Jusqu'à présent, on croyait que le temps et l'espace existaient par eux-mêmes, même s'il n'y avait rien d'autre -- pas de soleil, pas de terre, pas d'étoiles -- tandis qu'à présent nous savons que le temps et l'espace ne sont pas le récipient de l'univers, mais ne pourraient pas exister du tout s'il n'y avait pas de contenu, à savoir pas de soleil, de terre et d'autres corps célestes.
Hendrik Antoon Lorentz était un physicien néerlandais qui a partagé le prix Nobel de physique de 1902 avec Pieter Zeeman pour la découverte et l'explication théorique de l'effet Zeeman. Il a également dérivé les équations de transformation qui sous-tendent la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein.
Selon la biographie publiée par la Fondation Nobel, « On peut dire que Lorentz était considéré par tous les physiciens théoriciens comme l'esprit directeur du monde, qui a complété ce qui était laissé inachevé par ses prédécesseurs et a préparé le terrain pour la réception fructueuse des nouvelles idées basées sur la théorie quantique. » Il a reçu de nombreux honneurs et distinctions, notamment un mandat de président du Comité international de la coopération intellectuelle, le précurseur de l'UNESCO, entre 1925 et 1928.
Biographie
Jeunesse
Hendrik Lorentz est né à Arnhem, Gueldre, Pays-Bas, fils de Gerrit Frederik Lorentz 1822–1893, un horticulteur aisé, et de Geertruida van Ginkel 1826–1861. En 1862, après la mort de sa mère, son père a épousé Luberta Hupkes. Bien qu'élevé en tant que protestant, il était un libre-penseur en matière de religion. De 1866 à 1869, il a fréquenté la « Hogere Burger School » à Arnhem, un nouveau type d'école secondaire publique récemment établie par Johan Rudolph Thorbecke. Ses résultats scolaires étaient exemplaires ; non seulement exceller dans les sciences physiques et les mathématiques, mais aussi en anglais, français et allemand. En 1870, il a réussi les examens en langues classiques qui étaient alors requis pour l'admission à l'université.
Lorentz a étudié la physique et les mathématiques à l'université de Leiden, où il a été fortement influencé par l'enseignement du professeur d'astronomie Frederik Kaiser ; c'est cette influence qui l'a amené à devenir physicien. Après avoir obtenu un diplôme de premier cycle, il est retourné à Arnhem en 1871 pour enseigner les mathématiques en cours du soir, mais il a poursuivi ses études à Leiden en plus de son poste d'enseignant. En 1875, Lorentz a obtenu un doctorat sous la direction de Pieter Rijke sur une thèse intitulée « Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht » Sur la théorie de la réflexion et de la réfraction de la lumière, dans laquelle il a affiné la théorie électromagnétique de James Clerk Maxwell.
Carrière
Professeur à Leiden
Le 17 novembre 1877, à seulement 24 ans, Hendrik Antoon Lorentz a été nommé à la nouvelle chaire de physique théorique à l'Université de Leiden. Le poste avait initialement été offert à Johan van der Waals, mais il a accepté un poste à l'Universiteit van Amsterdam. Le 25 janvier 1878, Lorentz a prononcé sa leçon inaugurale sur « De moleculaire theoriën in de natuurkunde » Les théories moléculaires en physique. En 1881, il est devenu membre de l'Académie royale néerlandaise des arts et des sciences.
Pendant les vingt premières années à Leiden, Lorentz s'intéressait principalement à la théorie électromagnétique de l'électricité, du magnétisme et de la lumière. Après cela, il a étendu ses recherches à un domaine beaucoup plus large tout en restant concentré sur la physique théorique. Lorentz a apporté des contributions significatives dans des domaines allant de l'hydrodynamique à la relativité générale. Ses contributions les plus importantes ont été dans le domaine de l'électromagnétisme, la théorie des électrons et la relativité.
Lorentz a théorisé que les atomes pourraient être constitués de particules chargées et a suggéré que les oscillations de ces particules chargées étaient la source de la lumière. Quand un collègue et ancien étudiant de Lorentz, Pieter Zeeman, a découvert l'effet Zeeman en 1896, Lorentz en a fourni l'interprétation théorique. Le travail expérimental et théorique a été honoré avec le prix Nobel de physique en 1902. Le nom de Lorentz est maintenant associé à l'équation de Lorentz–Lorenz, à la force de Lorentz, à la distribution lorentzienne et à la transformation de Lorentz.
Électrodynamique et relativité
En 1892 et 1895, Lorentz a travaillé à la description des phénomènes électromagnétiques de la propagation de la lumière dans des référentiels qui se déplacent par rapport à l'éther luminifère postulé. Il a découvert que la transition d'un référentiel à un autre pourrait être simplifiée en utilisant une nouvelle variable de temps qu'il appelait le temps local et qui dépendait du temps universel et de la localisation considérée. Bien que Lorentz n'ait pas donné une interprétation détaillée de la signification physique du temps local, avec celui-ci, il pouvait expliquer l'aberration de la lumière et le résultat de l'expérience de Fizeau. En 1900 et 1904, Henri Poincaré a appelé le temps local l'« idée la plus ingénieuse » de Lorentz et l'a illustré en montrant que les horloges dans les référentiels mobiles sont synchronisées en échangeant des signaux lumineux qui sont supposés voyager à la même vitesse contre et avec le mouvement du référentiel voir synchronisation d'Einstein et relativité de la simultanéité. En 1892, avec la tentative d'expliquer l'expérience de Michelson–Morley, Lorentz a également proposé que les corps en mouvement se contractent dans le sens du mouvement voir contraction des longueurs ; George FitzGerald était déjà arrivé à cette conclusion en 1889.
En 1899 et à nouveau en 1904, Lorentz a ajouté la dilatation du temps à ses transformations et a publié ce que Poincaré en 1905 a nommé transformations de Lorentz. Il était apparemment inconnu de Lorentz que Joseph Larmor avait utilisé des transformations identiques pour décrire les électrons en orbite en 1897. Les équations de Larmor et de Lorentz semblent quelque peu dissemblables, mais elles sont algébriquement équivalentes à celles présentées par Poincaré et Einstein en 1905. L'article de Lorentz de 1904 inclut la formulation covariante de l'électrodynamique, dans laquelle les phénomènes électrodynamiques dans différents référentiels sont décrits par des équations identiques avec des propriétés de transformation bien définies. L'article reconnaît clairement l'importance de cette formulation, à savoir que les résultats des expériences électrodynamiques ne dépendent pas du mouvement relatif du référentiel. L'article de 1904 comprend une discussion détaillée de l'augmentation de la masse inertielle des objets se déplaçant rapidement dans une tentative inutile de rendre l'impulsion exactement comme l'impulsion newtonienne ; c'était aussi une tentative d'expliquer la contraction des longueurs comme l'accumulation de « matière » sur la masse la rendant lente et la contractant.
Lorentz et la relativité restreinte
En 1905, Einstein utiliserait de nombreux concepts, outils mathématiques et résultats discutés par Lorentz pour écrire son article intitulé « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement », connu aujourd'hui sous le nom de théorie de la relativité restreinte. Parce que Lorentz a jeté les fondations pour le travail d'Einstein, cette théorie était initialement appelée la théorie de Lorentz–Einstein.
En 1906, la théorie des électrons de Lorentz a reçu un traitement complet dans ses conférences à l'Université Columbia, publiées sous le titre La Théorie des électrons.
L'augmentation de la masse a été la première prédiction de Lorentz et Einstein à être testée, mais certaines expériences de Kaufmann ont semblé montrer une augmentation de masse légèrement différente ; cela a amené Lorentz à la remarque célèbre qu'il était « au bout de mon latin » « à la fin de mon latin » = à court d'idées. La confirmation de sa prédiction a dû attendre 1908 et après voir expériences de Kaufmann–Bucherer–Neumann.
Lorentz a publié une série d'articles traitant de ce qu'il appelait « le principe de relativité d'Einstein ». Par exemple, en 1909, 1910, 1914. Dans ses conférences de 1906 publiées avec des ajouts en 1909 dans le livre « La théorie des électrons » mis à jour en 1915, il a parlé affirmativement de la théorie d'Einstein :
Il sera clair d'après ce qui a été dit que les impressions reçues par les deux observateurs A0 et A seraient identiques sous tous les rapports. Il serait impossible de décider lequel d'entre eux se déplace ou reste immobile par rapport à l'éther, et il n'y aurait aucune raison de préférer les temps et longueurs mesurés par l'un à ceux déterminés par l'autre, ni de dire que l'un d'eux est en possession des « vrais » temps ou des « vraies » longueurs. C'est un point sur lequel Einstein a mis un accent particulier, dans une théorie qu'il commence par ce qu'il appelle le principe de relativité. Je ne peux pas parler ici des nombreuses applications très intéressantes qu'Einstein a faites de ce principe. Ses résultats concernant les phénomènes électromagnétiques et optiques concordent dans l'ensemble avec ceux que nous avons obtenus aux pages précédentes, la principale différence étant qu'Einstein postule simplement ce que nous avons déduit, avec quelque difficulté et non tout à fait de manière satisfaisante, à partir des équations fondamentales du champ électromagnétique. En procédant ainsi, il peut certainement se faire honneur d'avoir fait voir que le résultat négatif d'expériences comme celles de Michelson, Rayleigh et Brace n'est pas une compensation fortuite d'effets opposés, mais la manifestation d'un principe général et fondamental. Il serait injuste de ne pas ajouter que, outre l'audace fascinante de son point de départ, la théorie d'Einstein présente un autre avantage marqué par rapport à la mienne. Tandis que je n'ai pas pu obtenir pour les équations relatives aux axes mobiles exactement la même forme que pour celles qui s'appliquent à un système stationnaire, Einstein a accompli cela au moyen d'un système de nouvelles variables légèrement différentes de celles que j'ai introduites.
Bien que Lorentz ait maintenu qu'il y a un éther indétectable dans lequel les horloges au repos indiquent le « vrai temps » :
1909 : Pourtant, je pense que quelque chose peut aussi être avancé en faveur de la forme dans laquelle j'ai présenté la théorie. Je ne peux que considérer l'éther, qui peut être le siège d'un champ électromagnétique avec son énergie et ses vibrations, comme doué d'un certain degré de substantialité, aussi différent qu'il soit de toute matière ordinaire.
1910 : Pourvu qu'il y ait un éther, alors sous tous les systèmes x, y, z, t, l'un est préféré par le fait que les axes de coordonnées aussi bien que les horloges sont au repos dans l'éther. Si on unit à cela l'idée (que je n'abandonnerais qu'à contrecœur) que l'espace et le temps sont des choses complètement différentes, et qu'il y a un « vrai temps » (la simultanéité serait donc indépendante de la localisation, d'accord avec le fait que nous pouvons avoir l'idée de vitesses infiniment grandes), on voit facilement que ce vrai temps devrait être indiqué par les horloges au repos dans l'éther. Cependant, si le principe de relativité avait une validité générale dans la nature, on ne serait pas en position de déterminer si le système de référence utilisé est celui préféré. Alors on en vient aux mêmes résultats que si on (suivant Einstein et Minkowski) niait l'existence de l'éther et du vrai temps, et si on voyait tous les systèmes de référence comme également valides. Quelle que soit la façon de penser qu'on suit, cela peut certainement être laissé à l'individu.
Lorentz a également donné crédit aux contributions de Poincaré à la relativité.
En effet, pour certaines des quantités physiques qui entrent dans les formules, je n'ai pas indiqué la transformation qui convient le mieux. Cela a été fait par Poincaré et ensuite par M. Einstein et Minkowski. Je n'ai pas réussi à obtenir l'invariance exacte des équations. Poincaré, au contraire, a obtenu une invariance parfaite des équations de l'électrodynamique, et il a formulé le « postulat de relativité », termes qu'il a été le premier à employer. Ajoutons que en corrigeant les imperfections de mon travail, il ne m'a jamais reproché.
Lorentz et la relativité générale
Lorentz était l'un des rares scientifiques qui ont soutenu la recherche d'Einstein pour la relativité générale dès le début – il a écrit plusieurs articles de recherche et en a discuté personnellement avec Einstein et par correspondance. Par exemple, il a tenté de combiner le formalisme d'Einstein avec le principe de Hamilton 1915, et de le reformuler de manière sans coordonnées 1916. Lorentz a écrit en 1919 :
L'éclipse totale du soleil du 29 mai a abouti à une confirmation frappante de la nouvelle théorie de la puissance d'attraction universelle de la gravitation développée par Albert Einstein, et a ainsi renforcé la conviction que la définition de cette théorie est l'une des étapes les plus importantes jamais prises dans le domaine de la science naturelle.
Lorentz et la mécanique quantique
Lorentz a donné une série de conférences à l'automne 1926 à l'Université Cornell sur la nouvelle mécanique quantique ; dans celles-ci, il a présenté la mécanique ondulatoire d'Erwin Schrödinger.
Évaluations
Einstein a écrit au sujet de Lorentz :
1928 : L'importance énorme de son travail consistait en ceci qu'il forme la base de la théorie des atomes et des théories générales et restreintes de la relativité. La théorie restreinte était une exposition plus détaillée de ces concepts que l'on trouve dans la recherche de Lorentz de 1895.
1953 : Pour moi personnellement, il signifiait plus que tous les autres que j'ai rencontrés au cours de mon voyage dans la vie.
Poincaré 1902 a dit de la théorie de l'électrodynamique de Lorentz :
La théorie la plus satisfaisante est celle de Lorentz ; c'est incontestablement la théorie qui explique le mieux les faits connus, celle qui jette
