Создатель классической электронной теории

Хендрик (Генрих) Антон Лоренц (Лорентц) (Hendrik Antoon Lorentz) родился 18 июля 1853 г. в городе Арнеме (Голландия) в семье Геррита Фредерика Лоренца и Гертруды (ван Гинкель) Лоренц. Отец содержал детские ясли. Мать мальчика умерла, когда ему исполнилось четыре года. Через пять лет отец женился вторично на Люберте Хюпкес, которая стала детям заботливой мачехой.

Маленький Лоренц, как казалось, очень отставал в развитии. Когда его сводный брат уже пошёл 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. Родители Лоренца не были образованными людьми, но тянулись к культуре.

В 1859 году в возрасте шести лет Хендрик был отдан в частную школу автора учебников по физике Тиммера. Школу он окончил в 1866 г. лучшим учеником и поступил в третий класс высшей гражданской школы (соответствующей гимназии). Любимыми предметами у него были физика, математика, иностранные языки. Он с детства был неверующим человеком, но посещал проповеди в церкви, чтобы иметь практику по французскому и немецкому языкам.

      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 (до старости он мог сочинять стихи по латыни).

        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».

С 1870 г. он - студент Лейденского университета. С интересом слушая лекции, Лоренц много времени уделяет самообразованию. С большими трудностями он пробирается через "интеллектуальные джунгли", по его выражению, очень трудных для понимания трудов Максвелла. "Трактат" Максвелла, признавался он, произвёл на него одно из самых сильных впечатлений в жизни: "…толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзошло всё, что я до сих пор знал". Эти занятия, видимо, и определили его судьбу. Многое ему дали и труды Гельмгольца, Френеля, Фарадея.

Большое влияние на него, как на будущего физика, оказал преподаватель астрономии профессор Фредерик Кайзер. Сдав в 1871 г. с отличием экзамен на степень магистра, Лоренц в 1872 г. возвращается в Арнем, чтобы самостоятельно подготовиться к докторским экзаменам. 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 он исследовал некоторые следствия из электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла относительно световых волн. Диссертация была признана выдающейся работой.

Он познакомился с теорией Максвелла случайно, обнаружив в библиотеке физической лаборатории университета нераспечатанные конверты со статьями Максвелла. Эти статьи никто не читал, так как в них развивались непривычные идеи, да ещё при помощи сложных математических выкладок.

     После защиты молодой доктор наук вернулся к своей прежней жизни арнемского учителя. Летом 1876 года вместе с друзьями он совершил пеший переход по Швейцарии. К этому времени перед ним встал вопрос о полном переключении на математику: именно эту дисциплину он успешно преподавал в школе и потому Утрехтский университет предложил ему должность профессора математики. Однако Лоренц, надеясь вернуться в свою альма-матер, отклонил это предложение и в качестве временной должности решил получить место учителя лейденской классической гимназии. Вскоре в Лейденском университете произошло важное изменение: кафедра физики была разделена на две части — экспериментальную и теоретическую.

        Новую должность профессора теоретической физики сначала предложили Яну Дидерику Ван-дер-Ваальсу, а когда тот отказался, на это место был назначен Лоренц. Это была первая в Нидерландах и одна из первых в Европе кафедра теоретической физики; успешная деятельность Лоренца на этом поприще способствовала формированию теоретической физики как самостоятельной научной дисциплины.

         По признанию одного из его бывших студентов, молодой профессор «обладал своеобразным даром, несмотря на всю свою доброту и простоту, сохранять определённую дистанцию между собой и своими студентами, нисколько не стремясь к тому и сам того не замечая».

Впоследствии Лоренц существенно развил теорию Максвелла, введя в неё наряду с электромагнитными полями и электроны.

Лоренц продолжал жить в родном доме. Работая учителем вечерней школы, он в свободное время экспериментирует в небольшой домашней лаборатории, продолжает изучать труды Максвелла и Френеля. "Как велика была радость, которую я испытал, когда смог прочесть самого Френеля", - вспоминал Лоренц.

       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.

     В 1878 г. Лоренц был назначен профессором кафедры теоретической физики Лейденского университета, а в 1881 г. был избран членом Королевской академии наук в Амстердаме. Среди его друзей Больцман, Вин, Пуанкаре, Рентген, Планк.

      В этом же году он женился на Аллетте Катерине Кайзер, племяннице профессора астрономии Кайзера. У супругов Лоренц родилось четверо детей (один из них умер в младенческом возрасте).

Электронную теорию Лоренц разрабатывал более тридцати лет, с 1880 по 1912 годы. Первое систематическое изложение этой теории он опубликовал в 1895 г. в работе "Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах", а наиболее полное изложение опубликовал в 1909 г. в книге "Теория электронов и её применение к явлениям света и теплового излучения".

Лоренц нашёл выражение для силы, действующей на движущийся заряд в электромагнитном поле (сила Лоренца), объяснил зависимость электропроводности вещества от теплопроводности, развил теорию дисперсии света, предсказал явление расщепления спектральных линий в сильном магнитном поле и разработал теорию этого явления, после открытия его П. Зееманом. Выдвинул гипотезу о сокращении размеров тела в направлении их движения (сокращение Лоренца - Фитцджеральда), ввёл понятие о местном времени в движущихся телах. В 1904 г. он вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени одного и того же события в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца, из которых получают все кинематические эффекты специальной теории относительности). Получив формулу зависимости массы электрона от скорости, способствовал созданию теории относительности.

В 1902 г. Лоренц и его ученик П. Зееман были удостоены Нобелевской премии.

      В конце XIX – начале XX веков Лоренц 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 всё 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, произведёнными 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 неё) были весьма неудовлетворительны. Для решения этой задачи Лоренц (и независимо от него ирландский физик Дж. Ф. Фитцджеральд) 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 учёных – и ежегодно, до самой смерти, выполнял эти обязанности.

     В 1911г., выступая на I Международном Сальвеевском конгрессе физиков в Брюсселе, Лоренц поставил перед физиками задачу: создать новую механику.

Лоренц был необычайно обаятельным и скромным человеком. Эти качества, а также его удивительные способности к языкам позволили ему успешно руководить международными организациями и конференциями.

Лоренц сумел объяснить опыт Физо, который в 1857 году открыл, что текущая вода увлекает за собой свет. Скорость света в текущей воде была больше, чем в неподвижной, а скорость света против течения оказалась меньшей. Лоренц объяснил это явление влиянием электронов, находящихся в текущей воде.

            В 1912 г. Лоренц ушёл 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. он 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 учёных с мировым именем. Через два года Лоренц стал её председателем. Он сохранял интеллектуальную активность до самой смерти.

В 1924 г. Лоренц с горечью писал «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл вообще заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне всё ещё представлялось ясным ... Взамен ясных и светлых образов возникает стремление, к каким-то таинственным схемам, не подлежащим отчётливому представлению».

         В 1925 г. Голландская академия наук учредила "Золотую медаль Лоренца" в честь 50-летая его научной деятельности. Выступая на торжествах по этому случаю, он сказал: "Наше время прошло, но мы передали эстафету в надёжные руки". Лоренц был признан классиком теоретической физики и её духовным отцом.

Лоренц свободно владел несколькими иностранными языками. Он обладал талантом дипломата, был всегда объективным, доброжелательным и добросовестным человеком, обладал тонким чувством юмора, который отражался и в его улыбке, со спокойной уверенностью и лёгкостью владел собой.

       Награды и почётные звания Лоренца: Нобелевская премия по физике(1902),медаль Румфорда (1908),медаль Копли (1918), орден Почётного легиона (1923), орден Оранских-Нассау (1925); иностранный член Лондонского королевского общества (1905), Парижской академии наук (1910), королевского общества Эдинбурга (1920), Академии наук СССР (1925) и др., почётная докторская степень Высшей технической школы в Делфте (1918), степень доктора медицины Лейденского университета (1925).

      В середине января 1928 года Лоренц заболел рожистым воспалением, его

состояние с каждым днём ухудшалось. 4 февраля учёный скончался. Похороны состоялись в Харлеме 9 февраля при большом стечении народа; в знак национального траура по всей стране в полдень на три минуты было прекращено телеграфное сообщение. На его похоронах свои страны представляли П. Эренфест, Э. Резерфорд, П. Ланжевен, А. Эйнштейн.

        М. Планк в своём выступлении отметил, что стиль работы Лоренца - брать глубоко и стремиться к полной завершённости - будет образцом для будущих поколений. "Те из нас, - сказал он, - кому выпадала удача в последние годы, по тому или иному поводу, встречаться с Лоренцом, отчётливо представляют себе, вспоминая прошлое, его облик: невысокую, но пропорциональную фигуру, выразительный, выступающий вперёд лоб, светлые глаза, которые ясно говорили об остроте проницательного ума и вместе с тем излучали мягкий, покоряющий свет чистой сердечной доброты, приветливость в сочетанием с чувством собственного достоинства, отличавшую его обхождение и беседу, его необычайно разносторонние интересы и его поразительную память на большое и малое, его отзывчивый и симпатичный юмор и, наконец, как главное, внушавшую уважение просветлённую гармоничность всего его существа – правдивое отображение его отношения к своей науке и к своим спутникам жизни". Оценивая вклад Лоренца в физику, Л. де Бройль сказал: "Его труды не перестали быть захватывающе интересными ... он оставил после себя огромное наследие - истинное завершение классической физики".

"Его блестящий ум указал нам путь от теории Максвелла к достижениям физики наших дней. Именно он заложил краеугольные камни этой физики, создал её методы... Образ и труды его будут служить на благо и просвещение ещё многих поколений", - сказал о Х.А. Лоренце Альберт Эйнштейн.

Память:

• В 1925 году Нидерландская королевская академия наук учредила золотую медаль Лоренца, которая присуждается раз в четыре года за достижения в области теоретической физики.

• Имя Лоренца носит система шлюзов, которая входит в комплекс сооружений дамбы, отделяющей залив Зёйдерзе от Северного моря.

• Именем Лоренца названы многочисленные объекты (улицы, площади, школы и так далее) в Нидерландах. В 1931 году в Арнеме, в парке Сонсбек, был открыт памятник Лоренцу. В Харлеме на площади Лоренца и в Лейдене у входа в Институт теоретической физики находятся бюсты учёного. На зданиях, связанных с его жизнью и деятельностью, расположены мемориальные доски.

• В 1953 году, к столетнему юбилею знаменитого физика, была учреждена стипендия Лоренца для студентов из Арнема, обучающихся в голландских университетах. В Лейденском университете имя Лоренца носят институт теоретической физики, почётная кафедра, которую каждый год занимает кто-либо из видных физиков-теоретиков, и международный центр по проведению научных конференций.

• Один из лунных кратеров назван именем Лоренца.

Рассказывают, что ...

• Однажды Лоренц обронил знаменательную фразу: «Я счастлив, что принадлежу к нации, слишком маленькой для того, чтобы совершать большие глупости».