Хендрик Антон Лоренц

Хендрик Антон Лоренц — нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902), создатель классической электронной теории, автор преобразований Лоренца, сыгравших ключевую роль в развитии специальной теории относительности. Член Нидерландской королевской академии наук, иностранный член Лондонского королевского общества, Академии наук СССР (с 1925) и других академий.

Биография

Ранние годы и образование

Хендрик Антон Лоренц родился 18 июля 1853 года в Арнеме (Нидерланды). Его отец, Геррит Фредерик Лоренц, был владельцем питомника и садоводческого хозяйства, мать, Гертруда ван Гинкель, умерла, когда мальчику было четыре года. После её смерти воспитанием занималась мачеха. С ранних лет Лоренц проявлял выдающиеся способности к математике и физике. В 1866 году он поступил в среднюю школу в Арнеме, а в 1870 году — в Лейденский университет.

В 1872 году Лоренц с отличием сдал экзамены на степень доктора философии, но для получения докторской степени требовалось представить диссертацию. Под руководством профессора Питера Рейке он работал над теорией отражения и преломления света. Докторскую диссертацию «К теории отражения и преломления света» (Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht) защитил в 1875 году в Лейденском университете. В возрасте 22 лет он уже был признанным специалистом в области электродинамики.

Профессорская деятельность

В 1878 году, в возрасте 24 лет, Лоренц был назначен профессором теоретической физики Лейденского университета — первой кафедры теоретической физики в Нидерландах. Эту должность он занимал до 1912 года, когда перешёл на работу в Музей Тейлора в Харлеме, где получил должность куратора физического кабинета. Однако он продолжал читать лекции в Лейдене по понедельникам, и его «понедельничные лекции» стали традицией, привлекавшей физиков со всей Европы.

Лоренц был известен как блестящий лектор и педагог. Среди его учеников были такие выдающиеся физики, как Питер Зееман (будущий нобелевский лауреат) и Адриан Фоккер.

Последние годы и смерть

В 1912 году Лоренц оставил профессорскую должность, но продолжал активную научную и организационную работу. После Первой мировой войны он участвовал в восстановлении международного научного сотрудничества. В 1923 году стал председателем Международного комитета по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций (предшественника ЮНЕСКО). Лоренц умер 4 февраля 1928 года в Харлеме. Похороны прошли с национальными почестями; в день похорон на всех государственных учреждениях Нидерландов были приспущены флаги.

Научная деятельность

Электронная теория Лоренца

Основным вкладом Лоренца в физику стала созданная им в 1890-х годах электронная теория. В отличие от максвелловской электродинамики, которая рассматривала поля как непрерывные среды, Лоренц предположил, что электромагнитные явления обусловлены движением дискретных заряженных частиц — электронов (термин «электрон» был введён Джорджем Стони, но Лоренц развил теорию их поведения). Ключевые положения теории:

• Атомизм электричества: электрический заряд существует в виде дискретных частиц — электронов.
• Лоренцева сила: сила, действующая на заряд \( q \), движущийся со скоростью \( \mathbf{v} \) в электрическом поле \( \mathbf{E} \) и магнитном поле \( \mathbf{B} \), выражается формулой \( \mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}) \). Эта формула является фундаментальной в электродинамике.
• Связь света и электромагнетизма: Лоренц объяснил дисперсию света, эффект Зеемана (расщепление спектральных линий в магнитном поле) и другие оптические явления на основе колебаний электронов в атомах.

За объяснение эффекта Зеемана (открытого его учеником Питером Зееманом в 1896 году) Лоренц и Зееман были удостоены Нобелевской премии по физике в 1902 году.

Преобразования Лоренца

В 1904 году Лоренц опубликовал работу «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света», в которой вывел математические формулы, связывающие координаты и время в двух инерциальных системах отсчёта, движущихся относительно друг друга. Эти формулы, названные преобразованиями Лоренца, стали математической основой специальной теории относительности (СТО), сформулированной Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

Преобразования Лоренца заменили галилеевы преобразования классической механики и показали, что пространство и время не являются абсолютными, а зависят от скорости движения наблюдателя. Лоренц, однако, интерпретировал эти преобразования не как изменение свойств пространства-времени, а как результат взаимодействия движущихся тел с эфиром (гипотетической средой, в которой, как считалось, распространяется свет). Эйнштейн дал им физическую интерпретацию в рамках СТО, отказавшись от понятия эфира.

Сокращение Лоренца — Фицджеральда

Независимо от Джорджа Фицджеральда, Лоренц в 1892 году предложил гипотезу о том, что размеры движущихся тел сокращаются в направлении движения. Это явление, известное как лоренцево сокращение (или сокращение Фицджеральда — Лоренца), было впоследствии объяснено в рамках СТО. Лоренц рассматривал его как реальное механическое сжатие тел из-за их движения относительно эфира.

Другие достижения

• Теория электронов в металлах: Лоренц разработал классическую теорию электропроводности и теплопроводности металлов, объяснив закон Видемана — Франца (отношение теплопроводности к электропроводности пропорционально температуре).
• Теория излучения: внёс вклад в теорию теплового излучения, вывел формулу для распределения энергии в спектре чёрного тела (формула Рэлея — Джинса, полученная независимо Лоренцем).
• Гидродинамика и оптика: работал над теорией приливов, теорией дифракции света, а также над проблемами термодинамики.

Наследие и признание

Награды и звания

• Нобелевская премия по физике (1902, совместно с Питером Зееманом).
• Медаль Румфорда (Лондонское королевское общество, 1908).
• Медаль Копли (Лондонское королевское общество, 1918).
• Медаль Франклина (Институт Франклина, 1917).
• Почётный доктор многих университетов, включая Оксфордский, Кембриджский, Парижский, Гарвардский.

Память

• Именем Лоренца названа единица измерения в физике (лоренц — единица длины в системе СГСЭ, ныне не используется).
• В 1931 году в Лейдене был основан Институт теоретической физики имени Лоренца (Lorentz Institute).
• Кратер на обратной стороне Луны носит имя Лоренца.
• Его имя присвоено астероиду (2921) Лоренц.
• В 1953 году, к 100-летию со дня рождения, в Нидерландах была выпущена почтовая марка с изображением Лоренца.
• Портрет Лоренца был помещён на банкноту в 100 нидерландских гульденов (выпуск 1970-х годов).

Влияние на науку

Работы Лоренца заложили основы классической электронной теории, которая стала связующим звеном между максвелловской электродинамикой и квантовой теорией. Преобразования Лоренца являются фундаментом специальной теории относительности, а лоренцева сила — одним из основных уравнений электродинамики. Лоренц также внёс вклад в развитие статистической физики и термодинамики. Его подход к моделированию физических явлений (введение гипотез, проверяемых экспериментально) оказал влияние на многих физиков XX века.

Интересные факты

• Лоренц свободно владел несколькими языками, включая голландский, немецкий, французский, английский и итальянский. Он часто читал лекции и писал научные статьи на разных языках.
• В 1920-х годах Лоренц был председателем Международного комитета по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций, где работал вместе с Альбертом Эйнштейном и Марией Кюри.
• Лоренц был известен своей исключительной вежливостью и скромностью. Эйнштейн писал о нём: «Лоренц был для нас всех величайшим и благороднейшим человеком».
• Несмотря на то, что Лоренц не принял квантовую механику полностью, он активно участвовал в дискуссиях о её интерпретации, в том числе на знаменитых Сольвеевских конгрессах.

Источники

• Хендрик Антон Лоренц // Нобелевские лекции по физике 1901–1921. — Elsevier, 1967.
• Лоренц, Г. А. Избранные труды. — М.: Наука, 1974.
• Паули В. Теория относительности. — М.: Наука, 1983.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• Lorentz, H. A. The Theory of Electrons. — Leipzig: Teubner, 1909.