洛伦兹

点击领取高中全科视频
极简物理辅导书籍上市!欢迎点击购买

亨德里克·安东·洛伦兹(荷兰语:Hendrik Antoon Lorentz,1853年7月18日-1928年2月4日),荷兰物理学家,曾与彼得·塞曼共同获得1902年诺贝尔物理学奖,并于1881年当选荷兰皇家艺术与科学学院院士,同时还曾担任多国科学院外籍院士。

1902年时的洛伦兹

洛伦兹以其在电磁学与光学领域的研究工作闻名于世。他通过连续电磁场以及物质中离散电子等概念得到了经典电子理论。这一理论可以在许多问题中派上用场:比如电磁场对运动的带电粒子的作用力(洛伦兹力)、介质的折射率与其密度的关系(洛伦兹-洛伦茨方程)、光色散理论、对于一些磁学现象的解释(比如塞曼效应)以及金属的部分性质。在电子理论的基础上,他还发展了运动介质中的电动力学,其中包括提出了物体在其运动方向上会发生长度收缩的假说(洛伦兹-斐兹杰惹收缩)、引入了“局部时”的概念、获得了质量与速度之间的关系并构造了表述不同惯性系间坐标和时间关系的方程组(洛伦兹变换)。洛伦兹的研究工作后来成为狭义相对论与量子物理的基础。此外,洛伦兹在热力学、分子运动论、广义相对论以及热辐射理论等方面也有建树。

生平

早年(1853-1870)
亨德里克·安东·洛伦兹1853年7月18日生于阿纳姆。他的祖先来自德国莱茵兰地区,大多务农。父亲赫里特·弗雷德里克·洛伦兹(Gerrit Frederik Lorentz,1822-1893)在海尔德兰省费尔普(Velp)拥有一片水果苗圃。母亲海特勒伊达·范·欣克尔(Geertruida van Ginkel,1826-1861)在乌得勒支省的伦斯沃德(Renswoude)长大。在嫁给洛伦兹父亲前,她曾守过三年寡。夫妇二人育有三子,但两子早夭。洛伦兹是和母亲与前夫的儿子扬·亨德里克·雅各布一起长大的。在洛伦兹母亲去世一年之后,父亲与吕贝塔·许普克斯(Luberta Hupkes,1819/1820-1897)再婚。

六岁时,洛伦兹开始在当地的蒂默小学学习。在学期间,幼年的洛伦兹在赫尔特·科内里斯·蒂默(曾写几过本物理学教材与科普读物)的指导下学习了基础的数学与物理学。1866年,这位未来的科学家通过了阿纳姆高等中学(Hogereburgerschool)的入学考试。一批优秀的教师,特别是H·范德斯塔特(H. van der Stadt,曾写过多部著名的物理学著作)与雅各布·马丁·范·贝梅莱纳(Jacob Martin van Bemmelena),对于他的学业助益颇深。洛伦兹本人后来也承认他对于物理学的热爱正是范德斯塔特不断灌输的结果。他在这所学校遇到的另外一个重要的人是后来也成为物理学家的赫尔曼·哈加(Herman Haga)。他们是同班同学并且是一生的挚友。除了自然科学外,洛伦兹还对历史感兴趣。他读过大量荷兰和英国历史的著作,并且非常喜欢历史小说。他非常爱读沃尔特·司各特、威廉·梅克比斯·萨克雷以及查尔斯·狄更斯这些英国文学家的作品。记忆力出众的洛伦兹还掌握英语、法语、德语等多国语言,特别是在读大学前,他还自学了希腊语与拉丁语。不过洛伦兹并不善于交际。腼腆的他即使是在亲戚面前也不善言辞。而他对于神秘主义也并不感兴趣。他的女儿后来这样说道:“(洛伦兹)放弃了对于上帝恩典的信赖……他将对于宗教的信念……转化为对于理性的至高价值的信仰。”

初涉科学界(1870-1877)

莱顿大学的一栋教学楼(1875)

1870年,洛伦兹考入荷兰最古老的学府,莱顿大学。 洛伦兹在这里接受过物理学家彼得·赖克(Pieter Rijke)以及数学家彼得·范·海尔(Pieter van Geer)等人的教导。而与洛伦兹关系最为亲密的老师是天文学家弗雷德里克·凯泽(Frederik Kaiser)。范德斯塔特曾是凯泽的学生。凯泽也是通过他认识了洛伦兹。洛伦兹也是在读大学时接触到了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦所做的基础工作。赫尔曼·冯·亥姆霍兹、奥古斯丁·菲涅耳以及迈克尔·法拉第等人的工作对于洛伦兹理解麦克斯韦的工作帮助很大。1871年,洛伦兹通过了硕士学位的考试。次年二月,洛伦兹离开莱顿,回到阿纳姆准备博士入学考试。他在夜校以及阿纳姆当地的蒂默学院教授数学。这份工作令他有充足的时间研究科学。[3]洛伦兹研究的重点是麦克斯韦的电磁学理论。除此之外,他还利用学校的实验室进行了一系列光学与电磁学实验。洛伦兹曾试图通过研究莱顿瓶的放电过程来证明电磁波存在,但未获得成功。洛伦兹后来这样回忆道:“(研究麦克斯韦的电磁学专著)可能是我一生中最重要的经历。将光解释为电磁现象可能是我所知道的最为大胆的设想。这位科学家可能并没有得到最终的表述。它并不完整,也不能给出许多问题的答案。”

洛伦兹1873年通过了博士入学考试[5],并于1875年12月11日对他的博士论文《论光反射与折射的理论》(Over de theorie der terugkaatsing en breking the van of het are licht)进行了答辩。他在这篇论文中基于麦克斯韦理论给出了这两种过程的解释。在完成论文答辩后,洛伦兹回到了阿纳姆,继续之前的教学工作。1876年夏,他与友人一起去瑞士旅行。此时洛伦兹面对着是否转向研究数学的抉择。他在阿纳姆的学校的教学效果不错,并且乌得勒支大学此时也邀请他担任数学教授。然而,洛伦兹还是想要回母校任职。他婉拒了乌得勒支大学的邀请,并在莱顿当地的一所高中谋得了一份临时工作。不久,莱顿大学发生了一个重大变故:物理系分为了两部分,理论物理学与实验物理学。莱顿大学起初邀请约翰内斯·范德瓦耳斯担任理论物理学教授。在范德瓦耳斯拒绝后,洛伦兹接受了委任。这是荷兰国内首个(在欧洲也是首批)理论物理学教授职位。而洛伦兹的工作也促进理论物理学成为一门独立学科。

莱顿(1878-1911)
1878年1月25日,洛伦兹正式就任理论物理学教授。上任时,他做了有关物理学中分子理论的报告。依据他的学生所说,这位年轻的教授“有一种特质。他和善又单纯,但与学生之间还是保持一定的距离,尽管他本人可能没有这样的打算或觉察到这一点”。洛伦兹所教授的课程非常受学生欢迎。尽管占去大量时间,他还是非常喜欢教学。1883年,在同事海克·卡末林·昂内斯病重无法继续向医学生教授普通物理时,洛伦兹承担下这份教学工作。他在昂内斯康复后继续讲授这一课程直至1906年。他的讲义后来改编成多本教材。这一系列教材重印多次,还有多种语言译本。1882年,洛伦兹开始向公众普及物理学知识。由于他可以将复杂的科学问题讲解得非常清晰,他的演讲非常受欢迎。


1902年时的洛伦兹

1880年夏,洛伦兹结识了凯泽教授的侄女阿莱塔·卡塔里娜·凯泽(Aletta Catharina Kaiser,1858-1931)。他们在那个夏天订婚,并在翌年初成婚。1885年,他们的女儿海特勒伊达·德哈斯-洛伦兹(Geertruida de Haas-Lorentz)出生。次女约翰娜·威廉明娜、早夭的长子以及次子鲁道夫相继于1889年、1893年与1895年诞生。长女后来成为洛伦兹的学生研究物理学与数学,并嫁给了昂内斯的学生,万德·约翰内斯·德哈斯(Wander Johannes de Haas)。

在莱顿任职最初的几年里,洛伦兹在国际科学界相对孤立,这多少是因为他的著作甚少在国外面世以及他本人极力避免接触外界的性格。直到19世纪90年代中期,他的工作在荷兰国外都甚少有人问津。1897年,他首次出席了在德国杜塞尔多夫召开的自然科学家与医生会议。 他在这里认识了路德维希·玻尔兹曼、威廉·维恩、亨利·庞加莱、马克斯·普朗克以及威廉·伦琴等等科学家。在成功创建电子理论并完善电动力学后,洛伦兹在科学界声名渐起。有关这种理论的专著于1892年首次出版。洛伦兹后来积极发展这种理论,并用其解释多种光学现象(比如色散)、金属部分性质以及运动介质中的电动力学等等。电子理论最具突破性的成就就是解释了彼得·塞曼于1896年报告的磁场中出现的谱线分裂现象,塞曼效应。1902年,塞曼与洛伦兹因为这项成就共同荣获该年的诺贝尔物理学奖。洛伦兹也成为首位获此殊荣的理论物理学家。[12] 电子理论的成功很大程度上来源于洛伦兹对于新概念与方法的敏感以及结合不同理论框架中元素的能力。历史学家奥利维尔·达里戈尔(Olivier Darrigol)这样说:

得益于这个国家的开放性,他一视同仁地阅读德语、英语以及法语的原始文献。启发他创意的人们,亥姆霍兹、麦克斯韦以及菲涅尔,来自彼此相当迥异有时甚至互相冲突的几种文化环境。对于普通人来说,那种折衷做法可能会导致迷惑,但洛伦兹却得益于此。

——摘译自Darrigol O. Electrodynamics from Ampere to Einstein [电动力学:自安培到爱因斯坦]. Oxford University Press. 2000: 322.
获奖后,洛伦兹受到世界各地的邀请去做演讲。他曾造访柏林(1904)与巴黎(1905)等地。1906年,他前往纽约哥伦比亚大学做了系列讲座。此时也有不少大学请洛伦兹出山。慕尼黑大学更是在1905年给出了相比莱顿优越得多的条件。但洛伦兹并不想离开这个他熟悉的地方,也不想打破宁静的小镇生活。因而在荷兰教育部改善他的工作环境后,他也就彻底打消了离开的念头。1909年,洛伦兹当选荷兰皇家艺术与科学学院物理学部主任,并担任此职长达12年。


出席1911年首次索尔维会议的科学家。前排左数第四人就是洛伦兹。

随着相对论的出现以及量子物理逐渐走进人们视野,人们开始质疑洛伦兹的电子理论以及经典物理普遍有效性。洛伦兹也在一直寻找旧物理困境的出路,但并没有成功。在洛伦兹《电子理论》苏联版的序言中,托里昌·克拉韦茨(Торичан Кравец)这样写道:“他在教学上的奋斗堪称伟绩。从中还可以看到作者在科学上的公正。他尊重来自各方的反对,并直面各种困难。在读了这本书后,你可以亲眼看到他为那些旧的信仰所做的一切——但这并没能拯救它们。”尽管对于对于经典物理仍有眷恋,对于新概念仍然保持谨慎,洛伦兹此时已经清晰意识到旧理论的不完美以及新科学的累累硕果。1911年秋,聚集着欧洲顶级物理学家的第一次索尔维会议在布鲁塞尔召开。会议的主要议题是辐射的量子理论。由于在这一问题上的权威、通晓多国语言以及能将讨论拉回正轨的能力,洛伦兹获荐为会议主席。他的同仁对于洛伦兹在此次高水平会议中的作为赏识有加。阿尔伯特·爱因斯坦将洛伦兹称作是“智慧与应变的奇迹”。马克斯·玻恩也对洛伦兹印象深刻:“他善于表达的眼睛令人一见难忘——其中既可看到友善,也能看到嘲讽。他的演讲也是如此:明晰、和缓、有说服力但又能听到言辞之下的讽刺。洛伦兹彬彬有礼地把持着会议……”

哈勒姆(1912-1928)

泰勒斯博物馆

1911年,洛伦兹收到邀请出任位于哈勒姆的泰勒斯博物馆(Teylers Museum)的馆长。荷兰皇家科学学会(Koninklijke Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen)就位于这座城市。洛伦兹接受了邀请,并开始寻找他在莱顿的继任者。他一开始找到了爱因斯坦,但因爱因斯坦已经接受了来自苏黎世的邀请而未果。洛伦兹后来说服在圣彼得堡工作的保罗·埃伦费斯特。1912年秋,在埃伦费斯特正式就任后,洛伦兹移居哈勒姆。[18]在泰勒斯博物馆,洛伦兹拥有一座私人实验室。他还负责面向物理教师的讲座。而在接下来的十年里,洛伦兹会在每周一做有关物理新进展的讲座。这个讲座已经成为了一项为科学界熟知的传统。其他国家的许多优秀研究者也曾造访此地。

1916年时的洛伦兹

随着年龄的增长,洛伦兹也开始在社交活动上,特别是在教育问题以及国际科学合作方面,付出了更大精力。他在海牙创办了学校并在莱顿组织了首批免费图书馆与阅读室。他还是索尔维基金会的经理人之一,组建了国际物理研究所,并成立委员会向各国的研究者拨款。在1913年的一篇文章中,洛伦兹这样写道:“每个人都认识到了合作以及对共同目标的追求最终会产生互敬、团结的友好关系。而这也将促进和平。”但不久后到来的一战在很长的一段时期内扰乱了交战国的科学家之间的交流。作为中立国公民的洛伦兹也在尽全力化解分歧,恢复各国研究者以及研究机构间的合作。而在进入战后组建的国际研究理事会后,洛伦兹和他的支持者试着去打破组织章程中歧视战败国的条款。1923年,洛伦兹加入由国际联盟组建的旨在加强欧洲国家间科学合作的国际智力合作委员会(International Committee on Intellectual Cooperation),并在之后不久接替亨利·柏格森成为委员会主席。


1916年时的洛伦兹

1918年,洛伦兹成为须德海工程(Zuiderzeewerken)委员会主席。他在余生中为此项工程付出了大量的精力,有时还会亲自参与工程计算。这些计算涉及诸多因素,需要理论物理学中诸多的数学方法。首座大坝始建于1920年,直到洛伦兹逝世多年后才完工。1919年,对于教学有浓厚兴趣的洛伦兹开始负责公共教育。1921年,他成为荷兰高等教育部部长。次年,洛伦兹受到加州理工学院的邀请,二度出访美国,并在多地做了演讲。之后,他又在1924年秋以及1926年冬两次造访帕萨迪纳。1923年,洛伦兹退休,但仍会在每周一做惯例的讲座。1925年,莱顿举办了洛伦兹博士论文答辩50周年的纪念仪式。两千多人从世界各地赶来出席这次活动,其中包括杰出的物理学家、荷兰政府代表以及洛伦兹的学生与友人。威廉明娜女王的丈夫亨德里克亲王授予洛伦兹荷兰至高荣誉,大十字奥伦治-拿骚勋章(Orde van Oranje-Nassau)。荷兰皇家艺术与科学学院宣布创办洛伦兹奖章,以奖励对于理论物理学做出重要贡献的科学家。

尽管科学方面的创造能力已不复往日,洛伦兹对于物理学的新进展的兴趣却一如既往。鉴于其在科学界的特殊地位,洛伦兹这位“物理学的长者”(埃伦费斯特语)在战后仍受到委任主持历次索尔维会议。他在探明新物理学所面对的挑战方面起到重要的作用。约瑟夫·拉莫尔这样说:“他是国际会议完美的领导者。他最为博学,也能最早领会现代物理所有问题的要旨。”阿诺·索末菲则这样说:“(洛伦兹)虽然最年老,但却最懂得变通。”1927年10月,洛伦兹在第五次索尔维会议中最后一次担任主席。这次会议主要讨论的就是新近建立的量子力学。同年,在完成须德海工程相关计算后,洛伦兹离开了高等教育部,希望能够全身心地投入科学之中。然而他却在次年的1月中旬染上了丹毒,身体状况每日愈下。2月4日,洛伦兹病逝。他的葬礼2月9日在哈勒姆举行。当天中午,荷兰全国中断电报通信3分钟以示哀悼。保罗·埃伦费斯特、欧内斯特·卢瑟福、保罗·郎之万以及阿尔伯特·爱因斯坦在洛伦兹的墓前做了演讲。爱因斯坦在演讲中是这样说的:

洛伦兹终其一生都在细致入微地进行着可谓艺术的工作。无时不刻的和善、慷慨、公正以及对人和环境深刻的直觉让他无论走到哪里,都能执一方之牛耳。所有人都能感受到他并不是去管制人们,而是为他们服务,因而都很乐意跟随他。

——摘译自Эйнштейн, А. Речь у могилы Лоренца. Собрание научных трудов 4. Москва: Наука. 1967: 95.

所获荣誉
诺贝尔物理学奖(1902)
拉姆福德奖章(Rumford Medal,1908)
富兰克林奖章(Franklin Medal,1917)
科普利奖章(1918)
法国荣誉军团勋章(1923)
奥伦治-拿骚勋章(1925)
伦敦皇家学会(1905)、法国科学院(1910)、爱丁堡皇家学会(1920)以及苏联科学院(1925)等机构外籍院士
代尔夫特高等技术学院(1918)、剑桥大学(1923)、巴黎大学以及莱顿大学(医学,1925)等大学授予的荣誉博士学位


刘叔的公众号
高中物理知识点总结

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注