Лоренц Гендрик Антон

ЛОРЕНЦ (Lorentz), Хендрик, 18 июля 1853 г. - 4 февраля 1928 г. Нобелевская премия по физике, 1902 г., совместно с П. Зееманом
Голландский физик Хендрик Антон Лоренц родился в Арнхеме в семье Геррита Фредерика Лоренца и Гертруды (ван Гинкель) Лоренц. Отец Лоренца содержал детские ясли. Мать мальчика умерла, когда ему исполнилось четыре года. Через пять лет отец женился вторично на Люберте Хупкес. Лоренц учился в средней школе Арнхема и имел отличные оценки по всем предметам.
В 1870 г. он поступил в Лейденский университет, где познакомился с профессором астрономии Фредериком Кайзером, чьи лекции по теоретической астрономии заинтересовали его. Менее чем за два года Лоренц стал бакалавром наук по физике и математике. Возвратившись в Арнхем, он преподавал в местной средней школе и одновременно готовился к экзаменам на докторскую степень, которые он отлично сдал в 1873 г. Через два года Лоренц успешно защитил в Лейденском университете диссертацию на соискание ученой степени доктора наук. Диссертация была посвящена теории отражения и преломления света. В ней Лоренц исследовал некоторые следствия из электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла относительно световых волн. Диссертация была признана выдающейся работой.
Лоренц продолжал жить в родном доме и преподавать в местной средней школе до 1878 г., когда он был назначен на кафедру теоретической физики Лейденского университета. В то время теоретическая физика как самостоятельная наука делала еще только первые шаги. Кафедра в Лейдене была одной из первых в Европе. Новое назначение как нельзя лучше соответствовало вкусам и наклонностям Лоренца, который обладал особым даром формулировать теорию и применять изощренный математический аппарат к решению физических проблем.
Продолжая заниматься исследованием оптических явлений, Лоренц в 1878 г. опубликовал работу, в которой теоретически вывел соотношение между плотностью тела и его показателем преломления (отношением скорости света в вакууме к скорости света в теле - величине, характеризующей, насколько сильно отклоняется от первоначального направления луч света при переходе из вакуума в тело). Случилось так, что несколько раньше ту же формулу опубликовал датский физик Людвиг Лоренц, поэтому она получила название формулы Лоренца - Лоренца. Однако работа Хендрика Лоренца представляет особый интерес потому, что основана на предположении, согласно которому материальный объект содержит колеблющиеся электрически заряженные частицы, взаимодействующие со световыми волнами. Она подкрепила отнюдь не общепринятую тогда точку зрения на то, что вещество состоит из атомов и молекул.
В 1880 г. научные интересы Лоренца были связаны главным образом с кинетической теорией газов, описывавшей движение молекул и установление соотношения между их температурой и средней кинетической энергией. В 1892 г. Лоренц приступил к формулированию теории, которую как сам он, так и другие впоследствии назвали теорией электронов. Электричество, утверждал Лоренц, возникает при движении крохотных заряженных частиц - положительных и отрицательных электронов. Позднее было установлено, что все электроны отрицательно заряжены. Лоренц заключил, что колебания этих крохотных заряженных частиц порождают электромагнитные волны, в том числе световые и радиоволны, предсказанные Максвеллом и открытые Генрихом Герцем в 1888 г. В 1890-е гг. Лоренц продолжил занятия теорией электронов. Он использовал ее для унификации и упрощения электромагнитной теории Максвелла, опубликовал серьезные работы по многим проблемам физики, в том числе о расщеплении спектральных линий в магнитном поле.
Когда свет от раскаленного газа проходит через щель и разделяется спектроскопом на составляющие частоты, или чистые цвета, возникает линейчатый спектр - серия ярких линий на черном фоне, положение которых указывает соответствующие частоты. Каждый такой спектр характерен для вполне определенного газа. Лоренц предположил, что частоты колеблющихся электронов определяют частоты в испускаемом газом свете. Кроме того, он выдвинул гипотезу о том, что магнитное поле должно сказываться на движении электронов и слегка изменять частоты колебаний, расщепляя спектр на несколько линий. В 1896 г. коллега Лоренца по Лейденскому университету Питер Зееман поместил натриевое пламя между полюсами электромагнита и обнаружил, что две наиболее яркие линии в спектре натрия расширились. После дальнейших тщательных наблюдений над пламенем различных веществ Зееман подтвердил выводы теории Лоренца, установив, что расширенные спектральные линии в действительности представляют собой группы из близких отдельных компонент. Расщепление спектральных линий в магнитном поле получило название эффекта Зеемана. Зееман подтвердил и предположение Лоренца о поляризации испускаемого света.
Хотя эффект Зеемана не удалось полностью объяснить до появления в XX в. квантовой теории, предложенное Лоренцем объяснение на основе колебаний электронов позволило понять простейшие особенности этого эффекта. В конце XIX в. многие физики считали (как выяснилось впоследствии, правильно), что спектры должны стать ключом к разгадке строения атома. Поэтому применение Лоренцем теории электронов для объяснения спектрального явления можно считать необычайно важным шагом на пути к выяснению строения вещества. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон в виде свободно движущейся частицы, возникающей при электрических разрядах в вакуумных трубках. Свойства открытой частицы оказались такими же, как у постулированных Лоренцем электронов, колеблющихся в атомах.
Зееман и Лоренц были удостоены Нобелевской премии по физике 1902 г. "в знак признания выдающегося вклада, который они внесли своими исследованиями влияния магнетизма на излучения". "Наиболее значительным вкладом в дальнейшее развитие электромагнитной теории света мы обязаны профессору Лоренцу, - заявил на церемонии вручения премии Ялмар Теель из Шведской королевской академии наук. - Если теория Максвелла свободна от каких бы то ни было допущений атомистического характера, то Лоренц начинает с гипотезы о том, что вещество состоит из микроскопических частиц, называемых электронами, которые являются носителями вполне определенных зарядов".
В конце XIX - начале XX в. Лоренца по праву считался ведущим физиком-теоретиком мира. Работы Лоренца охватывали не только электричество, магнетизм и оптику, но и кинетику, термодинамику, механику, статистическую физику и гидродинамику. Его усилиями физическая теория достигла пределов, возможных в рамках классической физики. Идеи Лоренца оказали влияние на развитие современной теории относительности и квантовой теории.
В 1904 г. Лоренц опубликовал наиболее известные из выведенных им формул, получившие название преобразований Лоренца. Они описывают сокращение размеров движущегося тела в направлении движения и изменение хода времени. Оба эффекта малы, но возрастают, если скорость движения приближается к скорости света. Эту работу он предпринял в надежде объяснить неудачи, постигавшие все попытки обнаружить влияние эфира - загадочного гипотетического вещества, якобы заполняющего все пространство.
Считалось, что эфир необходим как среда, в которой распространяются электромагнитные волны, например свет, подобно тому как молекулы воздуха необходимы для распространения звуковых волн. Несмотря на многочисленные трудности, встретившиеся на пути тех, кто пытался определить свойства вездесущего эфира, который упорно не поддавался наблюдению, физики все же были убеждены в том, что он существует. Одно из следствий существования эфира должно было бы наблюдаться обязательно: если скорость света измерять движущимся прибором, то она должна быть больше при движении к источнику света и меньше при движении в другую сторону. Эфир можно было бы рассматривать как ветер, переносящий свет и заставляющий его распространяться быстрее, когда наблюдатель движется против ветра, и медленнее, когда он движется по ветру.
В знаменитом эксперименте, выполненном в 1887 г. Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли с помощью высокоточного прибора, называемого интерферометром, лучи света должны были пройти определенное расстояние в направлении движения Земли и затем такое же расстояние в противоположном направлении. Результаты измерений сравнивались с измерениями, произведенными над лучами, распространяющимися туда и обратно перпендикулярно направлению движения Земли. Если бы эфир как-то влиял на движение, то времена распространения световых лучей вдоль направления движения Земли и перпендикулярно ему из-за различия в скоростях отличались бы достаточно для того, чтобы их можно было измерить интерферометром. К удивлению сторонников теории эфира, никакого различия обнаружено не было.
Множество объяснений (например, ссылка на то, что Земля увлекает за собой эфир и поэтому он покоится относительно нее) были весьма неудовлетворительны. Для решения этой задачи Лоренц (и независимо от него ирландский физик Дж. Ф. Фитцджералд) предположил, что движение сквозь эфир приводит к сокращению размеров интерферометра (и, следовательно, любого движущегося тела) на величину, которая объясняет кажущееся отсутствие измеримого различия скорости световых лучей в эксперименте Майкельсона - Морли.
Преобразования Лоренца оказали большое влияние на дальнейшее развитие теоретической физики в целом и в частности на создание в следующем году Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности. Эйнштейн питал к Лоренцу глубокое уважение. Но если Лоренц считал, что деформация движущихся тел должна вызываться какими-то молекулярными силами, изменение времени - не более чем математический трюк, а постоянство скорости света для всех наблюдателей должно следовать из его теории, то Эйнштейн подходил к относительности и постоянству скорости света как к основополагающим принципам, а не проблемам. Приняв радикально новую точку зрения на пространство, время и несколько фундаментальных постулатов, Эйнштейн вывел преобразования Лоренца и исключил необходимость введения эфира.
Лоренц сочувственно относился к новаторским идеям и одним из первых выступил в поддержку специальной теории относительности Эйнштейна и квантовой теории Макса Планка. На протяжении почти трех десятилетий нового века Лоренц проявлял большой интерес к развитию современной физики, сознавая, что новые представления о времени, пространстве, материи и энергии позволили разрешить многие проблемы, с которыми ему приходилось сталкиваться в собственных исследованиях. О высоком авторитете Лоренца среди коллег свидетельствует хотя бы такой факт: по их просьбе он в 1911 г. стал председателем первой Сольвеевской конференции по физике - международного форума самых известных ученых - и ежегодно, до самой смерти, выполнял эти обязанности.
В 1912 г. Лоренц ушел в отставку из Лейденского университета с тем, чтобы уделять большую часть времени научным исследованиям, но раз в неделю он продолжал читать лекции. Переехав в Гарлем, Лоренц принял на себя обязанности хранителя физической коллекции Музея гравюр Тейлора. Это давало ему возможность работать в лаборатории. В 1919 г. Лоренц принял участие в одном из величайших в мире проектов предупреждения наводнений и контроля за ними. Он возглавил комитет по наблюдению за перемещениями морской воды во время и после осушения Зюйдерзее (залива Северного моря). После окончания первой мировой войны Лоренц активно способствовал восстановлению научного сотрудничества, прилагая усилия к тому, чтобы восстановить членство граждан стран Центральной Европы в международных научных организациях. В 1923 г. он был избран в международную комиссию по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций. В состав этой комиссии входили семь ученых с мировым именем. Через два года Лоренц стал ее председателем. Лоренц сохранял интеллектуальную активность до самой смерти, последовавшей 4 февраля 1928 г. в Гарлеме.
В 1881 г. Лоренц женился на Аллетте Катерине Кайзер, племяннице профессора астрономии Кайзера. У супругов Лоренц родилось четверо детей, один из которых умер в младенческом возрасте. Лоренц был необычайно обаятельным и скромным человеком. Эти качества, а также его удивительные способности к языкам позволили ему успешно руководить международными организациями и конференциями.
Помимо Нобелевской премии Лоренц был удостоен медалей Копли и Румфорда Лондонского королевского общества. Он был почетным доктором Парижского и Кембриджского университетов, членом Лондонского королевского и Германского физического обществ. В 1912 г. Лоренц стал секретарем Нидерландского научного общества.

Ссылки: