Первоначально предполагалось, что Лоренц будет играть только координирующую роль в комитете, но быстро стало очевидно, что Лоренц был единственным физиком, имеющим фундаментальную тягу к этой проблеме. В период с 1918 по 1926 год Лоренц посвятил большую часть своего времени этой проблеме. [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 Ваттах . Афслёйтдейк был завершён в 1932 году, и предсказания Лоренца и его комитета оказались на удивление точными. [B 11] [B 2] Один из двух наборов шлюзов в Афслёйтдейке был назван в его честь.
В 1881 году Лоренц женился на Алетте Катарине Кайзер. Ее отцом был Й. В. Кайзер, профессор Академии изящных искусств. Он был директором музея, который позже стал известным Рейксмузеумом (Национальной галереей). Он также был дизайнером первых почтовых марок Нидерландов.
От этого брака у них родились две дочери и один сын.
Доктор Гертруда Люберта Лоренц , старшая дочь, была физиком. Она вышла замуж за профессора Вандера Йоханнеса де Хааса , который был директором криогенной лаборатории в Лейденском университете. [27]
В январе 1928 года Лоренц тяжело заболел и вскоре умер 4 февраля. [B 2] Уважение, с которым он пользовался в Нидерландах, очевидно из описания его похорон Оуэном Виллансом Ричардсоном :
Похороны состоялись в Харлеме в полдень в пятницу, 10 февраля. Когда пробило двенадцать, государственные телеграфные и телефонные службы Голландии были приостановлены на три минуты в знак почтения величайшему человеку, которого Нидерланды произвели в наше время. На похоронах присутствовало много коллег и выдающихся физиков из зарубежных стран. Президент, сэр Эрнест Резерфорд , представлял Королевское общество и произнес благодарственную речь у могилы.
— О.У. Ричардсон [Б 12]
Уникальная киносъемка 1928 года похоронной процессии с ведущим экипажем, за которым следуют десять скорбящих, за которым следует экипаж с гробом, за которым, в свою очередь, следует по меньшей мере еще четыре экипажа, проезжающих мимо толпы на Гроте Маркт, Харлем , от Зейлстраат до Смедестраат, а затем обратно через Гроте Хаутстраат к Бартельйорисстраат, по пути к «Algemene Begraafplaats» на Клеверлане (северное кладбище Харлема), была оцифрована на YouTube . [B 13] Среди прочих, на похоронах присутствовали Альберт Эйнштейн и Мария Кюри . [28]
Лоренц считается одним из главных представителей «второго голландского золотого века» — периода, длившегося несколько десятилетий около 1900 года, когда естественные науки в Нидерландах процветали. [B 2]
Ричардсон описывает Лоренца следующим образом:
Человек замечательных интеллектуальных способностей. Хотя он был погружен в собственное исследование момента, он всегда, казалось, имел в своем непосредственном схватывании его ответвления в каждом уголке вселенной. Исключительная ясность его писаний дает поразительное отражение его замечательных способностей в этом отношении. Он обладал и успешно использовал умственную живость, которая необходима для того, чтобы следить за взаимодействием обсуждения, проницательность, которая требуется для извлечения тех утверждений, которые освещают реальные трудности, и мудрость, чтобы вести обсуждение по плодотворным каналам, и он делал это так искусно, что процесс был едва заметен. [B 12]
М. Дж. Кляйн (1967) писал о репутации Лоренца в 1920-х годах:
На протяжении многих лет физики всегда с нетерпением ждали, «что скажет об этом Лоренц», когда выдвигалась новая теория, и даже в семьдесят два года он не разочаровал их. [B 14]
Помимо Нобелевской премии , Лоренц получил множество наград за свою выдающуюся работу. В 1905 году он был избран иностранным членом Королевского общества (ForMemRS) . [1] В 1908 году общество наградило его медалью Румфорда , а в 1918 году — медалью Копли. В 1912 году он был избран почетным членом Нидерландского химического общества. [29] Он был международным членом Американского философского общества , Национальной академии наук США и Американской академии искусств и наук . [30] [31] [32]
{{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link)Мадам. Кюри из Парижа; ... проф. доктор А. Эйнштейн из Берлина;
он вырос в протестантских кругах, он был свободомыслящим в религиозных вопросах; он регулярно посещал местную французскую церковь, чтобы улучшить свой французский.
Цитаты, связанные с Хендриком Лоренцом в Wikiquote
Медиа, связанные с Хендриком Антоном Лоренцом на Wikimedia Commons