Fino ad ora si credeva che il tempo e lo spazio esistessero da soli, anche se non c'era nient'altro—nessun sole, nessuna terra, nessuna stella—mentre ora sappiamo che il tempo e lo spazio non sono il recipiente dell'universo, ma non potrebbero esistere affatto se non ci fossero contenuti, cioè, nessun sole, terra e altri corpi celesti.
Hendrik Antoon Lorentz era un fisico olandese che condivise il Premio Nobel per la Fisica del 1902 con Pieter Zeeman per la scoperta e la spiegazione teorica dell'effetto Zeeman. Derivò anche le equazioni di trasformazione alla base della teoria della relatività speciale di Albert Einstein.
Secondo la biografia pubblicata dalla Fondazione Nobel, "Si può ben dire che Lorentz era considerato da tutti i fisici teorici come lo spirito guida mondiale, che completò ciò che era rimasto incompiuto dai suoi predecessori e preparò il terreno per la feconda ricezione delle nuove idee basate sulla teoria dei quanti." Ricevette molti onori e distinzioni, incluso un incarico come presidente del Comitato Internazionale per la Cooperazione Intellettuale, il precursore dell'UNESCO, tra il 1925 e il 1928.
Biografia
Primi anni
Hendrik Lorentz nacque ad Arnhem, Gheldria, Paesi Bassi, figlio di Gerrit Frederik Lorentz 1822–1893, un orticoltore benestante, e Geertruida van Ginkel 1826–1861. Nel 1862, dopo la morte di sua madre, suo padre sposò Luberta Hupkes. Nonostante sia stato cresciuto come protestante, era un libero pensatore in materia religiosa. Dal 1866 al 1869, frequentò la "Hogere Burger School" ad Arnhem, un nuovo tipo di scuola superiore pubblica recentemente istituita da Johan Rudolph Thorbecke. I suoi risultati scolastici erano esemplari; non solo eccelleva nelle scienze fisiche e in matematica, ma anche in inglese, francese e tedesco. Nel 1870, superò gli esami in lingue classiche che erano allora richiesti per l'ammissione all'Università.
Lorentz studiò fisica e matematica all'Università di Leida, dove fu fortemente influenzato dall'insegnamento del professore di astronomia Frederik Kaiser; fu la sua influenza che lo portò a diventare un fisico. Dopo aver conseguito una laurea, tornò ad Arnhem nel 1871 per insegnare lezioni serali di matematica, ma continuò i suoi studi a Leida oltre alla sua posizione di insegnante. Nel 1875, Lorentz conseguì un dottorato di ricerca sotto Pieter Rijke con una tesi dal titolo "Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht" Sulla teoria della riflessione e rifrazione della luce, nella quale raffinò la teoria elettromagnetica di James Clerk Maxwell.
Carriera
Professore a Leida
Il 17 novembre 1877, all'età di soli 24 anni, Hendrik Antoon Lorentz fu nominato alla cattedra di fisica teorica appena istituita presso l'Università di Leida. La posizione era stata inizialmente offerta a Johan van der Waals, ma accettò una posizione presso l'Universiteit van Amsterdam. Il 25 gennaio 1878, Lorentz tenne la sua lezione inaugurale su "De moleculaire theoriën in de natuurkunde" Le teorie molecolari in fisica. Nel 1881, divenne membro della Reale Accademia Olandese di Arti e Scienze.
Durante i primi venti anni a Leida, Lorentz era principalmente interessato alla teoria elettromagnetica dell'elettricità, del magnetismo e della luce. Successivamente, estese la sua ricerca a un'area molto più ampia mentre continuava a concentrarsi sulla fisica teorica. Lorentz diede importanti contributi a campi che vanno dall'idrodinamica alla relatività generale. I suoi contributi più importanti furono nell'area dell'elettromagnetismo, della teoria degli elettroni e della relatività.
Lorentz teorizzò che gli atomi potessero consistere di particelle cariche e suggerì che le oscillazioni di queste particelle cariche fossero la fonte della luce. Quando un collega e ex studente di Lorentz, Pieter Zeeman, scoprì l'effetto Zeeman nel 1896, Lorentz fornì la sua interpretazione teorica. Il lavoro sperimentale e teorico fu onorato con il premio Nobel per la fisica nel 1902. Il nome di Lorentz è ora associato all'equazione Lorentz–Lorenz, alla forza di Lorentz, alla distribuzione lorentziana e alla trasformazione di Lorentz.
Elettrodinamica e relatività
Nel 1892 e nel 1895, Lorentz lavorò alla descrizione dei fenomeni elettromagnetici la propagazione della luce in sistemi di riferimento che si muovono rispetto all'etere luminifero postulato. Scoprì che la transizione da un sistema di riferimento a un altro potrebbe essere semplificata usando una nuova variabile di tempo che chiamò tempo locale e che dipendeva dal tempo universale e dalla posizione in questione. Sebbene Lorentz non diede un'interpretazione dettagliata del significato fisico del tempo locale, con esso, poteva spiegare l'aberrazione della luce e il risultato dell'esperimento di Fizeau. Nel 1900 e nel 1904, Henri Poincaré chiamò il tempo locale di Lorentz "l'idea più ingegnosa" e l'illustrò mostrando che gli orologi nei sistemi mobili sono sincronizzati scambiando segnali luminosi che si presume viaggino alla stessa velocità contro e con il movimento del sistema vedi sincronizzazione di Einstein e Relatività della simultaneità. Nel 1892, nel tentativo di spiegare l'esperimento di Michelson–Morley, Lorentz propose anche che i corpi in movimento si contraggono nella direzione del movimento vedi contrazione della lunghezza; George FitzGerald era già giunto a questa conclusione nel 1889.
Nel 1899 e di nuovo nel 1904, Lorentz aggiunse dilatazione del tempo alle sue trasformazioni e pubblicò quello che Poincaré nel 1905 chiamò trasformazioni di Lorentz. Era apparentemente sconosciuto a Lorentz che Joseph Larmor aveva usato trasformazioni identiche per descrivere gli elettroni in orbita nel 1897. Le equazioni di Larmor e Lorentz sembrano un po' diverse, ma sono algebricamente equivalenti a quelle presentate da Poincaré e Einstein nel 1905. L'articolo del 1904 di Lorentz include la formulazione covariante dell'elettrodinamica, in cui i fenomeni elettrodinamici in diversi sistemi di riferimento sono descritti da equazioni identiche con proprietà di trasformazione ben definite. L'articolo riconosce chiaramente il significato di questa formulazione, cioè che i risultati degli esperimenti elettrodinamici non dipendono dal movimento relativo del sistema di riferimento. L'articolo del 1904 include una discussione dettagliata dell'aumento della massa inerziale di oggetti che si muovono rapidamente in un vano tentativo di far sembrare la quantità di moto esattamente come la quantità di moto newtoniana; fu anche un tentativo di spiegare la contrazione della lunghezza come l'accumulo di "materia" sulla massa rendendola lenta e contraente.
Lorentz e la relatività speciale
Nel 1905, Einstein avrebbe utilizzato molti dei concetti, degli strumenti matematici e dei risultati che Lorentz discusse per scrivere il suo articolo intitolato "On the Electrodynamics of Moving Bodies", noto oggi come la teoria della relatività speciale. Poiché Lorentz pose i fondamenti per il lavoro di Einstein, questa teoria era originariamente chiamata la teoria di Lorentz–Einstein.
Nel 1906, la teoria degli elettroni di Lorentz ricevette un trattamento completo nelle sue lezioni presso l'Università Columbia, pubblicate con il titolo The Theory of Electrons.
L'aumento della massa fu la prima previsione di Lorentz e Einstein ad essere testata, ma alcuni esperimenti di Kaufmann sembravano mostrare un aumento di massa leggermente diverso; questo portò Lorentz alla famosa osservazione che era "au bout de mon latin" "alla fine del mio latino" = al limite delle sue capacità. La conferma della sua previsione dovette attendere il 1908 e oltre vedi esperimenti di Kaufmann–Bucherer–Neumann.
Lorentz pubblicò una serie di articoli che affrontavano quello che chiamava "il principio di relatività di Einstein". Ad esempio, nel 1909, 1910, 1914. Nelle sue lezioni del 1906 pubblicate con aggiunte nel 1909 nel libro "La teoria degli elettroni" aggiornato nel 1915, parlò affermativamente della teoria di Einstein:
Sarà chiaro da ciò che è stato detto che le impressioni ricevute dai due osservatori A0 e A sarebbero simili sotto tutti gli aspetti. Sarebbe impossibile decidere quale di loro si muove o sta fermo rispetto all'etere, e non ci sarebbe alcuna ragione per preferire i tempi e le lunghezze misurati dall'uno a quelli determinati dall'altro, né per dire che uno di loro è in possesso dei tempi "veri" o delle lunghezze "vere". Questo è un punto su cui Einstein ha posto un accento particolare, in una teoria in cui parte da quello che chiama il principio di relatività. Non posso parlare qui delle molte applicazioni altamente interessanti che Einstein ha fatto di questo principio. I suoi risultati riguardanti i fenomeni elettromagnetici e ottici concordano principalmente con quelli che abbiamo ottenuto nelle pagine precedenti, la differenza principale è che Einstein semplicemente postula quello che abbiamo dedotto, con una certa difficoltà e non del tutto soddisfacentemente, dalle equazioni fondamentali del campo elettromagnetico. Facendo così, può certamente prendersi il merito di farci vedere nel risultato negativo di esperimenti come quelli di Michelson, Rayleigh e Brace, non una compensazione fortuita di effetti opposti, ma la manifestazione di un principio generale e fondamentale. Sarebbe ingiusto non aggiungere che, oltre all'audacia affascinante del suo punto di partenza, la teoria di Einstein ha un altro marcato vantaggio rispetto alla mia. Mentre non sono stato in grado di ottenere per le equazioni riferite ad assi mobili esattamente la stessa forma di quelle che si applicano a un sistema stazionario, Einstein ha realizzato questo per mezzo di un sistema di nuove variabili leggermente diverse da quelle che ho introdotto.
Sebbene Lorentz sostenesse ancora che c'è un etere rilevabile in cui gli orologi a riposo indicano il "vero tempo":
1909: Eppure, penso, qualcosa può anche essere sostenuto in favore della forma in cui ho presentato la teoria. Non posso che considerare l'etere, che può essere la sede di un campo elettromagnetico con la sua energia e le sue vibrazioni, come dotato di un certo grado di sostanzialità, per quanto diverso possa essere da tutta la materia ordinaria.
1910: Posto che ci sia un etere, allora sotto tutti i sistemi x, y, z, t, uno è preferito dal fatto che gli assi coordinati così come gli orologi sono a riposo nell'etere. Se si collega con ciò l'idea (che abbandonerei solo malvolentieri) che lo spazio e il tempo sono cose completamente diverse, e che c'è un "vero tempo" (la simultaneità quindi sarebbe indipendente dalla posizione, in accordo con il fatto che possiamo avere l'idea di velocità infinitamente grandi), allora si può facilmente vedere che questo vero tempo dovrebbe essere indicato dagli orologi a riposo nell'etere. Tuttavia, se il principio di relatività avesse validità generale nella natura, non si sarebbe nella posizione di determinare se il sistema di riferimento appena utilizzato è quello preferito. Allora si arriva agli stessi risultati, come se si (seguendo Einstein e Minkowski) negasse l'esistenza dell'etere e del vero tempo, e si vedessero tutti i sistemi di riferimento come ugualmente validi. Quale di questi due modi di pensare uno sta seguendo, può sicuramente essere lasciato all'individuo.
Lorentz diede anche credito ai contributi di Poincaré alla relatività.
Infatti, per alcune delle quantità fisiche che entrano nelle formule, non ho indicato la trasformazione che si adatta meglio. Questo è stato fatto da Poincaré e poi dal signor Einstein e Minkowski. Non sono riuscito a ottenere l'invarianza esatta delle equazioni. Poincaré, al contrario, ha ottenuto un'invarianza perfetta delle equazioni dell'elettrodinamica, e ha formulato il "postulato di relatività", termini che è stato il primo ad usare. Aggiungiamo che corrigendo le imperfezioni del mio lavoro non mi ha mai rimpoverato.
Lorentz e la relatività generale
Lorentz fu uno dei pochi scienziati che supportò la ricerca di Einstein per la relatività generale fin dall'inizio – scrisse diversi articoli di ricerca e discusse con Einstein personalmente e per lettera. Ad esempio, tentò di combinare il formalismo di Einstein con il principio di Hamilton 1915, e di riformularlo in modo privo di coordinate 1916. Lorentz scrisse nel 1919:
L'eclissi totale di sole del 29 maggio, ha risultato in una sorprendente conferma della nuova teoria della potenza attrattiva universale della gravitazione sviluppata da Albert Einstein, e così ha rafforzato la convinzione che la definizione di questa teoria è uno dei passi più importanti mai compiuti nel dominio della scienza naturale.
Lorentz e la meccanica quantistica
Lorentz tenne una serie di lezioni nell'autunno del 1926 presso l'Università di Cornell sulla nuova meccanica quantistica; in queste presentò la meccanica ondulatoria di Erwin Schrödinger.
Valutazioni
Einstein scrisse di Lorentz:
1928: L'enorme significato del suo lavoro consisteva nel fatto che forma la base per la teoria degli atomi e per le teorie della relatività generale e speciale. La teoria speciale era un'esposizione più dettagliata di quei concetti che si trovano nella ricerca di Lorentz del 1895.
1953: Per me personalmente ha significato più di tutti gli altri che ho incontrato nel mio percorso di vita.
Poincaré nel 1902 disse della teoria dell'elettrodinamica di Lorentz:
La teoria più soddisfacente è quella di Lorentz; è indubbiamente la teoria che spiega meglio i fatti noti, quella che evidenzia
