, Академик

Хендрик Антон Лоренц (часто пишется Гендрик) (1853-1928) - выдающийся 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 том числе эффект Зеемана. Разработал электродинамику движущихся сред. Вывел преобразования, названные его именем. Х. Лоренц близко подошел к созданию теории относительности. Нобелевская премия (1902, совместно с П. Зееманом).

Я счастлив, что принадлежу к нации, слишком маленькой, чтобы совершать большие глупости.

Лоренц Хендрик Антон

Хендрик Лоренц родился 18 июля 1853, Арнем, в Нидерландах. Скончался 4 февраля 1928, Харлем.

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.

В шесть 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 Лоренц, 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 Хендрик 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».

Хендрик 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.

Хендрик Антон 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 Х. 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 Хендрик 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 Галилео-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 Майкл Фарадей и Максвелл, 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). 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 участие Хенрика Лоренца 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.

Хенрик Лоренц не замыкался в одной лишь теоретической физике. Он много лет вел трудоемкие расчеты, связанные с проблемой осушения Зейдер-Зе, большое внимание уделял вопросам преподавания, добился организации в Лейдене бесплатных библиотек, во время и после войны тратил много усилий для объединения ученых разных стран.

Зейдер-Зе (Zuiderzee) - залив Северного моря, у берегов Нидерландов. Образовался в 1282 в результате наводнения. Отделен от моря Западно-Фризскими о-вами. Глубина 3-4 м, на фарватерах 8-24 метров. Перегорожен шлюзовой дамбой. Внутренняя часть (залив-озеро Эйсселмер) частично осушена, оставшаяся часть (560 км2) осваивается с 1980.

Лоренц любил свою страну и писал: «Я счастлив, что принадлежу к нации, слишком маленькой, чтобы совершать большие глупости». Он пользовался огромным уважением и любовью как у себя на родине, так и везде, где его знали. Празднование пятидесятилетия со дня защиты им докторской диссертации, начавшееся 11 декабря 1925 года вылилось в общенациональный праздник.

Хендрик (часто пишется Гендрик ) Антон Лоренц (нидерл. Hendrik Antoon Lorentz; 18 июля 1853, Арнем, Нидерланды - 4 февраля 1928, Харлем, Нидерланды) - нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902, совместно с Питером Зееманом) и других наград, член Нидерландской королевской академии наук (1881), ряда иностранных академий наук и научных обществ.

Лоренц известен прежде всего своими работами в области электродинамики и оптики. Объединив концепцию непрерывного электромагнитного поля с представлением о дискретных электрических зарядах, входящих в состав вещества, он создал классическую электронную теорию и применил её для решения множества частных задач: получил выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля (сила Лоренца), вывел формулу, связывающую показатель преломления вещества с его плотностью (формула Лоренца - Лоренца), разработал теорию дисперсии света, объяснил ряд магнитооптических явлений (в частности, эффект Зеемана) и некоторые свойства металлов. На основе электронной теории учёный развил электродинамику движущихся сред, в том числе выдвинул гипотезу о сокращении тел в направлении их движения (сокращение Фицджеральда - Лоренца), ввёл понятие о «местном времени», получил релятивистское выражение для зависимости массы от скорости, вывел соотношения между координатами и временем в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчёта (преобразования Лоренца). Работы Лоренца способствовали становлению и развитию идей специальной теории относительности и квантовой физики. Кроме того, им был получен ряд существенных результатов в термодинамике и кинетической теории газов, общей теории относительности, теории теплового излучения.

Биография

Происхождение и детские годы (1853-1870)

Хендрик Антон Лоренц родился 15 июля 1853 года в Арнеме. Его предки происходили из прирейнской области Германии и занимались в основном земледелием. Отец будущего ученого, Геррит Фредерик Лоренц (Gerrit Frederik Lorentz, 1822-1893), владел питомником плодовых деревьев близ Велпа (нидерл. Velp). Мать Хендрика Антона, Гертруда ван Гинкел (Geertruida van Ginkel, 1826-1861), выросла в Ренсвауде (нидерл. Renswoude) в провинции Утрехт, была замужем, рано овдовела и на третьем году вдовства вышла замуж во второй раз - за Геррита Фредерика. У них было двое сыновей, однако второй из них умер ещё в младенческом возрасте; Хендрик Антон воспитывался вместе Хендриком Яном Якобом, сыном Гертруды от первого брака. В 1862 году, после ранней смерти супруги, отец семейства женился на Люберте Хюпкес (Luberta Hupkes, 1819/1820-1897), которая стала детям заботливой мачехой.

В шестилетнем возрасте Хендрик Антон поступил в начальную школу Тиммера. Здесь, на уроках Герта Корнелиса Тиммера, автора учебников и научно-популярных книг по физике, юный Лоренц познакомился с основами математики и физики. В 1866 году будущий учёный успешно сдал вступительные экзамены в только что открывшуюся в Арнеме высшую гражданскую школу (нидерл. Hogereburgerschool), которая примерно соответствовала гимназии. Учёба легко давалась Хендрику Антону, чему способствовал педагогический талант учителей, в первую очередь Х. Ван-дер-Стадта, автора нескольких известных учебников по физике, и Якоба Мартина ван Беммелена, преподававшего химию. Как признавал сам Лоренц, именно Ван-дер-Стадт привил ему любовь к физике. Другой важной встречей в жизни будущего учёного стало знакомство с Германом Хагой (нидерл. Herman Haga), который учился в том же классе и впоследствии также стал физиком; они оставались близкими друзьями на протяжении всей жизни. Кроме естественных наук, Хендрик Антон интересовался историей, прочёл ряд трудов по истории Нидерландов и Англии, увлекался историческими романами; в литературе его привлекало творчество английских писателей - Вальтера Скотта, Уильяма Теккерея и особенно Чарльза Диккенса. Отличаясь хорошей памятью, Лоренц изучил несколько иностранных языков (английский, французский и немецкий), а перед поступлением в университет самостоятельно овладел греческим и латынью. Несмотря на общительный характер, Хендрик Антон был человеком стеснительным и не любил говорить о своих переживаниях даже с близкими. Он был чужд всякого мистицизма и, по свидетельству дочери, «лишён был веры в божью благодать… Вера в высшую ценность разума… заменяла ему религиозные убеждения».

(1853-1928) нидерландский физик-теоретик, создатель классической электронной теории

Хендрик Антон Лоренц родился в небольшом голландском городе Арнем в семье садовода и земледельца. Его родители не были образованными людьми, но тянулись к культуре и книгам. В 1859 году в возрасте шести лет Хендрик Антон был отдан в частную школу выдающегося педагога, автора научно-популярных книг и учебников по физике Тим-мера. Уже здесь мальчик обнаружил выдающиеся способности и окончил школу лучшим учеником.

В 1866 году Х. Лоренц поступил в третий класс только что созданной Высшей гражданской школы, примерно соответствующей гимназии. Его любимыми предметами стали физика и математика, а также языки. Лоренц увлекался и литературой, историей, философией. Физику в школе преподавал блестящий лектор Ван-дер-Стадт. Во время занятий, проводимых на лоне природы, учащиеся дискутировали на разнообразные научные темы. Лоренц не был верующим человеком, но для изучения французского и немецкого языков он ходил в церковь и слушал проповеди на этих языках.

В 1870 году Хендрик Антон поступил в Лейденский университет, где проучился немногим более года. С большим интересом слушал лекции университетских профессоров, однако решающим событием, определившим дальнейший путь ученого, было знакомство с работами английского физика Джеймса Клерка Максвелла. Преподаватели не могли ему помочь в овладении теорией Максвелла, но ключ к ней, по словам Лоренца, ему помогли подобрать научные статьи немецкого физика Гельмгольца, английского физика Фарадея и французского физика Френеля. В 1871 году Лоренц блестяще сдал экзамен на степень магистра, а в 1872 году покинул Лейденский университет и вернулся в Арнем. Здесь он самостоятельно готовится к докторским экзаменам и начинает работать учителем вечерней школы. Но несмотря на то, что ему нет еще 20 лет и мешает врожденная стеснительность, учащихся он покоряет своим сильным интеллектом и вскоре становится хорошим педагогом. Лоренц продолжает изучать труды Максвелла и Фарадея, дома создает небольшую лабораторию, проводит эксперименты и ищет свой путь в физике. В это же время выходит «Трактат об электричестве и магнетизме» Максвелла, который произвел на Лоренца одно из самых сильных впечатлений в жизни.

Один из немногих он понимал содержание «Библии электричества» и видел слабые стороны новой теории. Он намечает пути ее развития и свою программу формулирует в докторской диссертации на тему «К теории отражения и преломления света». В 1875 году Лоренц блестяще защитил диссертацию, но из-за большой скромности даже не посылал своих работ в центральные научные журналы. Только в 1877 году в немецком журнале появился сокращенный перевод его диссертации. После защиты молодой доктор продолжал учительствовать в родном Арнеме и вести интенсивную творческую работу.

В 1878 году Хендрик Антон Лоренц становится профессором кафедры теоретической физики Лейденского университета - одной из первых в Европе. После публикации работ, содержащих идеи новой электродинамики, имя 25-летнего профессора становится широко известным. В 1881 году Лоренц становится членом Королевской академии наук в Амстердаме. В 1897 году он впервые принял участие в Международном конгрессе немецких естествоиспытателей и врачей, а в 1900 году в Париже выступил с докладом о магнитооптических явлениях. Среди знаменитых физиков мира друзьями Лоренца были Вин, Больцман, Пуанкаре, Планк, Рентген, русский физик П. Н. Лебедев и другие.

В течение 29 лет (1880-1909) Лоренц разрабатывал и совершенствовал классическую электронную теорию как теорию электрических, магнитных и оптических свойств вещества и электромагнитных явлений, основанных на анализе движения электрических зарядов. Это главное детище ученого. Первое систематическое изложение этой теории он дал в 1895 году в своей основополагающей работе «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах». Затем в 1903 году он записал ее уравнения в современной форме, и в 1909 году в книге «Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения» дается уже наиболее полное изложение электронной теории Лоренца. Основываясь на ней, он объяснил целый ряд физических факторов и явлений и предсказал новые.

Ученый дал выражение для силы, действующей на движущийся заряд в электромагнитном поле, названной силой Лоренца.

В 1896 году его ученик Питер Зееман (1865-1943) открыл явление расщепления спектральных линий в сильном магнитном поле, предсказанное учителем. В 1897 году Лоренц разработал теорию этого явления. Спустя пять лет (в 1902 году) он и Зееман становятся нобелевскими лауреатами.

В 1904 году Хендрик Лоренц вывел формулы, связывающие между собой моменты времени одного и того же события и пространственные координаты в двух различных инерциальных системах отсчета - так называемые преобразования Лоренца, из которых получают все кинематические эффекты специальной теории относительности. В том же году он получил формулу зависимости массы электрона от скорости, подготовив переход к теории относительности и квантовой механике.

Исследования Лоренца посвящены также кинетической теории газов, кинетике твердых тел и электронной теории металлов, созданной совместно с немецким физиком П. Друде (1863-1906) в начале XX века.

Известность Х. А. Лоренца непрерывно росла. Он возглавляет международные форумы выдающихся физиков. С момента учреждения Сольвеевского фонда был неизменным председателем Сольвеевских конгрессов. В 1911 году в Брюсселе на I Международном Сольвеевском конгрессе физиков, посвященном проблеме «Излучение и кванты», перед 23 его участниками поставил задачу создания новой механики.

В 1913 году Лоренц оставил кафедру в Лейденском университете, уйдя на должность экстраординарного профессора, и посвятил себя общественной деятельности: созданию методики обучения и реформы образования. Будучи блестящим педагогом, ученый оказал значительное влияние на молодое поколение физиков. Лоренц обладал редким дипломатическим талантом и объективностью, свободно изъяснялся на нескольких языках. Он был всегда доброжелательным и исключительно добросовестным человеком, обладал тонким чувством юмора, который отражался и в его улыбке. Лоренц со спокойной уверенностью и легкостью владел собой так же, как владел физикой и математическим аппаратом.

Хендрик Антон Лоренц был связан с выдающимися русскими физиками, глубоко интересовался развитием физики в России, особенно после Октябрьской революции 1917 года. В 1923 году он занял должность директора научного института в Харлеме.

В 1925 году в Голландии проходили большие торжества, посвященные 50-летию научной деятельности Хендрика Лоренца, превратившиеся, по словам академика П. Лазарева, в международный съезд. Голландская академия наук учредила Золотую медаль Лоренца. В ответной речи юбиляр - великий классик теоретической физики и ее духовный отец - сказал: «Я бесконечно счастлив, что мне удалось внести свой скромный вклад в развитие физики. Наше время прошло, но мы передали эстафету в надежные руки». Лоренц был признан старейшиной физической науки, величайшим классиком теоретической физики и ее духовным отцом. В этом же году он был избран иностранным членом Академии наук СССР.

В 1927 году на V Сольвеевском конгрессе по проблеме «Электроны, фотоны и квантовая механика» Лоренц председательствовал в последний раз.

В феврале 1928 года в возрасте 75 лет Хендрик Антон Лоренц скончался. В Голландии был объявлен национальный траур. Немецкий ученый Альберт Эйнштейн сказал: «Его блестящий ум указал нам путь от теории Максвелла к достижениям физики наших дней. Образ и труды его будут служить на благо и просвещение еще многим поколениям».

Голландский физик Хендрик Антон Лоренц родился в Арнхеме в семье Геррита Фредерика Лоренца и Гертруды (ван Гинкель) Лоренц. Отец Лоренца содержал детские ясли. Мать мальчика умерла, когда ему исполнилось четыре года. Через пять лет отец женился вторично на Люберте Хупкес. Лоренц учился в средней школе Арнхема и имел отличные оценки по всем предметам.

В 1870 г. он поступил в Лейденский университет, где познакомился с профессором астрономии Фредериком Кайзером, чьи лекции по теоретической астрономии заинтересовали его. Менее чем за два года Лоренц стал бакалавром наук по физике и математике. Возвратившись в Арнхем, он преподавал в местной средней школе и одновременно готовился к экзаменам на докторскую степень, которые он отлично сдал в 1873 г. Через два года Лоренц успешно защитил в Лейденском университете диссертацию на соискание ученой степени доктора наук. Диссертация была посвящена теории отражения и преломления света. В ней Лоренц исследовал некоторые следствия из электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла относительно световых волн. Диссертация была признана выдающейся работой.

Лоренц продолжал жить в родном доме и преподавать в местной средней школе до 1878 г., когда он был назначен на кафедру теоретической физики Лейденского университета. В то время теоретическая физика как самостоятельная наука делала еще только первые шаги. Кафедра в Лейдене была одной из первых в Европе. Новое назначение как нельзя лучше соответствовало вкусам и наклонностям Лоренца, который обладал особым даром формулировать теорию и применять изощренный математический аппарат к решению физических проблем.

Продолжая заниматься исследованием оптических явлений, Лоренц в 1878 г. опубликовал работу, в которой теоретически вывел соотношение между плотностью тела и его показателем преломления (отношением скорости света в вакууме к скорости света в теле – величине, характеризующей, насколько сильно отклоняется от первоначального направления луч света при переходе из вакуума в тело). Случилось так, что несколько раньше ту же формулу опубликовал датский физик Людвиг Лоренц, поэтому она получила название формулы Лоренца – Лоренца. Однако работа Хендрика Лоренца представляет особый интерес потому, что основана на предположении, согласно которому материальный объект содержит колеблющиеся электрически заряженные частицы, взаимодействующие со световыми волнами. Она подкрепила отнюдь не общепринятую тогда точку зрения на то, что вещество состоит из атомов и молекул.

В 1880 г. научные интересы Лоренца были связаны главным образом с кинетической теорией газов, описывавшей движение молекул и установление соотношения между их температурой и средней кинетической энергией. В 1892 г. Лоренц приступил к формулированию теории, которую как сам он, так и другие впоследствии назвали теорией электронов. Электричество, утверждал Лоренц, возникает при движении крохотных заряженных частиц – положительных и отрицательных электронов. Позднее было установлено, что все электроны отрицательно заряжены. Лоренц заключил, что колебания этих крохотных заряженных частиц порождают электромагнитные волны, в том числе световые и радиоволны, предсказанные Максвеллом и открытые Генрихом Герцем в 1888 г. В 1890-е гг. Лоренц продолжил занятия теорией электронов. Он использовал ее для унификации и упрощения электромагнитной теории Максвелла, опубликовал серьезные работы по многим проблемам физики, в том числе о расщеплении спектральных линий в магнитном поле.

Когда свет от раскаленного газа проходит через щель и разделяется спектроскопом на составляющие частоты, или чистые цвета, возникает линейчатый спектр – серия ярких линий на черном фоне, положение которых указывает соответствующие частоты. Каждый такой спектр характерен для вполне определенного газа. Лоренц предположил, что частоты колеблющихся электронов определяют частоты в испускаемом газом свете. Кроме того, он выдвинул гипотезу о том, что магнитное поле должно сказываться на движении электронов и слегка изменять частоты колебаний, расщепляя спектр на несколько линий. В 1896 г. коллега Лоренца по Лейденскому университету Питер Зееман поместил натриевое пламя между полюсами электромагнита и обнаружил, что две наиболее яркие линии в спектре натрия расширились. После дальнейших тщательных наблюдений над пламенем различных веществ Зееман подтвердил выводы теории Лоренца, установив, что расширенные спектральные линии в действительности представляют собой группы из близких отдельных компонент. Расщепление спектральных линий в магнитном поле получило название эффекта Зеемана. Зееман подтвердил и предположение Лоренца о поляризации испускаемого света.

Хотя эффект Зеемана не удалось полностью объяснить до появления в XX в. квантовой теории, предложенное Лоренцем объяснение на основе колебаний электронов позволило понять простейшие особенности этого эффекта. В конце XIX в. многие физики считали (как выяснилось впоследствии, правильно), что спектры должны стать ключом к разгадке строения атома. Поэтому применение Лоренцем теории электронов для объяснения спектрального явления можно считать необычайно важным шагом на пути к выяснению строения вещества. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон в виде свободно движущейся частицы, возникающей при электрических разрядах в вакуумных трубках. Свойства открытой частицы оказались такими же, как у постулированных Лоренцем электронов, колеблющихся в атомах.

Зееман и Лоренц были удостоены Нобелевской премии по физике 1902 г. «в знак признания выдающегося вклада, который они внесли своими исследованиями влияния магнетизма на излучения». «Наиболее значительным вкладом в дальнейшее развитие электромагнитной теории света мы обязаны профессору Лоренцу, – заявил на церемонии вручения премии Ялмар Теель из Шведской королевской академии наук. – Если теория Максвелла свободна от каких бы то ни было допущений атомистического характера, то Лоренц начинает с гипотезы о том, что вещество состоит из микроскопических частиц, называемых электронами, которые являются носителями вполне определенных зарядов».

В конце XIX – начале XX в. Лоренца по праву считался ведущим физиком-теоретиком мира. Работы Лоренца охватывали не только электричество, магнетизм и оптику, но и кинетику, термодинамику, механику, статистическую физику и гидродинамику. Его усилиями физическая теория достигла пределов, возможных в рамках классической физики. Идеи Лоренца оказали влияние на развитие современной теории относительности и квантовой теории.

В 1904 г. Лоренц опубликовал наиболее известные из выведенных им формул, получившие название преобразований Лоренца. Они описывают сокращение размеров движущегося тела в направлении движения и изменение хода времени. Оба эффекта малы, но возрастают, если скорость движения приближается к скорости света. Эту работу он предпринял в надежде объяснить неудачи, постигавшие все попытки обнаружить влияние эфира – загадочного гипотетического вещества, якобы заполняющего все пространство.

Считалось, что эфир необходим как среда, в которой распространяются электромагнитные волны, например свет, подобно тому как молекулы воздуха необходимы для распространения звуковых волн. Несмотря на многочисленные трудности, встретившиеся на пути тех, кто пытался определить свойства вездесущего эфира, который упорно не поддавался наблюдению, физики все же были убеждены в том, что он существует. Одно из следствий существования эфира должно было бы наблюдаться обязательно: если скорость света измерять движущимся прибором, то она должна быть больше при движении к источнику света и меньше при движении в другую сторону. Эфир можно было бы рассматривать как ветер, переносящий свет и заставляющий его распространяться быстрее, когда наблюдатель движется против ветра, и медленнее, когда он движется по ветру.

В знаменитом эксперименте, выполненном в 1887 г. Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли с помощью высокоточного прибора, называемого интерферометром, лучи света должны были пройти определенное расстояние в направлении движения Земли и затем такое же расстояние в противоположном направлении. Результаты измерений сравнивались с измерениями, произведенными над лучами, распространяющимися туда и обратно перпендикулярно направлению движения Земли. Если бы эфир как-то влиял на движение, то времена распространения световых лучей вдоль направления движения Земли и перпендикулярно ему из-за различия в скоростях отличались бы достаточно для того, чтобы их можно было измерить интерферометром. К удивлению сторонников теории эфира, никакого различия обнаружено не было.

Множество объяснений (например, ссылка на то, что Земля увлекает за собой эфир и поэтому он покоится относительно нее) были весьма неудовлетворительны. Для решения этой задачи Лоренц (и независимо от него ирландский физик Дж. Ф. Фитцджералд) предположил, что движение сквозь эфир приводит к сокращению размеров интерферометра (и, следовательно, любого движущегося тела) на величину, которая объясняет кажущееся отсутствие измеримого различия скорости световых лучей в эксперименте Майкельсона – Морли.

Преобразования Лоренца оказали большое влияние на дальнейшее развитие теоретической физики в целом и в частности на создание в следующем году Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности. Эйнштейн питал к Лоренцу глубокое уважение. Но если Лоренц считал, что деформация движущихся тел должна вызываться какими-то молекулярными силами, изменение времени – не более чем математический трюк, а постоянство скорости света для всех наблюдателей должно следовать из его теории, то Эйнштейн подходил к относительности и постоянству скорости света как к основополагающим принципам, а не проблемам. Приняв радикально новую точку зрения на пространство, время и несколько фундаментальных постулатов, Эйнштейн вывел преобразования Лоренца и исключил необходимость введения эфира.

Лоренц сочувственно относился к новаторским идеям и одним из первых выступил в поддержку специальной теории относительности Эйнштейна и квантовой теории Макса Планка . На протяжении почти трех десятилетий нового века Лоренц проявлял большой интерес к развитию современной физики, сознавая, что новые представления о времени, пространстве, материи и энергии позволили разрешить многие проблемы, с которыми ему приходилось сталкиваться в собственных исследованиях. О высоком авторитете Лоренца среди коллег свидетельствует хотя бы такой факт: по их просьбе он в 1911 г. стал председателем первой Сольвеевской конференции по физике – международного форума самых известных ученых – и ежегодно, до самой смерти, выполнял эти обязанности.

В 1912 г. Лоренц ушел в отставку из Лейденского университета с тем, чтобы уделять большую часть времени научным исследованиям, но раз в неделю он продолжал читать лекции. Переехав в Гарлем, Лоренц принял на себя обязанности хранителя физической коллекции Музея гравюр Тейлора. Это давало ему возможность работать в лаборатории. В 1919 г. Лоренц принял участие в одном из величайших в мире проектов предупреждения наводнений и контроля за ними. Он возглавил комитет по наблюдению за перемещениями морской воды во время и после осушения Зюйдерзее (залива Северного моря). После окончания первой мировой войны Лоренц активно способствовал восстановлению научного сотрудничества, прилагая усилия к тому, чтобы восстановить членство граждан стран Центральной Европы в международных научных организациях. В 1923 г. он был избран в международную комиссию по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций. В состав этой комиссии входили семь ученых с мировым именем. Через два года Лоренц стал ее председателем. Лоренц сохранял интеллектуальную активность до самой смерти, последовавшей 4 февраля 1928 г. в Гарлеме.

В 1881 г. Лоренц женился на Аллетте Катерине Кайзер, племяннице профессора астрономии Кайзера. У супругов Лоренц родилось четверо детей, один из которых умер в младенческом возрасте. Лоренц был необычайно обаятельным и скромным человеком. Эти качества, а также его удивительные способности к языкам позволили ему успешно руководить международными организациями и конференциями.

Помимо Нобелевской премии Лоренц был удостоен медалей Копли и Румфорда Лондонского королевского общества. Он был почетным доктором Парижского и Кембриджского университетов, членом Лондонского королевского и Германского физического обществ. В 1912 г. Лоренц стал секретарем Нидерландского научного общества.

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).