ЛОРЕНЦ (Лорентц) (Lorentz ) Хендрик Антон (1853-1928), 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 т. ч. эффект Зеемана. Разработал электродинамику движущихся сред. Вывел преобразования, названные его именем. Близко подошел к созданию теории относительности. Нобелевская премия (1902, совместно с П. Зееманом).
ЛОРЕНЦ (Lorentz ) Хендрик Антон (18 июля 1853, Арнем, Нидерланды - 4 февраля 1928, Харлем), выдающийся нидерландский физик-теоретик, создатель классической электронной теории, член Нидерландской академии наук и многих иностранных академий и научных обществ, иностранный член АН СССР (1925), организатор и председатель многих Сольвеевских конгрессов по теоретической физике (1911-27 гг.). Нобелевский лауреат по физике за 1902 г.
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. Шести 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, 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 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".
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.
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 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 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 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 и , 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), который показал, что отрицательные результаты опыта Майкельсона можно объяснить, если принять, что размеры тел,движущихся со скоростью V, сокращаются в направлении их движения в (корень квадратный из (1-b2)) раз, где b= V / C, (C - скорость света).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 его участие 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.
В прошлом выпуске нашей рубрики «Как получить Нобелевку» мы рассказали о Питере Зеемане - нидерландском ученом, получившем Нобелевскую премию по физике 1902 года. Сегодня мы впервые не будем переходить к новой номинации, а останемся в «физическом нобеле» 1902 года, потому что именно эта премия впервые в истории была разделена между двумя учеными: открывшим эффект расщепления спектральных линий в магнитном поле учеником и объяснившим его учителем. Итак, встречайте: Хендрик Лоренц .
Хендрик Антон Лоренц. Фото 1902 года
Wikimedia Commons
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.
Фредерик Кайзер
Wikimedia Commons
Помимо Кайзера, в университете он встретил еще одну родную душу. Впрочем, этот человек, судя по всему, никогда не встречался с Лоренцом. И звали его Джеймс Клерк Максвелл. Ученый, объединивший электричество и магнетизм. Удивительно, но практически все биографы Лоренца в один голос пишут, что уже в 1870-71 годах Лоренц ознакомился с фундаментальным трудом Максвелла, «Трактатом об электричестве и магнетизме», и поразился ему. Но вот беда: этот двухтомник вышел в 1873 году. Так что, видимо, Лоренц читал статью «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864) и другие более ранние работы Максвелла. Впрочем, похоже, и знакомство с «Трактатом» не внесло ясности в голову Лоренца. Вот как он сам описывал свои ощущения:
«Его "Трактат об электричестве и магнетизме" произвел на меня, пожалуй, одно из самых сильных впечатлений в жизни; толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзошло все, что я до сих пор знал. Но книга Максвелла была не из легких! Написанная в годы, когда идеи ученого еще не получили окончательной формулировки, она не представляла законченного целого и не давала ответа на многие вопросы».
Джеймс Клерк Максвелл
Wikimedia Commons
Чтобы осилить этот труд, Лоренцу пришлось капитально перечесть работы Фарадея, Френеля и Гельмгольца. Но это пошло на пользу учебе: в 1873 году Лоренц сдал докторские экзамены (напомним, молодому человеку было всего 20 лет), а в 1875 году защитил диссертацию «К теории отражения и преломления света», в которой использовал электромагнитную теорию Максвелла для объяснения оптических процессов.
Начало научного пути
Тем не менее Лоренц, ставший доктором наук, не пошел в университет. Он гулял с друзьями (в 1876 году он прошел пешком всю Швейцарию), преподавал в школе… Утрехтский университет предложил ему должность профессора математики (23 года человеку!), при этом человек отказался - ему больше хотелось получить место учителя в лейденской гимназии. Однако мировой науке повезло: альма-матер Лоренца, Лейденский университет, первой в Нидерландах решила основать у себя кафедру теоретической физики. Сначала должность профессора одной из первых в мире кафедр теоретической физики предложили опытному Йоханнесу Дидерику Ван-дер-Ваальсу (если у вас есть машина времени, можете сгонять в будущее и прочитать нашу статью про «нобелевку» по физике 1910 года). Но коренной лейденец решил отказаться, поэтому в 25 лет Лоренц стал первым нидерландским профессором теоретической физики.
25 января 1878 года Лоренц официально вступил в звание профессора, произнеся вступительную речь-доклад «Молекулярные теории в физике». Он будет читать много лекций (даже заменит заболевшего Хейнке Камерлинг-Оннеса) и всегда пользоваться успехом у студентов. Профессором физики Лейденского университета он пробудет ровно треть века, до 1911 года. Четыре года спустя и Лоренц начнет заниматься популяризацией науки, читая публичные лекции, всегда успешные.
«Теория электронов» Лоренца. Издание 1909 года
Wikimedia Commons
Любопытно, что первые годы Лоренц работал «в стол», почти не публикуясь. Первое знакомство с зарубежными коллегами состоялось через девятнадцать (!) лет после начала работы, в 1897 году, на Дюссельдорфском съезде немецких естествоиспытателей и врачей. Зато там он сразу же сошелся с такими величинами, как Анри Пуанкаре, Макс Планк, Людвиг Больцман. И сразу же получил признание. Неудивительно: к тому времени он сумел дополнить «мутную» максвелловскую теорию конкретными деталями, в том числе представлением о заряженных «атомах электричества» (читай, электронах). Именно благодаря этому он смог объяснить открытое в 1896 году его учеником расщепление спектральных линий в сильном магнитном поле.
Питер Зееман
Wikimedia Commons
«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 извлек из него пользу».
После Нобелевской премии
О присуждении Нобелевской премии по физике 1902 года мы подробно рассказали в предыдущей статье, посвященной Питеру Зееману. Слава, свалившаяся на Лоренца еще до премии, была огромной. Его постоянно приглашали выступить то там, то тут. Но одновременно с этим пришла и трагедия: наступившая эпоха теории относительности и квантовой физики разрушила его собственную электронную теорию и классическую теоретическую физику.
Лоренц боролся за свою правоту, как истинный рыцарь. Как писали в предисловии к советскому изданию его «Теории электронов», «его борьба за свое учение поистине грандиозна. Поразительно и научное беспристрастие автора, который с уважением идет навстречу всем возражениям, всем трудностям. Прочтя его книгу, видишь воочию, что для спасения старых привычных воззрений сделано все - и это все не принесло им спасения». При этом сам Лоренц отлично понимал правоту Эйнштейна и Планка и пользовался их уважением.
Эйнштейн и Лоренц у порога лейденской квартиры Пауля Эренфеста. 1921 год
Пауль Эренфест
В 1911 году состоялся первый в истории Сольвеевский конгресс. Он проходил по инициативе (и за деньги) Эрнеста Сольве - ученого и крупного бизнесмена-промышленника, который решил собрать сильнейших физиков с тем, чтобы они ответили (аргументированно, конечно), на один-единственный вопрос: «Действительно ли нужно прибегать к квантовому описанию мира?». Председателем конгресса был избран Хендрик Лоренц. К слову, он председательствовал на всех Сольвеевских конгрессах, прошедших при его жизни, коих было пять. Под его руководством величайшие физики мира рассуждали о строении вещества (второй конгресс, 1913), атомах и электронах (третий, 1921), проводимости металлов (четвертый, 1924), электронах и фотонах (пятый, 1927).
Медаль Копли
Через четыре года он выступил с основополагающей статьей "Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света". Лоренц вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени в двух разных инерциальных системах отсчета (Преобразования Лоренца). Ученому удалось получить формулу зависимости массы электрона от скорости.
Особо следует отметить участие Хендрик Лоренца в подготовке и проведении "I Международного конгресса Сольвеевских физиков". Он состоялся в году в Брюсселе , и был посвящен проблеме "Излучение и кванты. В его работе принимали участие 23 физика, председательствовал Лоренц.
| " | Нас не покидает ощущение, что мы находимся в тупике; старые теории оказываются все менее способными проникнуть во тьму, что окружает нас со всех сторон | " |
Хендрик Антон Лоренц, из вступительного слова |
||
Он ставит перед физиками задачу создать новую механику : "Мы будем счастливы, если нам удастся хоть немного приблизиться к той будущей механике, о которой идет речь".
В году Лоренц подает в отставку с Лейденского университета , однако раз в неделю читает лекции и исполняет обязанности секретаря Нидерландского научного общества. Через год переезжает в Гарлема , где работает директором физического кабинета Тейлеривського музея. С г. входит в состав международной комиссии по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций , а с г. возглавляет ее.
Лоренц любил свою страну и писал.
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.