亨德里克·安東·洛倫茲
荷蘭物理學家
亨德里克·安東·洛倫茲(1853~1928),英文名:Hendrik Antoon Lorentz。近代卓越的理論物理學家、數學家,經典電子論的創立者。
他填補了經典電磁場理論與相對論之間的鴻溝,是經典物理和近代物理間的一位承上啟下式的科學巨擘,是第一代理論物理學家的領袖。他與同胞塞曼共享了1902年度諾貝爾物理學獎。他還導出了愛因斯坦的狹義相對論基礎的變換方程,即現在為人熟知的洛倫茲變換。他還曾是國際科學協作聯盟委員會主席。
1853年7月18日生於荷蘭的阿納姆。洛倫茲的父親,格利特·弗里德里希·洛倫茲,是荷蘭阿勒姆市附近的一家嬰兒託管所的經營者,而他的母親在他很小的時候就逝世了。在洛倫茲9歲的時候,他的父親再婚。他在該地上小學和中學,成績優異,當時,他總是班上的第一名。
洛倫茲[荷蘭物理學家]
1870年洛倫茲考入萊頓大學,學習數學、物理和天文,主要方向是數學和物理學。他和天文學教授弗里德里克·凱薩成為忘年交,並對其理論天文學的課程極其感興趣。他也深受當時萊頓大學唯一的物理學教授萊恩哈特·里克的影響。一年半之後,洛倫茲就通過了數學和物理的考試,之後就回到了阿納姆準備博士論文。這期間,他購買到了菲涅耳的文集,這是他第一本額外的教科書。他非常欣賞菲涅耳的作品,認為那一代物理學家裡,菲涅耳無與倫比;而談到當代的物理學家,他則最為欽佩赫茲。
1873年,洛倫茲以優異的成績通過了博士考試。
1875年獲博士學位。
洛倫茲
1881年,洛倫茲與他大學的天文學教授的侄女愛蕾塔·凱薩結婚,后育有兩女兩子,其中長子早夭。洛倫茲的長女這樣經常談到他對父親的印象:他經常從事困難的研究,但是不會讓你感覺到他在進行艱難的運算;他沒有人們普遍印象中天才的古怪行為,也沒有書生的酸氣。在女兒心中,洛倫茲是一位習慣良好、性格謹慎的學者;而他也比較擅長社交,在雪茄和美酒交錯的場合,總能表現出過人的幽默感與交談天賦。認識他的人,都認為他是一個擁有高尚心靈的人。
1895年他提出了著名的洛倫茲力公式。
1896年,洛倫茲用電子論成功地解釋了由萊頓大學的塞曼新近發現的原子光譜磁致分裂現象。洛倫茲斷定該現象是由原子中負電子的振動引起的。他從理論上導出的負電子的荷質比,與湯姆遜翌年從陰極射線實驗得到的結果相一致。由於塞曼效應的發現和解釋,洛倫茲和塞曼分享了1902年度的諾貝爾獎。
1912年洛倫茲辭去萊頓大學教授職務,到哈勒姆擔任一個博物館的顧問,同時兼任萊頓大學的名譽教授,每星期一早晨到萊頓大學就物理學當前的一些問題作演講。後來他還在荷蘭政府中任職。
1919~1926年在教育部門工作,其間在1921年擔任高等教育部部長。
1911~1927年擔任索爾維物理學會議的固定主席。在國際物理學界的各種集會上,他經常是一位很受歡迎的主持人。
1923年國際科學協作聯盟委員會主席。他還是世界上許多科學院的外國院士和科學學會的外國會員。
洛倫茲[荷蘭物理學家]
洛倫茲在物理學上最重要的貢獻是他的電子論。早在他作學位論文之前,由於讀過菲涅耳文集而深受其影響;後來受到H.von亥姆霍茲的啟發,他用J.C.麥克斯韋的電磁理論來處理光在電介質交界面上的反射和折射問題作為他的博士論文,在論文的末尾,他提到把光磁理論與物質的分子理論結合起來的前景,這就是他後來創立電子論的根源。
洛倫茲
洛倫茲是經典電子論的創立者。他認為電具有“原子性”,電的本身是由微小的實體組成的。後來這些微小實體被稱為電子。洛倫茲以電子概念為基礎來解釋物質的電性質。從電子論推導出運動電荷在磁場中要受到力的作用,即洛倫茲力。他把物體的發光解釋為原子內部電子的振動產生的。這樣當光源放在磁場中時,光源的原子內電子的振動將發生改變,使電子的振動頻率增大或減小,導致光譜線的增寬或分裂。1896年10月,洛倫茲的學生塞曼發現,在強磁場中鈉光譜的D線有明顯的增寬,即產生塞曼效應,證實了洛倫茲的預言。塞曼和洛倫茲共同獲得1902年諾貝爾物理學獎。
洛倫茲的電子論
在相對論以前,H.A.洛倫茲從存在絕對靜止以太的觀念出發,考慮物體運動發生收縮的物質過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中,變換所引入的量僅僅看作是數學上的輔助手段,並不包含相對論的時空觀。愛因斯坦與洛倫茲不同,以觀察到的事實為依據,立足於兩條基本原理:相對性原理和光速不變原理,著眼於修改運動、時間、空間等基本概念,重新導出洛倫茲變換,並賦予洛倫茲變換嶄新的物理內容。在狹義相對論中,洛倫茲變換是最基本的關係式,狹義相對論的運動學結論和時空性質,如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論多普勒效應等都可以從洛倫茲變換中直接得出。
狹義相對論中關於不同慣性系之間物理事件時空坐標變換的基本關係式。設兩個慣性係為S系和S′系,它們相應的笛卡爾坐標軸彼此平行,S′系相對於S系沿x方向運動,速度為v,且當t=t′=0時,S′系與S系的坐標原點重合,則事件在這兩個慣性系的時空坐標之間的洛倫茲變換為x′=γ(x-v*t),y′=y,z′=z,t′=γ(t-v*x/c^2),式中γ=(1-v^2/c^2)-1/2;c為真空中的光速。不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。
洛倫茲還是一位教育家,他在萊頓大學從事普通物理和理論物理教學多年,寫過微積分和普通物理等教科書。在哈勒姆他曾致力於通俗物理講演。他一生中花了很大一部分時間和精力審查別人的理論並給予幫助。他為人熱誠、謙虛,受到愛因斯坦、薛定諤和其他青年一代理論物理學家們的尊敬,他們多次到萊頓大學向他請教,愛因斯坦曾說過,他一生中受洛倫茲的影響最大。
洛倫茲
電場力與洛倫茲力在現代科技中應用
1892年,洛倫茲發表了經典電子論的第一篇論文。在這篇論文中,洛倫茲明確地把連續的場和包含分立電子的物質完全分開,同時又為麥克斯韋方程組追加了一個洛倫茲力方程。於是,連續的場和分立的電子,就由這個洛倫茲力來聯繫。在此基礎上,洛倫茲把當時所得到的電磁光學的各種結果,重新整理加以格式化,確立了經典電子論的基礎。許多從他那裡學習電動力學的理論物理學家認為,這是洛倫茲一生中最偉大的貢獻之一。
當新物理學開始崛起的時候,洛倫茲也推導過黑體輻射能量分佈公式。他只能用自己的理論計算能譜的長波極限。他了解普朗克1900年的黑體輻射量子理論包含整個光譜,也了解普朗克的量子假設與他自己的電子論基礎完全不同。但1908年洛倫茲以有利於普朗克量子論的口吻說,普朗克理論是唯一能解釋黑體輻射整個光譜的。洛倫茲是最早能這樣指出並強調量子假說和電子論假說之間存在深刻對立的人之一。
洛倫茲力演示器實驗原理
1878年,他發表了光與物質相互作用的論文,把以太與普通的物質區別開來,認為以太是靜止的,無所不在,而普通物質的分子則都含有帶電的諧振子;在這個基礎上,他導出了分子折射率的公式(即洛倫茲-洛倫茨公式)。
1892年他研究過地球穿過靜止以太所產生的效應,為了說明邁克孫-莫雷實驗的結果,他獨立地提出了長度收縮的假說,認為相對以太運動的物體,其運動方向上的長度縮短。他開始發表電子論的文章,他認為一切物質的分子都含有電子,陰極射線的粒子就是電子,電子是很小的有質量的剛球,電子對於以太是完全透明的,以太與物質的相互作用歸結為以太與物質中的電子的相互作用。這在個基礎上,1895年他提出了著名的洛倫茲力公式。1896年,P.塞曼發現放在磁場中的光源,其光譜線發生分裂(塞曼效應)。洛倫茲立即用他的電子論對這一現象作了定量的解釋。由於這一貢獻,他和塞曼共同獲得1902年的諾貝爾物理學獎。
1895年,他發表了長度收縮的準確公式,即在運動方向上,長度收縮因子為(1-v2/c2)1/2。
1899年,他在發表的論文里,計論了慣性系之間坐標和時間的變換問題,並得出電子與速度有關的結論。
洛倫茲的電子論把經典物理學推上了它所能達到的最後高度。洛倫茲本人幾乎成了19世紀末、20世紀初物理學界的統帥。如果洛倫茲不那麼具有開放精神,這種成就本來可能使他過早地退出歷史舞台。當世紀之交的物理學革命打破了古典物理學時,洛倫茲說過,他感到遺憾的是,他為什麼不在舊的基礎崩潰之前死去。但是洛倫茲的個性是“超個人”的,他對過去價值的惋惜很快就由愉快地接受新事物所取代了。
洛倫茲[荷蘭物理學家]
第一次世界大戰後,洛倫茲的開放精神在他的世界主義立場中也得到了充分的體現。為恢復科學國際主義,洛倫茲作了持續的努力。1923年洛倫茲被選為國際文化協作委員會委員,並繼柏格森之後擔任了該委員會主席。
這種本質上的偉大開放精神,使洛倫茲不僅在學術上富有成就,而且在人品上也贏得了同時代人的敬重。1928年1月,洛倫茲病重;1928年2月4日,這顆偉大的心臟停止了跳動,他終年75歲,物理學界失去了一位了不起的領袖。在2月10日,在他下葬那天,荷蘭的電報、電話服務暫停3分鐘以示哀悼。出席葬禮的有荷蘭王室、政府以及來自世界各國科學院的代表。英國皇家學會會長、著名的實驗物理學家盧瑟福,普魯士科學院代表、第二代職業理論物理學家的領導人愛因斯坦都在他的墓旁致了悼詞。愛因斯坦深情地感慨洛倫茲對他產生的巨大的影響,他用“我們時代最偉大、最高尚的人”來評價這位良師益友。
洛倫茲墓
洛倫茲[荷蘭物理學家]
1898年,洛倫茲接受玻爾茲曼的邀請,為德國的自然科學與醫學學會的迪塞爾多夫會議物理組做演講。
1900年在巴黎,為國際物理代表會(世界性物理學家集會)做演講。
洛倫茲在物理方面最重要的國際性活動是擔任物理學的索爾維會議的定期主席(1911—1927年),他在臨終前還主持了最後一次會議。
洛倫茲在這些國際性的集會中主持會議並成為公認的領袖。大家對他淵博的學問、高明的技術、善於總結最複雜的爭論以及無比精鍊的語方都非常佩服。在一戰之後,洛倫茲的科學活動開始加入了政治色彩——這位科學界德高望重的老人,在花甲之年為著和平與無國界的科學而奔走,為了恢復真正的科學國際主義而奮鬥。
洛倫茲[荷蘭物理學家]
1923年,他成為國聯文化協作國際委員會的七個委員之一,並繼承伯格森(H.Bergson)擔任主席。