Лоренц, Хендрик Антон — Википедия
В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Лоренц.Хе́ндрик (часто пишется Ге́ндрик) А́нтон Ло́ренц (нидерл. Hendrik Antoon Lorentz; 18 июля 1853, Арнем, Нидерланды — 4 февраля 1928, Харлем, Нидерланды) — нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902, совместно с Питером Зееманом) и других наград, член Нидерландской королевской академии наук (1881), ряда иностранных академий наук и научных обществ.
Лоренц известен прежде всего своими работами в области электродинамики и оптики. Объединив концепцию непрерывного электромагнитного поля с представлением о дискретных электрических зарядах, входящих в состав вещества, он создал классическую электронную теорию и применил её для решения множества частных задач: получил выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля (сила Лоренца), вывел формулу, связывающую показатель преломления вещества с его плотностью (формула Лоренца — Лоренца), разработал теорию дисперсии света, объяснил ряд магнитооптических явлений (в частности, эффект Зеемана) и некоторые свойства металлов. На основе электронной теории учёный развил электродинамику движущихся сред, в том числе выдвинул гипотезу о сокращении тел в направлении их движения (сокращение Фицджеральда — Лоренца), ввёл понятие о «местном времени», получил релятивистское выражение для зависимости массы от скорости, вывел соотношения между координатами и временем в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчёта (преобразования Лоренца). Работы Лоренца способствовали становлению и развитию идей специальной теории относительности и квантовой физики. Кроме того, им был получен ряд существенных результатов в термодинамике и кинетической теории газов, общей теории относительности, теории теплового излучения.
Происхождение и детские годы (1853—1870)[править | править код]
Хендрик Антон Лоренц родился 15 июля 1853 года в Арнеме. Его предки происходили из прирейнской области Германии и занимались в основном земледелием. Отец будущего ученого, Геррит Фредерик Лоренц (Gerrit Frederik Lorentz, 1822—1893), владел питомником плодовых деревьев близ Велпа. Мать Хендрика Антона, Гертруда ван Гинкел (Geertruida van Ginkel, 1826—1861), выросла в Ренсвауде (нидерл. Renswoude) в провинции Утрехт, была замужем, рано овдовела и на третьем году вдовства вышла замуж во второй раз — за Геррита Фредерика. У них было двое сыновей, однако второй из них умер ещё в младенческом возрасте; Хендрик Антон воспитывался вместе с Хендриком Яном Якобом, сыном Гертруды от первого брака. В 1862 году, после ранней смерти супруги, отец семейства женился на Люберте Хюпкес (
В шестилетнем возрасте Хендрик Антон поступил в начальную школу Тиммера. Здесь, на уроках Герта Корнелиса Тиммера, автора учебников и научно-популярных книг по физике, юный Лоренц познакомился с основами математики и физики. В 1866 году будущий учёный успешно сдал вступительные экзамены в только что открывшуюся в Арнеме высшую гражданскую школу (нидерл. Hogereburgerschool), которая примерно соответствовала гимназии. Учёба легко давалась Хендрику Антону, чему способствовал педагогический талант учителей, в первую очередь Х. Ван-дер-Стадта, автора нескольких известных учебников по физике, и Якоба Мартина ван Беммелена, преподававшего химию. Как признавал сам Лоренц, именно Ван-дер-Стадт привил ему любовь к физике. Другой важной встречей в жизни будущего учёного стало знакомство с Германом Хагой (нидерл. Herman Haga), который учился в том же классе и впоследствии также стал физиком; они оставались близкими друзьями на протяжении всей жизни. Кроме естественных наук, Хендрик Антон интересовался историей, прочёл ряд трудов по истории Нидерландов и Англии, увлекался историческими романами; в литературе его привлекало творчество английских писателей — Вальтера Скотта, Уильяма Теккерея и особенно Чарльза Диккенса. Отличаясь хорошей памятью, Лоренц изучил несколько иностранных языков (английский, французский и немецкий), а перед поступлением в университет самостоятельно овладел греческим и латынью. Несмотря на общительный характер, Хендрик Антон был человеком стеснительным и не любил говорить о своих переживаниях даже с близкими. Он был чужд всякого мистицизма и, по свидетельству дочери, «лишён был веры в божью благодать… Вера в высшую ценность разума… заменяла ему религиозные убеждения»
Учёба в университете. Первые шаги в науке (1870—1877)[править | править код]
В 1870 году Лоренц поступил в Лейденский университет, старейший университет Голландии. Здесь он посещал лекции физика Питера Рейке (нидерл. Pieter Rijke) и математика Питера ван Гера (Pieter van Geer), читавшего курс аналитической геометрии, однако ближе всего сошёлся с профессором астрономии Фредериком Кайзером, который узнал о новом талантливом студенте от своего бывшего ученика Ван-дер-Стадта. Именно во время учёбы в университете будущий учёный познакомился с основополагающими работами Джеймса Клерка Максвелла и не без труда смог разобраться в них, чему способствовало изучение трудов Германа Гельмгольца, Огюстена Френеля и Майкла Фарадея. В ноябре 1871 года Лоренц с отличием сдал экзамены на степень магистра и, решив готовиться к докторским экзаменам самостоятельно, в феврале 1872 года покинул Лейден. Вернувшись в Арнем, он стал учителем математики в вечерней школе и в школе Тиммера, где когда-то учился сам; эта работа оставляла ему достаточно свободного времени, чтобы заниматься наукой
В 1873 году Лоренц сдал докторские экзамены[6], а 11 декабря 1875 года в Лейдене с отличием (magna cum laude) защитил докторскую диссертацию «К теории отражения и преломления света» (нидерл. Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht), в которой дал объяснение этих процессов на основе максвелловской теории. После защиты молодой доктор наук вернулся к своей прежней жизни арнемского учителя. Летом 1876 года вместе с друзьями он совершил пеший переход по Швейцарии. К этому времени перед ним встал вопрос о полном переключении на математику: именно эту дисциплину он успешно преподавал в школе и потому Утрехтский университет предложил ему должность профессора математики. Однако Лоренц, надеясь вернуться в свою альма-матер, отклонил это предложение и в качестве временной должности решил получить место учителя лейденской классической гимназии. Вскоре в Лейденском университете произошло важное изменение: кафедра физики была разделена на две части — экспериментальную и теоретическую. Новую должность профессора теоретической физики сначала предложили Яну Дидерику Ван-дер-Ваальсу, а когда тот отказался, на это место был назначен Лоренц
Профессор в Лейдене (1878—1911)[править | править код]
25 января 1878 года Лоренц официально вступил в звание профессора, произнеся вступительную речь-доклад «Молекулярные теории в физике». По признанию одного из его бывших студентов, молодой профессор «обладал своеобразным даром, несмотря на всю свою доброту и простоту, сохранять определённую дистанцию между собой и своими студентами, нисколько не стремясь к тому и сам того не замечая»
Фотопортрет Лоренца 1902 годаЛетом 1880 года Лоренц познакомился с Алеттой Кайзер (Aletta Catharina Kaiser, 1858—1931), племянницей профессора Кайзера и дочерью известного гравёра Йоханна Вилхелма Кайзера (нидерл. Johann Wilhelm Kaiser), директора Государственного музея в Амстердаме. Тем же летом состоялась помолвка, а в начале следующего года молодые люди поженились
Первые годы в Лейдене Лоренц провёл в добровольной самоизоляции: он мало печатался за границей и практически избегал контактов с внешним миром (вероятно, это было связано с его стеснительностью). Его работы были мало известны за пределами Голландии вплоть до середины 1890-х годов. Лишь в 1897 году он впервые посетил съезд немецких естествоиспытателей и врачей, проходивший в Дюссельдорфе, и с тех пор стал постоянным участником крупных научных конференций. Он познакомился с такими известными европейскими физиками, как Людвиг Больцман, Вильгельм Вин, Анри Пуанкаре, Макс Планк, Вильгельм Рентген и другими. Росло и признание Лоренца как учёного, чему способствовал успех созданной им электронной теории, дополнявшей электродинамику Максвелла представлением об «атомах электричества», то есть о существовании заряженных частиц, из которых состоит вещество. Первая версия этой теории была опубликована в 1892 году; впоследствии она активно развивалась автором и использовалась для описания различных оптических явлений (дисперсия, свойства металлов, основы электродинамики движущихся сред и так далее). Одним из наиболее ярких достижений электронной теории стало предсказание и объяснение расщепления спектральных линий в магнитном поле, открытого Питером Зееманом в 1896 году. В 1902 году Зееман и Лоренц разделили Нобелевскую премию по физике; лейденский профессор стал, таким образом, первым теоретиком, удостоенным этой награды[13]. Успех электронной теории был во многом обусловлен восприимчивостью её автора к различным идеям и подходам, его способностью соединять элементы разных теоретических систем. Как писал историк Оливье Дарриголь,
Как и подобало открытости его страны, он читал без разбора немецкие, английские и французские источники. Его основные вдохновители, Гельмгольц, Максвелл и Френель, принадлежали к очень разным, иногда несовместимым традициям. В то время как в обычном уме эклектизм мог бы создать неразбериху, Лоренц извлёк из него пользу.
Оригинальный текст (англ.)
As befitted his country’s openness, he read indiscriminately from German, English, and French sources. His main inspirations, Helmholtz, Maxwell, and Fresnel, belonged to very distinct, sometimes conflicting, traditions. While in an average mind the eclecticism could have created confusion, Lorentz profited from it.
— Darrigol O. Electrodynamics from Ampere to Einstein. — Oxford University Press, 2000. — P. 322.
Теперь из различных уголков мира Лоренцу поступали приглашения выступить со специальными докладами: он посетил Берлин (1904) и Париж (1905), а весной 1906 года прочёл цикл лекций в Колумбийском университете Нью-Йорка. Вскоре его стали переманивать другие университеты; в частности, Мюнхенский университет в 1905 году предложил ему гораздо более выгодные условия, чем в Лейдене. Однако учёный не спешил срываться с места и отказываться от спокойной жизни в маленьком городке, а после того, как нидерландское министерство просвещения существенно улучшило условия его работы (была сокращена лекционная нагрузка, выделен ассистент, отдельный кабинет и личная лаборатория), он окончательно отбросил мысли о переезде[14]. В 1909 году Лоренц был назначен председателем отделения физики Нидерландской королевской академии наук и занимал эту должность на протяжении двенадцати лет[15].
Участники первого Сольвеевского конгресса. Лоренц сидит четвёртый слеваПоявление теории относительности и первых квантовых идей поставило под сомнение справедливость электронной теории Лоренца и классической физики в целом. Голландский учёный до последнего пытался найти выход из тупика, в котором оказалась старая физика, однако не преуспел в этом. Как писал в предисловии к советскому изданию лоренцевской «Теории электронов» Торичан Кравец, «его борьба за своё учение поистине грандиозна. Поразительно и научное беспристрастие автора, который с уважением идёт навстречу всем возражениям, всем трудностям. Прочтя его книгу, видишь воочию, что для спасения старых привычных воззрений сделано всё — и это всё не принесло им спасения»[16]. Несмотря на приверженность идеалам классики и осторожный подход к новым концепциям, Лоренц ясно осознавал несовершенство старых и плодотворность новых научных представлений. Осенью 1911 года в Брюсселе состоялся первый Сольвеевский конгресс, собравший крупнейших европейских физиков для обсуждения квантовой теории излучения. Председателем этого съезда стал Лоренц, чья кандидатура оказалась весьма удачной благодаря большому авторитету, знанию нескольких языков и умению направлять дискуссии в нужное русло. Коллеги признавали его заслуги в проведении конгресса на высоком научном уровне; так, в одном из писем Альберт Эйнштейн назвал Лоренца «чудом интеллигентности и такта»[17]. А вот какое впечатление произвело общение с голландским учёным на Макса Борна: «Что при взгляде на него больше всего поражало, так это выражение его глаз — удивительное сочетание глубокой доброты и иронического превосходства. Этому соответствовала и его речь — ясная, мягкая и убедительная, но вместе с тем и с ироническими оттенками. Поведение Лоренца было покоряюще любезным…»[18]
Харлем (1912—1928)[править | править код]
Музей Тейлора в Харлеме (современный вид)В 1911 году Лоренц получил предложение занять пост куратора музея Тейлора, в котором имелся физический кабинет с лабораторией, и Голландского научного общества (нидерл. Koninklijke Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen) в Харлеме. Учёный согласился и принялся искать преемника на должность лейденского профессора. После отказа Эйнштейна, который к тому моменту уже принял приглашение из Цюриха, Лоренц обратился к работавшему в Санкт-Петербурге Паулю Эренфесту. Осенью 1912 года, когда кандидатура последнего была официально утверждена, Лоренц окончательно переехал в Харлем[19]. В музее Тейлора он получил небольшую лабораторию в личное пользование; в его обязанности входила организация популярных лекций для учителей физики, которые он стал читать сам. Кроме того, он ещё на протяжении десяти лет оставался экстраординарным профессором Лейденского университета и каждый понедельник в 11 часов утра читал там специальные лекции, посвящённые новейшим физическим идеям. Этот ставший традиционным семинар получил широкую известность в научном мире, его посещали многие известные исследователи из различных стран мира[20].
С возрастом Лоренц всё больше внимания уделял общественной деятельности, в особенности проблемам образования и международного научного сотрудничества. Так, он стал одним из основателей первого голландского лицея в Гааге и организатором первых бесплатных библиотек и читального зала в Лейдене. Он был одним из распорядителей Сольвеевского фонда, на средства которого был основан Международный физический институт, и возглавлял комитет, ведавший распределением пособий на проведение научных исследований учёными из различных стран[21]. В одной из статей 1913 года Лоренц писал: «Все признают, что сотрудничество и преследование общей цели в конечном итоге порождает драгоценное чувство взаимного уважения, сплочённость и хорошие дружественные отношения, что в свою очередь укрепляет мир». Однако наступившая вскоре Первая мировая война надолго прервала связи между учёными враждовавших стран; Лоренц, как гражданин нейтральной страны, старался по мере своих сил сгладить эти противоречия и восстановить сотрудничество между отдельными исследователями и научными обществами. Так, войдя в руководство основанного после войны Международного исследовательского совета (предшественника Международного совета по науке), голландский физик и его единомышленники добились исключения из устава этой организации пунктов, дискриминирующих представителей побеждённых стран. В 1923 году Лоренц вошёл в состав Комитета по интеллектуальному сотрудничеству (англ. International Committee on Intellectual Cooperation), учреждённого Лигой наций для укрепления научных связей между европейскими государствами, а спустя некоторое время сменил философа Анри Бергсона на посту председателя этого учреждения[22].
В 1918 году Лоренц был назначен председателем государственного комитета по осушению залива Зёйдерзе и до конца жизни уделял много времени этому проекту, осуществляя непосредственное руководство инженерными расчётами. Сложность задачи требовала учёта многочисленных факторов и разработки оригинальных математических методов; здесь пригодились познания учёного в различных областях теоретической физики. Сооружение первой дамбы началось в 1920 году; проект завершился много лет спустя, уже после смерти его первого руководителя[23]. Глубокий интерес к проблемам педагогики привёл Лоренца в 1919 году в правление народного образования, а в 1921 году он возглавил департамент высшего образования Нидерландов. В следующем году по приглашению Калифорнийского технологического института учёный во второй раз посетил США и выступил с лекциями в ряде городов этой страны. Впоследствии он побывал за океаном ещё дважды: в 1924 году и осенью-зимой 1926/27 года, когда прочитал в Пасадене курс лекций[24]. В 1923 году, по достижении предельного возраста, Лоренц официально ушёл в отставку, однако продолжал читать свои понедельничные лекции в качестве почётного профессора. В декабре 1925 года в Лейдене прошли торжества по случаю 50-летия со дня защиты Лоренцем докторской диссертации. На это празднество было приглашено около двух тысяч человек со всех концов мира, в том числе многие крупные физики, представители нидерландского государства, ученики и друзья юбиляра. Принц Хендрик вручил учёному высшую награду Голландии — Большой крест ордена Оранских-Нассау, а Королевская академия наук объявила об учреждении медали Лоренца за достижения в области теоретической физики[25].
Хотя его научная продуктивность заметно снизилась, Лоренц до последних дней жизни продолжал интересоваться развитием физики и проводить собственные исследования. Признанием его особого положения в научном мире — положения «старейшины физической науки», по выражению Эренфеста, — служило председательствование на послевоенных Сольвеевских конгрессах, сыгравших большую роль в прояснении сложных проблем новой физики. По словам Джозефа Лармора, «он был идеальным руководителем любого международного конгресса, ибо был самым знающим и наиболее быстро схватывающим суть дела из всех современных физиков». По признанию Арнольда Зоммерфельда, Лоренц «был старейшим по возрасту и самым гибким и разносторонним по уму»[26]. В октябре 1927 года голландский учёный председательствовал на своём последнем, пятом по счёту Сольвеевском конгрессе, на котором обсуждались проблемы новой квантовой механики. В том же году были завершены расчёты по Зёйдерзе, и Лоренц, покинувший департамент высшего образования, надеялся больше времени уделять науке. Однако в середине января 1928 года он заболел рожистым воспалением, его состояние с каждым днём ухудшалось. 4 февраля учёный скончался. Похороны состоялись в Харлеме 9 февраля при большом стечении народа; в знак национального траура по всей стране в полдень на три минуты было прекращено телеграфное сообщение. В качестве представителей своих стран с надгробными речами выступили Пауль Эренфест, Эрнест Резерфорд, Поль Ланжевен и Альберт Эйнштейн[27]. В своём выступлении последний отметил:
Свою жизнь он [Лоренц] до мельчайших подробностей создавал так, как создают драгоценное произведение искусства. Никогда не оставлявшие его доброта, великодушие и чувство справедливости вместе с глубоким, интуитивным пониманием людей и обстановки делали его руководителем всюду, где бы он ни работал. Все с радостью следовали за ним, чувствуя, что он стремится не властвовать над людьми, а служить им.
— Эйнштейн А. Речь у могилы Лоренца // Эйнштейн А. Собрание научных трудов. — М.: Наука, 1967. — Т. 4. — С. 95.
Ранние работы по электромагнитной теории света[править | править код]
Джеймс Клерк МаксвеллК началу научной карьеры Лоренца электродинамика Максвелла смогла полностью описать лишь распространение световых волн в пустом пространстве, тогда как вопрос о взаимодействии света с веществом ещё ждал своего решения. Уже в первых работах голландского учёного были сделаны некоторые шаги к объяснению оптических свойств вещества в рамках электромагнитной теории света. Основываясь на этой теории (точнее, на её интерпретации в духе дальнодействия, предложенной Германом Гельмгольцем[Комм 1]), в своей докторской диссертации (1875) Лоренц решил проблему отражения и преломления света на границе раздела двух прозрачных сред. Предшествующие попытки решить эту задачу в рамках упругой теории света, в которой свет трактуется как механическая волна, распространяющаяся в особом светоносном эфире, столкнулись с принципиальными трудностями. Метод устранения этих трудностей предложил Гельмгольц в 1870 году; математически строгое доказательство было дано Лоренцем, который показал, что процессы отражения и преломления света определяются четырьмя граничными условиями, налагаемыми на векторы электрического и магнитного поля на поверхности раздела сред, и вывел отсюда известные формулы Френеля. Далее в диссертации были рассмотрены полное внутреннее отражение и оптические свойства кристаллов и металлов. Таким образом, в работе Лоренца содержались основы современной электромагнитной оптики[29][30][31]. Что не менее важно, здесь появились первые признаки той особенности творческого метода Лоренца, которую Пауль Эренфест выразил следующими словами: «чёткое разделение той роли, которую в каждом данном случае оптических или электромагнитных явлений, возникающих в куске стекла или металла, играют „эфир“, с одной стороны, и „весомая материя“ — с другой»[32]. Разграничение между эфиром и веществом способствовало формированию представлений об электромагнитном поле как о самостоятельной форме материи, в противоположность бытовавшей ранее трактовке поля как механического состояния вещества[33].
Предшествующие результаты касались общих законов распространения света. Для того чтобы сделать более конкретные выводы об оптических свойствах тел, Лоренц обратился к представлениям о молекулярном строении вещества. Первые итоги своего анализа он опубликовал в 1879 году в работе «О соотношении между скоростью распространения света и плотностью и составом среды» (нидерл. Over het verband tusschen de voortplantingssnelheid van het licht en de dichtheid en samenstelling der middenstoffen, сокращённый вариант был напечатан в следующем году в немецком журнале Annalen der Physik). Предполагая, что эфир внутри вещества имеет такие же свойства, как и в свободном пространстве, и что в каждой молекуле под воздействием внешней электрической силы возбуждается пропорциональный ей электрический момент, Лоренц получил соотношение между показателем преломления n{\displaystyle n} и плотностью вещества ρ{\displaystyle \rho } в виде n2−1(n2+2)ρ=const{\displaystyle {\frac {n^{2}-1}{(n^{2}+2)\rho }}=\mathrm {const} }. Эта формула была получена ещё в 1869 году датским физиком Людвигом Валентином Лоренцем на основе упругой теории света и ныне известна под названием формулы Лоренца — Лоренца[Комм 2]. Существенным в выводе голландским учёным этого соотношения был также учёт (помимо электрического поля внешней световой волны) локального поля, обусловленного поляризацией вещества. Для этого предполагалось, что каждая молекула находится в полости, заполненной эфиром, и испытывающей воздействие со стороны других полостей. Константа в правой части формулы определяется поляризуемостью молекул и зависит от длины волны, то есть характеризует дисперсионные свойства среды. Эта зависимость фактически совпадает с дисперсионным соотношением Зельмайера (1872), полученным в рамках теории упругого эфира. Она была рассчитана Лоренцем на основе представления о наличии в молекуле электрического заряда, колеблющегося около положения равновесия под воздействием электрического поля. Таким образом, в этой работе уже содержалась фундаментальная модель электронной теории — заряженный гармонический осциллятор[36][37][38].
Электронная теория[править | править код]
Общая схема теории[править | править код]
К началу 1890-х годов Лоренц окончательно отказался от концепции дальнодействующих сил в электродинамике в пользу близкодействия, то есть представления о конечной скорости распространения электромагнитного взаимодействия. Этому, вероятно, способствовало открытие Генрихом Герцем электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, а также чтение лекций Анри Пуанкаре (1890), содержавших глубокий анализ следствий теории электромагнитного поля Фарадея — Максвелла. А уже в 1892 году Лоренц дал первую формулировку своей электронной теории[39].
Титульный лист первого издания «Теории электронов» (1909)Электронная теория Лоренца представляет собой максвелловскую теорию электромагнитного поля, дополненную представлением о дискретных электрических зарядах как основе строения вещества. Взаимодействие поля с движущимися зарядами является источником электрических, магнитных и оптических свойств тел. В металлах движение частиц порождает электрический ток, тогда как в диэлектриках смещение частиц из положения равновесия вызывает электрическую поляризацию, обуславливающую величину диэлектрической постоянной вещества. Первое последовательное изложение электронной теории появилось в большой работе «Электромагнитная теория Максвелла и её применение к движущимся телам» (фр. La théorie électromagnétique de Maxwell et son application aux corps mouvants, 1892), в которой Лоренц, помимо прочего, в простой форме получил формулу для силы, с которой поле действует на заряды (сила Лоренца). Впоследствии учёный дорабатывал и совершенствовал свою теорию: в 1895 году вышла книга «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах» (нем. Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern), а в 1909 году — известная монография «Теория электронов и её применение к явлениям света и теплового излучения» (англ. The theory of electrons and its applications to the phenomena of light and radiant heat), содержащая самое полное изложение вопроса. В отличие от первоначальных попыток (в работе 1892 года) получить основные соотношения теории из принципов механики, здесь Лоренц уже начинал с уравнений Максвелла для пустого пространства (эфира) и аналогичных феноменологических уравнений, справедливых для макроскопических тел, и далее ставил вопрос о микроскопическом механизме электромагнитных процессов в веществе. Такой механизм, на его взгляд, связан с движением малых заряженных частиц (электронов), входящих в состав всех тел. Предполагая конечные размеры электронов и неподвижность эфира, присутствующего как вне, так и внутри частиц, Лоренц внёс в вакуумные уравнения члены, отвечающие за распределение и перемещение (ток) электронов. Полученные микроскопические уравнения (уравнения Лоренца — Максвелла) дополняются выражением для силы Лоренца, действующей на частицы со стороны электромагнитного поля. Эти соотношения лежат в основе электронной теории и позволяют единым образом описывать широкий круг явлений[40].
Хотя попытки построить теорию, объясняющую электродинамические явления взаимодействием электромагнитного поля с движущимися дискретными зарядами, предпринимались и ранее (в работах Вильгельма Вебера, Бернгарда Римана и Рудольфа Клаузиуса), теория Лоренца принципиально от них отличалась. Если ранее полагалось, что заряды действуют непосредственно друг на друга, то теперь считалось, что электроны взаимодействуют со средой, в которой они находятся — неподвижным электромагнитным эфиром, подчиняющимся уравнениям Максвелла. Такое представление об эфире близко современному понятию электромагнитного поля. Лоренц провёл чёткое различие между материей и эфиром: они не могут сообщать друг другу механическое движение («увлекаться»), их взаимодействие ограничено сферой электромагнетизма. Сила этого взаимодействия для случая точечного заряда носит имя Лоренца, хотя аналогичные выражения были ранее получены Клаузиусом и Хевисайдом из иных соображений[41]. Одним из важных и много обсуждавшихся в своё время следствий немеханического характера воздействия, описываемого силой Лоренца, было нарушение ею ньютоновского принципа действия и противодействия[42]. В теории Лоренца гипотеза увлечения эфира движущимся диэлектриком была заменена на предположение о поляризации молекул тела под действием электромагнитного поля (это осуществлялось введением соответствующей диэлектрической постоянной). Именно это поляризованное состояние переносится при движении объекта, что позволило объяснить появление в данном случае так называемого коэффициента увлечения Френеля, который обнаруживает себя, например, в знаменитом опыте Физо[43]. Кроме того, в работах Лоренца (1904, 1909) содержалась первая чёткая и однозначная формулировка (в применении к классической электродинамике) того общего положения, которое известно ныне под названием калибровочной инвариантности и которое играет важную роль в современных физических теориях[44].
Подробности, касающиеся возникновения электронной теории Лоренца, её эволюции и отличия от теорий, выдвигавшихся другими исследователями (например, Лармором), можно найти в ряде специальных работ[45][46][47][48][49].
Применения: оптическая дисперсия и проводимость металлов[править | править код]
Применяя свою теорию к различным физическим ситуациям, Лоренц получил ряд значительных частных результатов. Так, ещё в первой работе по электронной теории (1892) учёный вывел закон Кулона, выражение для силы, действующей на проводник с током, и закон электромагнитной индукции. Здесь же он получил формулу Лоренца — Лоренца с помощью приёма, известного под названием сферы Лоренца. Для этого было рассчитано по отдельности поле внутри и вне воображаемой сферы, описанной вокруг молекулы, и впервые явным образом введено так называемое локальное поле, связанное с величиной поляризации на границе сферы[50]. В статье «Оптические явления, обусловленные зарядом и массой иона» (нидерл. Optische verschijnselen die met de lading en de massa der ionen in verband staan, 1898) была в полном виде, близком к современному, изложена классическая электронная теория дисперсии
Хендрик Антон Лоренц – великий физик
Антон Хендрик Лоренц – великий нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1902 году, создатель классической электронной теории, профессор Лейденского университета, член-корреспондент АН Петербурга в 1910 году.
Родился Хендрик Лоренц в городе Арнем 18 июля 1853 года. Его отец, Геррит Фредерик Лоренц был мелким предпринимателем и удерживал детские ясли, мать, Гертруда Лоренц, умерла, когда мальчику было четыре года. Ее заменила Люберта Хупкес, мачеха, о которой он всегда вспоминал с теплотой и любовью. В шесть лет Хендрик Лоренц пошел в школу. Он был лучшим учеником в классе и в 1866 году перешел в Высшую гражданскую школу. Мальчик обладал просто исключительной памятью, и помимо школьных предметов, смог выучить немецкий, французский и английский язык.
Перед поступлением в Лейденский университет он освоил греческий и латынь. Но особенные успехи Лоренц проявлял в изучении математики и физики. В 1870 году он поступает в Лейденский университет. Большое влияние на него, как на будущего физика-теоретика, оказал профессор Фредерик Кайзер, преподаватель астрономии. Обучаясь в университете, он познакомился с трудами Джеймса Максвелла. Изучая «Трактат по электричеству», он развил теорию Максвелла и выдвинул идею о том, что на магнитные и электрические свойства основное влияние оказывают носители электрического заряда – электроны.
Диссертацию на эту тему Лоренц защитил в 1875 году. Уже в 25 лет он становится профессором Лейденского университета на кафедре теоретической физики. Первым шагом к разработке электронной теории была работа 1878 года, объясняющая дисперсию света. В 1880 году параллельно с Людвигом Лоренцом он вывел формулу Лоренца-Лоренца, которая связывает показатель преломления вещества с электронной поляризуемостью атомов, ионов, молекул. Уже в 1881 году Хендрик Лоренц становится членом Королевской академии наук в городе Амстердаме.
Женился Хендрик Лоренц в начале 1881 года и его жена, Алетта Лоренц, смогла создать для него размеренную, спокойную и счастливую жизнь для напряженной и творческой работы. Труды Лоренца были посвящены статистической физике, электродинамике, теории излучения, оптике и атомной физике. Лоренц объяснил опыт Майкельсона-Морли, выдвинул гипотезу о сокращении размеров тел. В 1895 году выходит его первая книга о теории электрических и магнитных явлений движущихся тел, он вводит понятие о локальном времени.
В 1892 году ученый сформулировал окончательную теорию о расщеплении спектральных линий. В 1990 году Лоренц впервые посещает с докладом Париж. На Международном конгрессе физиков он был признан ведущими физиками того времени. Лоренц разрабатывал свою электронную теорию более 30 лет. В 1902 году за объяснение эффекта Зеемана он был удостоен Нобелевской премии. В 1904 году Лоренцем были выведены формулы известные и сегодня, как преобразования Лоренца. Именно из этих формул и были сформулированы кинематические эффекты теории относительности.
В этом же году ним была получена формула о связи массы электрона со скоростью его движения. С 1913 года он занимает должность директора кабинета физики Тейлеровского музея – в те времена высочайшую по своей значимости. Лоренц, организатор и председатель пяти Соловьевских конгрессов. Лоренц ставит перед физиками задачу и намечает пути ее решения о создании новой механики. Именно на этих конгрессах происходит формирование новой релятивистской и квантовой физики.
Хендрик Лоренц занимался не только теоретической наукой. Он стремился к объединению ученых разных государств, уделял внимание преподавательской деятельности, активно добивался открытия в Лейдене бесплатных библиотек. Лоренц пользовался огромной любовью и уважением не только на своей родине, но и в других странах. Скончался великий физик 4 февраля 1928 года в Харлеме.
Краткая биография Хендрика Лоренца
Лоренц Хендрик Антон (1853—1928), голландский физик-теоретик.
Родился 18 июля 1853 г. в Арнеме. Шести лет пошёл в школу, которую окончил лучшим учеником. Был зачислен в третий класс высшей гражданской школы. Любимыми предметами Хен дрика стали физика, математика, иностранные языки.
В 1870 г. он поступил в Лейденский университет. С отличием окончил его и вернулся в Арнем,чтобы преподавать в школе. Параллельно он пишет докторскую диссертацию «К теории отражения и преломления света», которая продолжает и саз вивает идеи Макхбелла об электромагнитной природе света. После блестящей защиты Лоренца пригласили на кафедру теоретической физики Лейденского университета.
В 1881 г. он стал членом Королевской академии наук в Амстердаме. После доклада на Международном конгрессе физиков в 1900 г. учёный был признан всеми знаменитыми физиками того времени.
Свою электронную теорию Лоренц разрабатывал больше 30 лет. В 1902 г. он был удостоен за неё (вместе с учеником П. Зееманом) Нобелевской премии.
Организатор и председатель пяти Сольвеевских конгрессов (1911—1927 гг.), Лоренц поставил перед физиками задачу создать новую механику и наметил путь её решения. Он осуществлял исследования в области электродинамики, статической механики, оптики, теории излучения, теории металлов, атомной физики. Вывел формулу, связывающую диэлектрическую проницаемость с плотностью диэлектрика и зависимость показателя преломления вещества от его плотности. Дал выражение для силы, действующей на движущийся заряд в электромагнитном поле; предсказал явление расщепления спектральных линий в сильном магнитном поле и разработал его теорию (1902 г.).
Ввёл понятие местного времени.
Умер 4 февраля 1928 г. в Харлеме.
Комментарии
Нобелевские лауреаты: Хендрик Лоренц — Индикатор
Родился 18 июля 1853 года, Арнем, Нидерланды. Скончался 4 февраля 1928 года, Харлем, Нидерланды.
Нобелевская премия по физике 1902 года (совместно с Питером Зееманом).
Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания исключительных услуг, которые они оказали науке своими исследованиями влияния магнетизма на явления излучения» (in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena).
Детство
Наш герой, в отличие от Питера Зеемана, росшего в деревне, родился в сравнительно крупном и достаточно древнем городе Арнеме, известном еще с IX века и входившем в Ганзейский союз.
Его родители, Геррит Фредерик Лоренц и Гертруда ван Гинкел, содержали небольшой детский сад. К сожалению, когда Хендрику (впрочем, когда говоришь о детях Лоренцов, правильнее говорить Хендрик Антон, поскольку в семье рос еще и Хендрик Ян Якоб, сын Гертруды от первого брака) исполнилось восемь, его мама скоропостижно умерла. Через год, в 1862 году, его отец женился вновь, на Люберте Хюпкес. Она смогла заменить детям мать, и будущий нобелевский лауреат пронес через всю жизнь любовь и память к матери и мачехе. В 32 года Лоренц назовет своего первого ребенка, свою старшую дочь, Гертрудой Любертой, в честь двух первых женщин в своей жизни.
В шесть лет Хендрик пошел в начальную школу Герта Корнелиса Тиммера, очень известную в Арнеме. Ее хозяин и старший преподаватель был автором учебников и, как сейчас принято говорить, популяризатором науки. Поэтому учеба давалась Хендрику легко и в школе Тиммера, и в открывшейся потом «высшей гражданской школе» (что-то наподобие лицея). Там ему преподавал физику Х. Ван-дер-Стадт, лекции и учебники которого привили Лоренцу любовь к физике.
Отрочество и юность
Впрочем, одной физикой интересы Лоренца не ограничились. Именно в школе он «заболел» литературой, полюбил Теккерея, Диккенса и Вальтера Скотта, перед поступлением в университет самостоятельно выучил греческий и латынь. Видимо, книги заменяли ему общение: юный физик был очень стеснительным, почти ни с кем не делился эмоциями и вообще был весьма скромным человеком, хотя успехи его были все виднее год от года.
Посудите сами: в 1870 году Лоренц поступил в Лейденский университет. Там он сошелся с профессором астрономии Фредериком Кайзером, автором трудов о комете Галлея и директором Лейденской обсерватории, который узнал о гениальном юноше от своего ученика Ван-дер-Стадта. Десять лет спустя Кайзер «подарит» Лоренцу не только многие знания, но и нечто более приятное — свою племянницу, дочь известного гравера Алетту. Они поженятся в 1881 году, и у них родится двое сыновей и две дочери.
Но пока Лоренцу было всего семнадцать, он учился. Учился очень успешно: уже в 1871 году, на следующий год после поступления, он сдал экзамены на степень магистра, а потом спокойно вернулся в Арнем преподавать в начальную школу Тиммера. К докторским экзаменам он решил готовиться сам.
ЛОРЕНЦ ХЕНДРИК АНТОН (1853 г. – 1928 г.). 100 знаменитых ученых
ЛОРЕНЦ ХЕНДРИК АНТОН
(1853 г. – 1928 г.)
Выдающийся нидерландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц родился 18 июля 1853 года в Арнеме (Нидерланды) в семье Геррита Фредерика Лоренца и Гертруды Лоренц (урожденной ван Гинкель).
Отец будущего ученого содержал детский сад. Мать умерла, когда мальчику было 4 года, и спустя пять лет отец женился на Люберте Хупкес.
В детстве Хендрик Антон был хрупким и неуверенным в себе мальчиком. В возрасте шести лет его отдали учиться в одну из лучших начальных школ Арнема, а через некоторое время он стал лучшим учеником в классе.
В 1966 году в Арнеме открылась Высшая гражданская школа, и Хендрика Лоренца как одаренного ребенка сразу взяли в третий класс.
В школе не отличающийся крепким здоровьем мальчик ловил все на лету. Особенно будущего ученого увлекало изучение физики и математики. Имея прекрасную память, унаследованную от своего деда, Хендрик Антон изучил английский, французский, немецкий, греческий и латинский языки. На латыни Лоренц сочинял прекрасные стихи до самой смерти.
Успехи в учебе породили у юноши дальнейшее желание учиться. После окончания 5-го класса Высшей гражданской школы Хендрик целый год изучал работы классиков. А в 1870 году будущий ученый поступил в престижный Лейденский университет. Здесь его больше всего заинтересовали лекции по теоретической астрономии профессора Фредерика Кайзера, но его воображение было потрясено работами Джеймса Клерка Максвелла, которые как раз поступили в университетскую библиотеку.
Знаменитый максвелловский «Трактат об электричестве» в то время был трудным для понимания даже для известных физиков. Когда Хендрик Антон попросил парижского переводчика трактата объяснить ему физический смысл нескольких уравнений Максвелла, то услышал, что эти уравнения не имеют физического смысла и их следует рассматривать лишь с точки зрения математики.
Учеба в Лейденском университете давалась Лоренцу легко, и уже в следующем году (1871) он защитил с отличием свою диссертационную работу и стал бакалавром физико-математических наук.
В это время он продолжал штудировать работы Максвелла. Кроме изучения полевых уравнений, будущий ученый, за двадцать лет до открытия электрона, предположил, что крохотные носители электрического заряда являются главными факторами влияния на свойства сред.
С целью подготовки к экзаменам на докторскую степень в 1872 году Хендрик Антон временно покинул университет и вернулся в Арнем, где преподавал в местной вечерней школе. В 1873 году будущий ученый вновь приехал в Лейден и сдал докторские экзамены на «отлично».
11 декабря 1875 года, в возрасте 22 лет, Лоренц блестяще защитил в Лейденском университете свою диссертационную работу по теории отражения и преломления света с точки зрения электромагнетизма Максвелла и был удостоен ученой степени доктора наук.
В своей диссертации Хендрик Антон исследовал вытекающие из электромагнитной теории Максвелла свойства световых волн и пытался обосновать изменение скорости распространения света в среде влиянием наэлектризованных частиц тела. И хотя в те времена некоторые физики высказывали идеи о существовании таких частиц, но структура атома была еще не известна, и предположения такого рода мало кто воспринимал серьезно.
После получения Лоренцом степени доктора наук Утрехтский университет предложил молодому ученому место профессора математики, однако он отказался, предпочтя должность учителя в гимназии. Выбор Лоренца объяснялся тем, что он надеялся на профессорское место в Лейденском университете.
Долго ждать ему не пришлось, и уже 25 января 1878 года двадцатипятилетний Хендрик Антон Лоренц, став профессором первой в истории всех университетов кафедры теоретической физики, специально учрежденной для него, произнес свою вступительную речь «Молекулярные теории в физике». До самого выхода на пенсию в 1913 году Лоренц, несмотря на многочисленные предложения из-за границы, так и остался верным рыцарем своей aima mater.
В 1878 году Хендрик Антон Лоренц опубликовал знаменитую статью «О соотношении между скоростью распространения света и плотностью и составом среды», в которой вывел соотношение между плотностью прозрачного вещества и показателем его преломления. Такую же формулу одновременно предложил датский физик Людвиг Лоренц, поэтому она получила название формулы Лоренца-Лоренца.
Работа Хендрика Антона основывалась на предположении, что материальный объект содержит колеблющиеся электрически заряженные частицы, взаимодействующие со световыми волнами. Она стала еще одним доводом в пользу того, что вещество состоит из атомов и молекул.
В начале 1880-х годов голландский физик заинтересовался кинетической теорией газов, описывающей движение молекул и соотношения между их температурой и средней кинетической энергией.
В последующие годы, будучи уже знаменитым ученым, Лоренц возвратился к своим студенческим исследованиям. Уже в 1892 году он сформулировал знаменитую теорию электронов. По Лоренцу, электричество возникает при движении очень маленьких отрицательно и положительно заряженных частиц, которые имеют определенную массу и подчиняются классическим законам. Только более поздние открытия установили, что все электроны отрицательно заряжены и подчиняются законам квантовой физики.
Кроме того, ученый сделал вывод, что колебания крохотных заряженных частиц (электронов), которые менее инертны, чем другие заряженные частицы вещества, порождают электромагнитные волны, в том числе световые и радиоволны, открытые еще в 1888 году гениальным физиком Генрихом Герцем.
Теория Лоренца объясняла различные электрические, магнитные и оптические свойства вещества, а также некоторые электромагнитные явления, в том числе эффект Зеемана.
В этом же 1892 году ученый опубликовал фундаментальный труд «Электромагнитная теория Максвелла и ее приложение к движущимся телам». В этой работе он выделил основные постулаты электронной теории и вывел выражение силы, с которой электрическое поле действует на движущийся заряд (сила Лоренца).
В это время голландский физик много и плодотворно работал. Из-под его пера вышли замечательные работы по различным проблемам физики того времени.
Продолжая заниматься теорией электронов, Лоренц значительно упростил электромагнитную теорию Максвелла.
В 1892 году он опубликовал знаменитую статью о расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Световой луч от раскаленного газа при прохождении через щель разделяется спектроскопом на составляющие частоты. В результате возникает линейчатый спектр – последовательность цветовых линий на черном фоне, позиция каждой из которых соответствует определенной частоте. Каждый газ имеет свой спектр.
Хендрик Антон Лоренц предположил, что частоты в испускаемом газом световом луче определяются частотами колеблющихся электронов. Кроме того, ученый выдвинул идею, что магнитное поле влияет на движение электронов, в результате чего изменяются частоты колебаний и спектр расщепляется на несколько линий.
В 1896 году студент Лоренца (а позже и его сотрудник) Питер Зееман провел опыт, который подтвердил эффект, прогнозируемый Лоренцом. Он поместил натриевое пламя между полюсами электромагнита, в результате чего две наиболее яркие линии в спектре натрия расширились. В своих дальнейших экспериментах Зееман использовал различные вещества и убедился в правильности предположения Лоренца о том, что расширенные спектральные линии в действительности представляют собой группы отдельных близких компонент.
Явление расщепления спектральных линий в магнитном поле было названо эффектом Зеемана. Питер Зееман экспериментально подтвердил также предположение Лоренца о поляризации испускаемого света. В следующем году Хендрик Антон Лоренц разработал теорию эффекта Зеемана, основанную на явлениях колебаний электронов. Полностью эффект Зеемана удалось объяснить позже, с помощью квантовой теории.
Как и его гениальные предшественники Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл, Лоренц полагал, что все пространство заполнено эфиром – особой средой, в которой распространяются электромагнитные волны. Хотя определить свойства эфира физикам не удалось, они не смогли доказать ни его отсутствие, ни его наличие.
Но в 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели знаменитый эксперимент, в котором с помощью высокоточного интерферометра попытались определить скорость движения Земли относительно эфира. В этом опыте световые лучи должны были пройти определенное расстояние по направлению движения Земли, а затем такое же расстояние – в противоположном направлении. Теоретически должны были получиться разные результаты измерений при движении луча в одном и другом направлениях. Однако опыты не выявили какой-либо разницы в скорости света, а значит, эфир никак не влиял на движение или же его не существует.
В 1892 году ирландский физик Джордж Фицджеральд показал, что отрицательные результаты опыта по существованию эфира можно объяснить в случае, если размеры тел, которые движутся со скоростью v, сокращаются в направлении их движения в
раз (с – скорость света). В этом же году независимо от Фицджеральда Лоренц предложил свое обоснование вопроса. Голландский ученый также предположил, что движение сквозь эфир приводит к сокращению размеров любого движущегося тела на величину, которая объясняет одинаковую скорость световых лучей в эксперименте Майкельсона и Морли. Гипотеза о сокращении размеров тел в направлении их движения получила название «сокращение Лоренца-Фицджеральда».Впоследствии проблемы, рассматриваемые знаменитыми физиками, привели к анализу и пересмотру многих классических представлений о времени и пространстве и в итоге – к разработке теории относительности и квантовой теории.
В 1895 году в Лейдене вышла из печати новая фундаментальная работа Лоренца «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах». Она стала настольной книгой по электродинамике всех ученых-физиков тех лет. Эйнштейн, Хевисайд, Пуанкаре расхваливали и изучали ее от первого и до последнего абзаца. В этой работе Лоренц привел полное систематическое изложение своей теории электронов. Кроме того, Хендрик предположил, что эфир не принимает участия в движении электронов, а значит, он неподвижен. Лоренц заметил, что речь идет не об абсолютном покое эфира, а о том, что любые реальные движения небесных тел являются движениями относительно эфира.
Нидерландский ученый ввел понятие локального времени, подразумевая, что время для движущихся тел протекает иначе, чем для покоящихся. На базе своих представлений об электронах Лоренц описал различные явления – от явлений дисперсии до явлений проводимости. Кроме того, он рассматривал электромагнитные явления в движущихся средах.
В 1899 году Лоренц напечатал статью «Упрощенная теория электрических и оптических явлений в движущихся телах», значительно упростив свою работу 1895 года.
В 1897 году директор Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсон открыл электрон – свободно движущуюся частицу, ее свойства оказались аналогичными тем, что Лоренц теоретически предполагал в электронах, колеблющихся в атомах.
В конце XIX – начале XX века Лоренц стал одним из ведущих физиков-теоретиков в мире. Многие ученые обращались к нему, когда сталкивались с непредвиденными трудностями. Нидерландский ученый был прекрасно осведомлен о состоянии дел в различных областях физики. Его работы касались таких областей физики, как теория электричества и магнетизма, оптика, кинетика, термодинамика, механика и др.
Лоренц близко подошел к созданию теории относительности, но так и не сделал необходимого шага в сторону от классических физических законов.
Почти все свои гениальные труды ученый написал, работая в Лейдене. В 1900 году он впервые выехал с научным докладом за границу на Международный конгресс физиков в Париже.
«В знак признания выдающейся работы, которую они проделали своими исследованиями воздействия магнетизма на явление излучения» нидерландские физики Хендрик Антон Лоренц и Питер Зееман были удостоены Нобелевской премии по физике за 1902 год.
В своей презентационной речи 10 декабря 1902 года профессор Ялмар Тиель, председатель Шведской королевской академии наук, сказал: «Величайший взнос в дальнейшее развитие электромагнитной теории света сделал профессор Лоренц, чья теоретическая работа по этой теме принесла богатейшие плоды. Кроме того, академия также помнит великую роль, которую профессор Лоренц сыграл в вышеупомянутых открытиях благодаря мастерской разработке теории электронов, которая стала основным законом и в других областях физики».
11 декабря 1902 года Лоренц прочитал свою знаменитую нобелевскую лекцию «Теория электронов и распространение света».
В 1904 году нидерландский ученый напечатал свою знаменитую статью «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света». Он вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени одного и того же события в двух различных инерциальных системах отсчета. Эти выражения получили название «преобразования Лоренца». Кроме того, нобелевский лауреат предложил формулу зависимости массы электрона от его скорости. Эффекты, рассматриваемые Лоренцом, имели место в том случае, когда скорость движения тела была близка к скорости света.
На основании работ Лоренца и Пуанкаре в 1905 году Альберт Эйнштейн создал частную теорию относительности, которая по-новому рассматривала проблемы пространства и времени. Формулы Лоренца, по сути, объясняли все кинематические эффекты этой теории.
Хендрик Антон способствовал многим физическим открытиям. Он одним из первых поддержал теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию Макса Планка.
Среди знаменитых работ Лоренца следует также выделить создание теории дисперсии света, объяснение зависимости электропроводности вещества от его теплопроводности, вывод формулы, связывающей проницаемость диэлектрика с плотностью.
В 1911 году в Брюсселе был проведен I Международный Сольвеевский конгресс физиков «Излучение и кванты», председателем которого был избран Хендрик Антон Лоренц. Его скромность и обаятельность, блестящие знания физики и разных языков снискали ему уважение у различных ученых. Лоренц был многократным руководителем различных международных конференций. Особенно следует выделить знаменитые Сольвеевские конгрессы, на которых и формировалась новая квантовая и релятивистская физика. Нидерландский ученый был одним из организаторов и председателем этих знаменитых заседаний физиков всего мира.
В 1912 году Лоренц ушел в отставку из Лейденского университета. В следующем году он занял престижный пост директора физического кабинета Тейлоровского музея в Харлеме, который по рангу находился на одной ступени с президентом Лондонского королевского общества.
Еще при жизни Хендрик Антон Лоренц был признан старейшиной физической науки, одним из классиков теоретической физики.
В 1919 году Лоренца пригласили принять участие в одном из величайших в истории проектов гидротехники – предупреждения наводнений и контроля за ними. Он был избран главой комитета по изучению движения морской воды во время и после осушения Зейдер-Зее (залива Северного моря). Его теоретические вычисления – результат восьмилетней работы – были подтверждены практикой и с того времени постоянно применяются в гидравлике.
Во время и после окончания Первой мировой войны голландский ученый активно выступал за объединение ученых разных стран. Лоренц добился открытия в Лейдене бесплатных библиотек, много времени уделял вопросам преподавания.
В 1923 году Лоренц стал членом Международного комитета Лиги Наций по интеллектуальному сотрудничеству, а в 1925 году – его председателем.
В начале 1881 года знаменитый нидерландский ученый женился на Аллетте Катерине Кайзер, племяннице профессора астрономии Кайзера. Жена родила Лоренцу четверых детей, но один из них умер еще в младенческом возрасте. Старшая дочь, Гертруда Люберта Лоренц, пошла по стопам отца и стала физиком. Благодаря жене, которая полностью взяла на себя воспитание детей, Хендрик Антон мог целиком отдавать себя любимому делу – науке.
В одном из писем 1927 года своей дочери ученый написал, что он планирует завершить несколько научных дел, но и то, что он уже сделал, – тоже хорошо, ведь он прожил большую и чудесную жизнь.
Кроме Нобелевской премии знаменитый ученый был награжден различными медалями и премиями, среди которых можно выделить медали Копли (1918) и Румфорда (1908) Лондонского королевского общества.
Лоренц был членом различных академий наук и научных обществ. В 1912 году он стал секретарем Нидерландского научного общества, в 1910 году был избран иностранным членом-корреспондентом Петербургской АН, а в 1925 году – иностранным почетным членом Академии наук СССР. В 1881 году Лоренц стал членом Королевской академии наук в Амстердаме. Кроме того, Хендрик Антон был почетным доктором Парижского и Кембриджского университетов, членом Лондонского королевского и Германского физического обществ.
4 февраля 1928 года в возрасте 75 лет Хендрик Антон Лоренц умер в Харлеме. В Нидерландах был объявлен национальный траур.
Еще при жизни Лоренц стал живым классиком физики. После его смерти его именем был назван один из лунных кратеров.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.Читать книгу целиком
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
ЛОРЕНЦ, ХЕНДРИК АНТОН | Энциклопедия Кругосвет
ЛОРЕНЦ, ХЕНДРИК АНТОН (Lorentz, Hendrik Antoon) (1853–1928), нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии 1902 по физике, присужденной за объяснение эффекта Зеемана. Родился в Арнеме 18 июля 1853. Учился в Лейденском университете, работал преподавателем в вечерней школе. В 1875 защитил докторскую диссертацию, посвященную отражению и преломлению света с точки зрения электромагнетизма Максвелла. В 1878–1913 – профессор Лейденского университета, с 1913 – директор физического кабинета Тейлеровского музея в Харлеме.
Работы Лоренца посвящены электродинамике, статистической физике, оптике, теории излучения, атомной физике. Основываясь на электромагнитной теории Максвелла и введя в учение об электричестве атомистические представления, Лоренц создал классическую электронную теорию (1880–1909). Одно из значительных научных достижений Лоренца – предсказание расщепления спектральных линий в магнитном поле. В 1896 этот эффект был экспериментально подтвержден П.Зееманом, а в 1897 Лоренц предложил его теоретическое обоснование.
В 1892 Лоренц дал объяснение опыта Майкельсона – Морли (определение скорости движения Земли относительно неподвижного эфира), выдвинул (независимо от Дж.Фитцджеральда) гипотезу о сокращении размеров тел в направлении их движения (сокращение Лоренца – Фитцджеральда). В 1895 ввел понятие локального времени (время для движущихся тел протекает иначе, чем для покоящихся). В 1904 вывел формулы, связывающие между собой координаты и время для одного и того же события в двух разных инерциальных системах отсчета (преобразование Лоренца). Из этих формул следовали все кинематические эффекты специальной теории относительности. В том же году получил формулу, связывающую массу электрона со скоростью его движения.
Среди других работ Лоренца – создание теории дисперсии света, объяснение зависимости электропроводности вещества от теплопроводности, вывод формулы, связывающей диэлектрическую проницаемость диэлектрика с плотностью, получение зависимости показателя преломления вещества от его плотности (формула Лоренца), определение силы, действующей на заряд, движущийся в электрическом поле (сила Лоренца). Известны также работы Лоренца по кинетической теории газов, электронной теории металлов. Умер Лоренц в Харлеме 4 февраля 1928.
Проверь себя!
Ответь на вопросы викторины «Физика»
Что такое изотоп, чему равно число Авогадро и что изучает наука реология?
Хендрик Антон Лоренц
Хендрик Антон Лоренц (часто пишется Гендрик) (1853—1928) — выдающийся нидерландский физик, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1910) и иностранный почетный член АН СССР, (1925). Труды по теоретической физике. Создал классическую электронную теорию, с помощью которой объяснил многие электрические и оптические явления, в том числе эффект Зеемана. Разработал электродинамику движущихся сред. Вывел преобразования, названные его именем. Х. Лоренц близко подошел к созданию теории относительности. Нобелевская премия (1902, совместно с П. Зееманом).
Хендрик Лоренц родился 18 июля 1853, Арнем, в Нидерландах. Скончался 4 февраля 1928, Харлем.
Детство
В 1857 Хендрик и его старший брат остались, потеряв мать, на попечении отчима, а через 4 года в доме появилась мачеха. К этой женщине Хендрик на всю жизнь сохранил самые теплые чувства. Маленький Лоренц, как казалось, очень отставал в развитии. Когда его сводный брат уже пошел в школу, Хендрик мог лишь с трудом произнести «до свидания». Хрупкий и не отличавшийся крепким здоровьем мальчик не увлекался резвыми играми, хотя и не сторонился сверстников.
В шесть лет Хендрик был отдан в школу, считавшейся лучшей в Арнеме, и вскоре он стал первым в своем классе. В 1866 он перешел в только что открывшуюся тогда Высшую гражданскую школу. И здесь он учился блестяще. Приобщение к наукам было увлекательным и успехи порождали поддерживавшую его всю жизнь уверенность в своих силах. Обладая исключительной памятью Хендрик Лоренц, помимо всех школьных дел успел выучить английский, французский, и немецкий языки, а перед поступлением в университет еще греческий и латынь (до старости он мог сочинять стихи по латыни).
Но на первом месте уже тогда была наука — математика и, особенно, физика. В 1870 Хендрик Лоренц поступил в Лейденский университет. И здесь произошло событие, во многом определившее весь дальнейший путь Лоренца в науке: он познакомился с трудами Джеймса Клерка Максвелла. К этому времени «Трактат об электричестве» был понят лишь немногими физиками. Более того, когда юный Хендрик попросил парижского переводчика «Трактата…» объяснить ему физический смысл уравнений Максвелла, он услышал в ответ, что «…никакого физического смысла эти уравнения не имеют и понять их нельзя; их следует рассматривать как чисто математическую абстракцию».
Хендрик Лоренц не только досконально изучил, но и развил теорию Максвелла. Дело в том, что эта теория как бы распадалась на две части. Одна из них — это так называемые полевые уравнения; они позволяют по заданному распределению источников, т. е. зарядов и токов, вычислить напряженности электрического и магнитного полей. Но есть и вторая часть: нужно выяснять, что же собой представляют сами источники, т.е. носители зарядов и как на них действуют эти поля. Лоренц выдвинул идею, что основное влияние на электрические и магнитные свойства сред оказывают мельчайшие носители электрических зарядов — электроны. Это может показаться невероятным: диссертацию, в которой впервые была намечена грандиозная программа объяснения всех электрических и магнитных свойств сред, в которой центральная роль отводилась электронам, Лоренц защитил 11 декабря 1875 г., т.е. за двадцать лет до «официального рождения» электрона! Догадки о дискретной структуре электричества, о мельчайших носителях заряда высказывались уже в начале 19 века, но в ту пору, когда об устройстве атомов физики, в сущности, почти ничего не знали (и даже еще не располагали доказательствами самого факта их существования), нужна была большая научная смелость и убежденность, чтобы выдвинуть такую программу. Тем более, что и «образ» самого электрона совершенно не был ясен.
Хендрик Антон Лоренц и начал с этого вопроса, приняв, что электрон — частица, имеющая определенную массу и электрический заряд и подчиняющаяся законам классической механики Ньютона. Из-за малости массы электрона он сильнее всех остальных частиц реагирует на действие электрических и магнитных сил и становится поэтому наиболее активным участником всех электромагнитных процессов в веществах. Наши сегодняшние представления об электронах сильно отличаются от лоренцовских, теперь принято, что они «живут» по законам квантовой, а не классической физики, но глубочайшие идеи Лоренца не потеряли актуальности и поныне.
Лоренц — профессор Лейденского университета
Утрехтский университет предложил Х. Лоренцу место профессора математики, но он предпочел должность учителя в лейденской классической гимназии, в надежде на профессуру в Лейденском университете. Надеждам суждено было вскоре сбыться, и 25 января 1878 двадцатипятилетний Лоренц, профессор первой в истории всех университетов кафедры теоретической физики, произнес вступительную речь «Молекулярные теории в физике».
В начале 1881 Хендрик Лоренц женился, и Алетта Лоренц сумела сделать все, чтобы его жизнь была спокойной, деятельной и счастливой. Он жил размеренной жизнью, наполненной повседневным напряженным и счастливым творческим трудом, небогатой внешними событиями. Он в первый раз поехал с научным докладом за границу (в Париж, на Международный конгресс физиков) в 1900 году. Он к тому времени был уже известным ученым. В 1895 вышла его книга «Опыт теории электрических и магнитных явлений в движущихся телах». Ее автор писал о том, как на базе представлений об электронах можно описать многие эффекты — от явлений дисперсии, т.е. зависимости показателя преломления в веществах от частоты, до явлений проводимости. И еще он там писал о том, что вскоре стало в электродинамике наиболее актуальным и волнующим, об электромагнитных явлениях в движущихся средах.
Основу теории Максвелла составляли уравнения, определяющие зависимость напряженностей электрических и магнитных полей от координат точек пространства. Но со времен Ньютона и даже Галилео-Галилея было известно, что эти величины относительны, что они меняются при переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой. В какой же системе отсчета записываются уравнения Максвелла? Может быть, в той, в которой рассматриваемое тело покоится? Но ведь движение относительно, как, по крайней мере, считается в механике. А в электродинамике?
Лоренц, как и многие его предшественники, в том числе, и великие Майкл Фарадей и Максвелл, считали, что все пространство заполнено особой средой — эфиром, натяжения в котором и проявляются как напряженности электромагнитных полей. Если эфир в целом не увлекается материальными телами в их движении, значит существует абсолютное движение — движение по отношению к эфиру. Окончательное решение проблемы — за экспериментом. Такой эксперимент был осуществлен в конце 19 века Майкельсоном и Морли, пытавшимися обнаружить движение Земли относительно эфира. Но обнаружить «эфирный ветер» не удалось, и это породило принципиальную проблему в электродинамике движущихся сред.
Попытку спасти положение предпринял в 1892 Джордж Фицджеральд (1851-1901). Это было всего лишь блестящей гипотезой, но Лоренц предложил ее обоснование. Он исходил из того, что все положения атомов и молекул в любой линейке определяются почти лишь электростатическими силами; Лоренц (эти вопросы были детально исследованы в его работах) уже знал, что кулоновские поля движущихся зарядов испытывают точно такое же сокращение, что и должно было объяснять фицджералдово сокращение (теперь все называют его лоренцовым).
Впоследствии появилась критика этой интерпретации (в роли «линейки» могут выступать не твердые тела, а сами электромагнитные волны, а они вовсе не состоят из атомов). Анализ всего комплекса возникающих здесь проблем привел к пересмотру многих классических представлений о пространстве и времени, к возникновению одной из великих теорий 20 века — теории относительности. Воспитанный в традициях классической теории и сделавший весьма многое для ее углубления и развития, Лоренц не мог легко и быстро принять все те грандиозные перемены, которые пришли в физику с началом нового века. Но он не только не препятствовал распространению новых идей, но, всегда стремился глубже их понять и популяризировать. Не случайно он в глазах многих был достоин почетного титула «Старейшины физической науки». В 1902 он совместно с Зееманом был удостоен Нобелевской премии, многократно приглашался для чтения лекций в университеты Европы и Америки.
Особо нужно отметить участие Хенрика Лоренца в подготовке и проведении Сольвеевских конгрессов. Уже на первом из этих авторитетнейших собраний ведущих физиков, проходившем в 1911, как и на последующих четырех, до 1927 Лоренц неизменно избирался председателем и блистательно справлялся с этой ролью. Далеко не последнее значение здесь имели человеческие черты личности Лоренца — его высочайшая научная компетентность и исключительные нравственные качества. Можно с уверенностью сказать, что именно на этих конгрессах и происходило формирование новой — квантовой и релятивистской физики.
Хенрик Лоренц не замыкался в одной лишь теоретической физике. Он много лет вел трудоемкие расчеты, связанные с проблемой осушения Зейдер-Зе, большое внимание уделял вопросам преподавания, добился организации в Лейдене бесплатных библиотек, во время и после войны тратил много усилий для объединения ученых разных стран.
Зейдер-Зе (Zuiderzee) — залив Северного моря, у берегов Нидерландов. Образовался в 1282 в результате наводнения. Отделен от моря Западно-Фризскими о-вами. Глубина 3-4 м, на фарватерах 8-24 метров. Перегорожен шлюзовой дамбой. Внутренняя часть (залив-озеро Эйсселмер) частично осушена, оставшаяся часть (560 км2) осваивается с 1980.
Лоренц любил свою страну и писал: «Я счастлив, что принадлежу к нации, слишком маленькой, чтобы совершать большие глупости». Он пользовался огромным уважением и любовью как у себя на родине, так и везде, где его знали. Празднование пятидесятилетия со дня защиты им докторской диссертации, начавшееся 11 декабря 1925 года вылилось в общенациональный праздник.
В 1927 году, незадолго до кончины 4 февраля 1928, Хенрик Лоренц писал дочери, что надеется «завершить еще несколько научных дел», но тут же добавил: «Впрочем, то, что есть — тоже хорошо: за плечами у меня — большая и чудесная жизнь».
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!