До сих пор считалось, что время и пространство существуют сами по себе, даже если больше ничего не было — ни солнца, ни земли, ни звёзд — а теперь мы знаем, что время и пространство не являются сосудом для вселенной, но не могли бы вообще существовать, если бы не было содержимого, а именно солнца, земли и других небесных тел.
Хендрик Антон Лоренц был голландским физиком, который поделил Нобелевскую премию по физике 1902 года с Питером Зееманом за открытие и теоретическое объяснение эффекта Зеемана. Он также вывел уравнения преобразования, лежащие в основе специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.
Согласно биографии, опубликованной Нобелевским фондом, «Можно смело сказать, что Лоренца считали все теоретические физики ведущим мировым умом, который завершил то, что оставили незавершённым его предшественники, и подготовил почву для плодотворного восприятия новых идей, основанных на квантовой теории». Он получил множество почестей и отличий, включая должность председателя Международного комитета интеллектуального сотрудничества, предшественника ЮНЕСКО, в период с 1925 по 1928 год.
Биография
Ранние годы
Хендрик Лоренц родился в Арнеме, Гелдерланд, Нидерланды, сын Герита Фредерика Лоренца 1822–1893, зажиточного садовника, и Гертруиды ван Гинкель 1826–1861. В 1862 году, после смерти своей матери, его отец женился на Люберте Хюпкес. Несмотря на то что он был воспитан в протестантской традиции, в религиозных вопросах он был вольнодумцем. С 1866 по 1869 год он посещал «Hogere Burger School» в Арнеме, новый тип государственной средней школы, недавно основанный Йоханом Рудольфом Торбеке. Его успехи в школе были образцовыми; он преуспел не только в физике и математике, но также в английском, французском и немецком языках. В 1870 году он сдал экзамены по классическим языкам, которые тогда требовались для поступления в университет.
Лоренц изучал физику и математику в Лейденском университете, где он находился под сильным влиянием преподавания профессора астрономии Фредерика Кайзера; именно его влияние привело его к карьере физика. После получения степени бакалавра он вернулся в Арнем в 1871 году, чтобы преподавать вечерние курсы математики, но он продолжал свои исследования в Лейдене параллельно с преподавательской должностью. В 1875 году Лоренц получил докторскую степень под руководством Питера Райке с диссертацией под названием «Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht» О теории отражения и преломления света, в которой он усовершенствовал электромагнитную теорию Джеймса Клерка Максвелла.
Карьера
Профессор в Лейдене
17 ноября 1877 года в возрасте всего 24 лет Хендрик Антон Лоренц был назначен на вновь учреждённую кафедру теоретической физики в Лейденском университете. Эта должность была первоначально предложена Йохану ван дер Валсу, но он принял должность в Университете Амстердама. 25 января 1878 года Лоренц прочитал свою вступительную лекцию на тему «De moleculaire theoriën in de natuurkunde» Молекулярные теории в физике. В 1881 году он стал членом Королевской нидерландской академии искусств и наук.
В течение первых двадцати лет в Лейдене Лоренц в основном интересовался электромагнитной теорией электричества, магнетизма и света. После этого он расширил свои исследования на гораздо более широкую область, по-прежнему сосредоточиваясь на теоретической физике. Лоренц внёс значительный вклад в области от гидродинамики до общей теории относительности. Его наиболее важные вклады были в область электромагнетизма, теории электронов и относительности.
Лоренц предположил, что атомы могут состоять из заряженных частиц, и выдвинул гипотезу, что колебания этих заряженных частиц являются источником света. Когда его коллега и бывший ученик Питер Зееман открыл эффект Зеемана в 1896 году, Лоренц предоставил его теоретическое объяснение. Экспериментальная и теоретическая работа была удостоена Нобелевской премии по физике в 1902 году. Имя Лоренца теперь связано с уравнением Лоренца–Лоренца, силой Лоренца, распределением Лоренца и преобразованием Лоренца.
Электродинамика и относительность
В 1892 и 1895 годах Лоренц работал над описанием электромагнитных явлений распространения света в системах отсчёта, движущихся относительно постулируемого светоносного эфира. Он обнаружил, что переход от одной системы отсчёта к другой можно упростить, используя новую временную переменную, которую он назвал локальным временем и которая зависела от универсального времени и рассматриваемого местоположения. Хотя Лоренц не дал подробного объяснения физического смысла локального времени, с его помощью он смог объяснить аберрацию света и результат опыта Физо. В 1900 и 1904 годах Анри Пуанкаре назвал локальное время Лоренца «наиболее гениальной идеей» и проиллюстрировал это, показав, что часы в движущихся системах синхронизируются путём обмена световыми сигналами, которые предполагаются распространяющимися с одинаковой скоростью в направлении и против направления движения системы см. Синхронизация Эйнштейна и Относительность одновременности. В 1892 году, пытаясь объяснить опыт Майкельсона–Морли, Лоренц также предположил, что движущиеся тела сокращаются в направлении движения см. сокращение длины; Джордж Фицджеральд уже пришёл к этому выводу в 1889 году.
В 1899 году и снова в 1904 году Лоренц добавил временную дилатацию к своим преобразованиям и опубликовал то, что Пуанкаре в 1905 году назвал преобразованиями Лоренца. Видимо, Лоренцу было неизвестно, что Джозеф Лармор использовал идентичные преобразования для описания орбитальных электронов в 1897 году. Уравнения Лармора и Лоренца выглядят несколько иначе, но они алгебраически эквивалентны тем, которые представили Пуанкаре и Эйнштейн в 1905 году. В статье Лоренца 1904 года содержится ковариантная формулировка электродинамики, в которой электродинамические явления в различных системах отсчёта описываются идентичными уравнениями с чётко определёнными свойствами преобразования. В статье ясно признаётся значимость этой формулировки, а именно то, что результаты электродинамических экспериментов не зависят от относительного движения системы отсчёта. Статья 1904 года включает подробное обсуждение увеличения инертной массы быстро движущихся объектов в безуспешной попытке сделать импульс точно похожим на ньютоновский импульс; это была также попытка объяснить сокращение длины как накопление «материала» на массу, что замедляет и сокращает её.
Лоренц и специальная теория относительности
В 1905 году Эйнштейн использовал многие из концепций, математических инструментов и результатов, которые обсуждал Лоренц, чтобы написать свою статью под названием «К электродинамике движущихся тел», известную сегодня как специальная теория относительности. Поскольку Лоренц заложил основы для работы Эйнштейна, эта теория первоначально называлась теорией Лоренца–Эйнштейна.
В 1906 году теория электронов Лоренца получила полноценное развитие в его лекциях в Колумбийском университете, опубликованных под названием «Теория электронов».
Увеличение массы было первым предсказанием Лоренца и Эйнштейна, которое было проверено, но некоторые опыты Кауфмана, казалось, показали немного другое увеличение массы; это привело Лоренца к знаменитому замечанию, что он был «au bout de mon latin» «в конце моей латыни» = в отчаянии. Подтверждение его предсказания пришлось ждать до 1908 года и позже см. опыты Кауфмана–Бухерера–Неймана.
Лоренц опубликовал серию статей, посвящённых тому, что он называл «принципом относительности Эйнштейна». Например, в 1909, 1910, 1914 годах. В его лекциях 1906 года, опубликованных с дополнениями в 1909 году в книге «Теория электронов», обновлённой в 1915 году, он положительно отзывался о теории Эйнштейна:
Из сказанного будет ясно, что впечатления, полученные двумя наблюдателями A0 и A, будут во всех отношениях одинаковыми. Было бы невозможно определить, кто из них движется или остаётся неподвижным по отношению к эфиру, и не было бы причины предпочитать времена и длины, измеренные одним, тем, которые определены другим, или говорить, что один из них владеет «истинными» временами или «истинными» длинами. На этом пункте Эйнштейн особенно акцентировал внимание в своей теории, которая исходит из того, что он называет принципом относительности. Я не могу здесь говорить о множестве весьма интересных применений, которые Эйнштейн сделал из этого принципа. Его результаты, касающиеся электромагнитных и оптических явлений, в основном совпадают с полученными нами на предыдущих страницах, главное отличие состояния в том, что Эйнштейн просто постулирует то, что мы вывели с некоторым трудом и не совсем удовлетворительно из основных уравнений электромагнитного поля. Делая это, он, несомненно, заслуживает признания за то, что показал нам в отрицательном результате экспериментов, подобных опытам Майкельсона, Рэлея и Брейса, не случайную компенсацию противоположных эффектов, а проявление общего и фундаментального принципа. Было бы несправедливо не добавить, что помимо увлекательной смелости его исходной точки, теория Эйнштейна имеет ещё одно явное преимущество над моей. В то время как я не смог получить для уравнений, относящихся к движущимся осям, точно такую же форму, как для тех, которые применяются к неподвижной системе, Эйнштейн добился этого с помощью системы новых переменных, слегка отличающихся от введённых мною.
Хотя Лоренц по-прежнему утверждал, что существует необнаружимый эфир, в котором неподвижные часы указывают «истинное время»:
1909: Однако, я думаю, что-то можно также утверждать в пользу формы, в которой я представил теорию. Я не могу не рассматривать эфир, который может быть местом электромагнитного поля с его энергией и колебаниями, как наделённый определённой степенью материальности, несмотря на то, что он отличается ото всей обычной материи.
1910: При условии, что существует эфир, то из всех систем x, y, z, t, одна предпочтительна тем, что оси координат и часы покоятся в эфире. Если связать с этим идею (которую я отказался бы оставить без неохоты), что пространство и время совершенно разные вещи, и что существует «истинное время» (одновременность, таким образом, была бы независима от местоположения, что согласуется с тем обстоятельством, что мы можем представить себе бесконечно большие скорости), то легко видеть, что это истинное время должно указываться часами, покоящимися в эфире. Однако, если принцип относительности имел бы всеобщую значимость в природе, то мы не смогли бы определить, является ли используемая нами система отсчёта предпочтительной. Тогда мы приходим к тем же результатам, как если бы мы (следуя Эйнштейну и Минковскому) отрицали существование эфира и истинного времени, и рассматривали все системы отсчёта как равноправные. Какой из этих двух способов мышления следует придерживаться, несомненно, может быть оставлено на усмотрение каждого.
Лоренц также отдал должное вкладу Пуанкаре в теорию относительности.
Действительно, для некоторых физических величин, входящих в формулы, я не указал преобразование, которое подходит лучше всего. Это было сделано Пуанкаре, а затем мистером Эйнштейном и Минковским. Мне не удалось получить точную инвариантность уравнений. Пуанкаре, наоборот, получил идеальную инвариантность уравнений электродинамики и сформулировал «постулат относительности», термины, которые он был первым, кто использовал. Добавим, что, исправляя недостатки моей работы, он никогда не упрекал меня за них.
Лоренц и общая теория относительности
Лоренц был одним из немногих учёных, кто поддержал поиск Эйнштейном общей теории относительности с самого начала – он написал несколько исследовательских статей и обсуждал это с Эйнштейном лично и по переписке. Например, он попытался объединить формализм Эйнштейна с принципом Гамильтона в 1915 году и переформулировать его в независимом от координат виде в 1916 году. Лоренц писал в 1919 году:
Полное солнечное затмение 29 мая привело к поразительному подтверждению новой теории универсального притяжения гравитации, разработанной Альбертом Эйнштейном, и, таким образом, укрепило убеждение, что разработка этой теории является одним из наиболее важных шагов, когда-либо предпринятых в области естественных наук.
Лоренц и квантовая механика
Лоренц прочитал серию лекций осенью 1926 года в Корнеллском университете о новой квантовой механике; в них он представил волновую механику Эрвина Шрёдингера.
Оценки
Эйнштейн писал о Лоренце:
1928: Огромное значение его работы заключалось в том, что она образует основу для теории атомов и для общей и специальной теорий относительности. Специальная теория была более детальным изложением тех концепций, которые находятся в исследованиях Лоренца 1895 года.
1953: Для меня лично он значил больше, чем все остальные, кого я встретил на своём жизненном пути.
Пуанкаре в 1902 году сказал о теории электродинамики Лоренца:
Наиболее удовлетворительная теория — это теория Лоренца; это, несомненно, теория, которая лучше всего объясняет известные факты, та, которая проникает в
