Hendrik Lorentz

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到目前为止,人们一直认为时间和空间独立存在,即使没有其他任何东西——没有太阳、没有地球、没有星星——而现在我们知道,时间和空间不是宇宙的容器,如果没有内容物,即没有太阳、地球和其他天体,时间和空间根本不可能存在。

Hendrik Antoon Lorentz是一位荷兰物理学家,与Pieter Zeeman因发现并理论解释Zeeman效应而共同获得1902年诺贝尔物理学奖。他还推导出支撑Albert Einstein狭义相对论的变换方程。

根据诺贝尔基金会发布的传记,"可以说,Lorentz被所有理论物理学家视为世界领先的思想家,他完成了前人未竟的事业,为基于量子论的新思想的成功接纳奠定了基础。"他获得了许多荣誉和表彰,包括1925年至1928年期间担任国际智力合作委员会(联合国教科文组织的前身)主席。

生平

早年生活

Hendrik Lorentz出生于荷兰Gelderland的Arnhem,是富裕园艺家Gerrit Frederik Lorentz(1822–1893)和Geertruida van Ginkel(1826–1861)的儿子。1862年,母亲去世后,他的父亲与Luberta Hupkes再婚。尽管被抚养成新教徒,但他在宗教问题上是一个自由思想家。从1866年到1869年,他就读于Arnhem的"Hogere Burger School",这是由Johan Rudolph Thorbecke最近建立的一种新型公立高中。他的学业成绩堪称典范;他不仅在物理科学和数学方面表现出色,在英语、法语和德语方面也同样优秀。1870年,他通过了当时大学入学所需的古典语言考试。

Lorentz在Leiden大学学习物理和数学,深受天文学教授Frederik Kaiser的教学影响;正是他的影响促使Lorentz成为了一名物理学家。获得学士学位后,他在1871年回到Arnhem教授数学夜校课程,但他在教学之余继续在Leiden进修。1875年,Lorentz在Pieter Rijke的指导下获得博士学位,论文题目为"Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht"(关于光的反射和折射理论),在该论文中他完善了James Clerk Maxwell的电磁理论。

职业生涯

Leiden大学教授

1877年11月17日,年仅24岁的Hendrik Antoon Lorentz被任命为Leiden大学新设立的理论物理学席位教授。该职位最初曾提供给Johan van der Waals,但他接受了Universiteit van Amsterdam的职位。1878年1月25日,Lorentz发表了他的就职演讲,题目为"De moleculaire theoriën in de natuurkunde"(物理学中的分子理论)。1881年,他成为荷兰皇家艺术与科学院的院士。

Menso Kamerlingh Onnes绘制的Hendrik Lorentz肖像,1916年。

在Leiden的前20年里,Lorentz主要对电学、磁学和光的电磁理论感兴趣。之后,他将研究范围扩展到更广泛的领域,但仍然专注于理论物理。Lorentz在从流体力学到广义相对论的各个领域做出了重要贡献。他最重要的贡献是在电磁学、电子理论和相对论领域。

Lorentz理论化地认为原子可能由带电粒子组成,并建议这些带电粒子的振荡是光的来源。当Lorentz的一位同事和前学生Pieter Zeeman在1896年发现Zeeman效应时,Lorentz提供了其理论解释。这项实验和理论工作在1902年获得了诺贝尔物理学奖。Lorentz的名字现在与Lorentz-Lorenz方程、Lorentz力、Lorentzian分布和Lorentz变换相关联。

电动力学和相对论

1892年和1895年,Lorentz致力于描述相对于假设的光以太在运动参考系中传播的电磁现象。他发现从一个参考系到另一个参考系的转换可以通过使用一个他称之为局部时间的新时间变量来简化,该变量取决于绝对时间和所考虑的位置。尽管Lorentz没有对局部时间的物理意义进行详细解释,但有了它,他能够解释光的像差和Fizeau实验的结果。在1900年和1904年,Henri Poincaré将局部时间称为Lorentz的"最聪明的想法",并通过展示运动参考系中的时钟通过交换假定以相同速度对抗和随运动方向传播的光信号来同步来说明这一点(见Einstein同步和同时性相对性)。1892年,在试图解释Michelson-Morley实验时,Lorentz还提出运动体在运动方向上收缩(见长度收缩);George FitzGerald早在1889年就已得出这个结论。

Jan Veth的肖像。

在1899年和1904年,Lorentz在他的变换中加入了时间膨胀,并发表了Poincaré在1905年命名为Lorentz变换的内容。Lorentz显然不知道Joseph Larmor在1897年已经使用了相同的变换来描述轨道电子。Larmor和Lorentz的方程看起来有些不同,但它们在代数上等价于Poincaré和Einstein在1905年提出的方程。Lorentz的1904年论文包括电动力学的协变公式,其中不同参考系中的电磁现象由具有良好定义的变换属性的相同方程描述。该论文清楚地认识到这种公式的意义,即电磁实验的结果不取决于参考系的相对运动。1904年论文包括对快速运动物体惯性质量增加的详细讨论,目的是徒劳地使动量看起来完全像牛顿动量;这也是试图解释长度收缩为"物质"在质量上积累使其减速和收缩的尝试。

Lorentz与狭义相对论

1905年,Einstein将使用Lorentz讨论过的许多概念、数学工具和结果来撰写他的论文"论运动物体的电动力学",今天被称为狭义相对论。因为Lorentz为Einstein的工作奠定了基础,这个理论最初被称为Lorentz-Einstein理论。

1906年,Lorentz的电子理论在他在Columbia大学的讲座中获得了完整的处理,该讲座出版时的题目为《电子理论》。

Lorentz的电子理论。Lorentz力的公式(I)和电场E的散度的Maxwell方程(II)以及磁场B的散度(II)

质量的增加是Lorentz和Einstein的第一个被测试的预测,但Kaufmann的一些实验似乎显示出略微不同的质量增加;这导致Lorentz做出了著名的评论,称他已经"au bout de mon latin"("已用完我的拉丁语"=智穷力尽)。他的预测的确认必须等到1908年及以后(见Kaufmann-Bucherer-Neumann实验)。

Lorentz发表了一系列论文,涉及他所称的"Einstein的相对论原理"。例如,在1909年、1910年、1914年。在他1906年的讲座中,后来在1909年以补充形式出版在《电子理论》一书中,并在1915年更新,他肯定地谈论了Einstein的理论:

从以上所述可以明白,两个观察者A0和A接收到的印象在所有方面都是相同的。无法确定他们中哪一个相对于以太移动或静止,也没有理由偏好一个人测量的时间和长度而不是另一个人测定的,也无法说他们中任何一个拥有"真实"的时间或"真实"的长度。这是一个Einstein特别强调的要点,在他开始所谓相对论原理的理论中。我无法在此讲述Einstein应用这一原理所做的许多非常有趣的应用。他关于电磁和光学现象的结果在主要方面与我们在前面几页中获得的结果一致,主要区别在于Einstein简单地假设了我们从电磁场的基本方程中推导出来的内容,虽然有些困难且并不完全令人满意。通过这样做,他肯定可以因让我们看到Michelson、Rayleigh和Brace等实验的负面结果,不是相对立效应的偶然补偿,而是普遍和基本原理的表现而获得赞誉。公平地说,除了其起点的迷人大胆之外,Einstein的理论相比我的还有另一个明显的优势。虽然我未能对参考运动轴的方程获得与适用于静止系统的方程完全相同的形式,但Einstein通过使用与我引入的略有不同的新变量系统实现了这一点。

尽管Lorentz仍然坚持存在一个不可检测的以太,其中静止的时钟指示"真实时间":

1909年:然而,我认为,也可以为我提出理论的形式主张一些东西。我不得不将能够是具有能量和振动的电磁场所在地的以太视为具有某种程度的实质性,尽管它可能与所有普通物质完全不同。
1910年:假如存在以太,那么在所有系统x、y、z、t下,其中一个由坐标轴和时钟在以太中静止的事实而被优先考虑。如果将此与(我只会不情愿地放弃的)想法相联系,即空间和时间是完全不同的事物,并且存在"真实时间"(同时性因此将独立于位置,这与我们能够具有无限大速度的想法一致),那么很容易看到这个真实时间应该由在以太中静止的时钟指示。然而,如果相对论原理在自然中具有普遍有效性,人们就不会处于确定是否刚刚使用的参考系是优先的位置。那么人们会得到与以下相同的结果:如果人们(按照Einstein和Minkowski)否认以太和真实时间的存在,并将所有参考系视为同样有效。无论一个人遵循这两种思维方式中的哪一种,肯定可以留给个人。

Lorentz也对Poincaré对相对论的贡献表示了赞扬。

实际上,对于进入公式的某些物理量,我没有指出最合适的变换。那是由Poincaré随后由Mr. Einstein和Minkowski所做的。我没有成功获得方程的精确不变性。相反,Poincaré获得了电动力学方程的完美不变性,并提出了"相对论假设",他是第一个使用这些术语的人。让我们补充一下,通过纠正我工作的缺陷,他从未责备我。

Lorentz与广义相对论

Lorentz是从一开始就支持Einstein寻求广义相对论的少数科学家之一——他撰写了几篇研究论文并与Einstein进行了个人和书信讨论。例如,他试图将Einstein的形式与Hamilton原理相结合(1915年),并以无坐标的方式重新表述它(1916年)。Lorentz在1919年写道:

5月29日日全食导致了Albert Einstein发展的新万有引力理论的引人注目的确认,因此加强了确信这个理论的定义是自然科学领域中有史以来采取的最重要步骤之一的信念。

Lorentz与量子力学

Lorentz在1926年秋季在Cornell大学发表了一系列关于新量子力学的讲座;在这些讲座中,他介绍了Erwin Schrödinger的波动力学。

评估

Einstein对Lorentz的评价:

1928年:他工作的巨大意义在于它为原子理论和广义和狭义相对论理论奠定了基础。狭义理论是对Lorentz1895年研究中所发现概念的更详细阐述。
1953年:对我个人而言,他意味着比我生活旅途中遇到的所有其他人都更多。

Poincaré在1902年对Lorentz的电动力学理论的评价:

最令人满意的理论是Lorentz的理论;它无疑是最好地解释已知事实的理论,是那个投射到

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