Хендрік Лоренц

Фотографія Хендрік Лоренц (photo Hendrik Lorenc)

Hendrik Lorenc

  • День народження: 18.07.1853 року
  • Вік: 74 року
  • Місце народження: Арнхем, Нідерланди
  • Дата смерті: 04.02.1928 року
  • Громадянство: Нідерланди

Біографія

Голландський фізик Хендрік Антон Лоренц народився в Арнхемі в сім’ї Ґерріта Фредеріка Лоренца і Гертруди (ван Гінкель) Лоренц. Батько Л. містив дитячі ясла. Мати хлопчика померла, коли йому виповнилися чотири роки. Через п’ять років батько одружився вдруге на Люберте Хупкес. Л. вчився в середній школі Арнхема і мав відмінні оцінки по всіх предметах.

У 1870 р. він поступив в Лейденський університет, де познайомився з професором астрономії Фредеріком Кайзером, чиї лекції з теоретичної астрономії зацікавили його. Менш ніж за два роки Л. став бакалавром наук по фізиці і математиці. Повернувшись в Арнхем, він викладав в місцевій середній школі і одночасно готувався до іспитів на докторський ступінь які він відмінно здав в 1873 р. Через два роки Л. успішно захистив у Лейденському університеті дисертацію на здобуття наукового ступеня доктора наук. Дисертація була присвячена теорії відображення і заломлення світла. В ній Л. досліджував деякі наслідки з електромагнітної теорії Джеймса Клерка Максвелла відносно світлових хвиль. Дисертація була визнана найвидатнішою роботою.

Л. продовжував жити в рідному домі і викладати в місцевій середній школі до 1878 р., коли він був призначений на кафедру теоретичної фізики Лейденського університету. У той час теоретична фізика як самостійна наука робила ще тільки перші кроки. Кафедра в Лейдені була однією з перших у Європі. Нове призначення як не можна краще відповідало смакам і нахилам Л., який володів особливим даром формулювати теорію і застосовувати витончений математичний апарат до розв’язання фізичних проблем.

Продовжуючи займатися дослідженням оптичних явищ, Л. в 1878 р. опублікував роботу, в якій теоретично вивів співвідношення між щільністю тіла і його показником заломлення (відношенням швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в теле – величиною, що характеризує, наскільки сильно відхиляється від первинного напряму промінь світла при переході з вакууму тіло). Сталося так, що трохи раніше ту ж формулу опублікував датський фізик Людвіг Лоренц, тому вона отримала назву формули Лоренца – Лоренца. Однак робота Хендріка Л. представляє особливий інтерес тому, що заснована на припущенні, згідно з яким матеріальний об’єкт містить коливні електрично заряджені частинки, які взаємодіють зі світловими хвилями. Вона підкріпила аж ніяк не загальноприйняту тоді точку зору на те, що речовина складається з атомів і молекул.

У 1880 р. наукові інтереси Л. були пов’язані головним чином з кінетичною теорією газів, описывавшей рух молекул і встановлення співвідношення між температурою і середньою кінетичною енергією. У 1892 р. Л. приступив до формулювання теорії, яку сам він, так і інші згодом назвали теорією електронів. Електрика, стверджував Л., виникає при русі крихітних заряджених частинок – позитивних і негативних електронів. Пізніше було встановлено, що всі електрони негативно заряджені. К. уклав, що коливання цих крихітних заряджених частинок породжують електромагнітні хвилі, зокрема світлові і радіохвилі, передбачені Максвеллом і відкриті Генріхом Герцем в 1888 р. В 1890-е рр. Л. продовжив заняття теорією електронів. Він використовував її для уніфікації та спрощення електромагнітної теорії Максвелла, опублікував серйозні роботи по багатьом проблемам фізики, в тому числі про розщеплення спектральних ліній в магнітному полі.

Коли світло від розпеченого газу проходить через щілину і розділяється спектроскопом на складові частоти, або чисті кольори, виникає лінійчатий спектр – серія яскравих ліній на чорному тлі, положення яких вказує відповідні частоти. Кожен такий спектр характерний для цілком певного газу. Л. припустив, що частоти вагається електронів визначають частоти в испускаемом газом світлі. Крім того, він висунув гіпотезу про те, що магнітне поле повинно впливати на рух електронів і злегка змінювати частоти коливань, розщеплюючи спектр на кілька ліній. У 1896 р. колега Л. за Лейденскому університету Пітер Зееман помістив натрієве полум’я між полюсами електромагніту і виявив, що дві найбільш яскраві лінії в спектрі натрію розширилися. Після подальших ретельних спостережень над полум’ям різних речовин Земан підтвердило висновки теорії Л., встановивши, що розширені спектральні лінії в дійсності являють собою групи з близьких окремих компонент. Розщеплення спектральних ліній в магнітному полі отримало назву ефекту Зеємана. Земан підтвердив припущення Л. про поляризації випромінюваного світла.

Хоча ефект Зеемана не вдалося повністю пояснити до появи в XX ст. квантової теорії, запропоноване Л. пояснення на основі коливань електронів дозволило зрозуміти найпростіші особливості цього ефекту. В кінці XIX ст. багато фізики вважали (як з’ясувалося згодом, правильно), що спектри мають стати ключем до розгадки будови атома. Тому застосування Л. теорії електронів для пояснення спектрального явища можна вважати надзвичайно важливим кроком на шляху до з’ясування будови речовини. У 1897 р. Дж.Дж. Томсон відкрив електрон у вигляді вільно рухається частинки, що виникає при електричних розрядах у вакуумних трубках. Властивості відкритої частинки виявилися такими ж, як у постульованих Л. електронів, що коливаються в атомах.

Земан і Л. були удостоєні Нобелівської премії з фізики 1902 р. «на знак визнання видатного внеску, який вони зробили своїми дослідженнями впливу магнетизму на випромінювання». «Найбільш значним внеском у подальший розвиток електромагнітної теорії світла ми зобов’язані професор Л., – заявив на церемонії вручення премії Ялмар Теель з Шведської королівської академії наук. – Якщо теорія Максвелла вільна від будь-яких припущень атомістичного характеру, то Л. починає з гіпотези про те, що речовина складається з мікроскопічних частинок, які називаються електронами, які є носіями цілком певних зарядів».

В кінці XIX – початку XX ст. Л. по праву вважався провідним фізиком-теоретиком світу. Роботи Л. охоплювали не тільки електрику, магнетизм і оптику, але і кінетику, термодинаміку, механіку, статистичну фізику і гідродинаміку. Його зусиллями фізична теорія досягла меж, можливих в рамках класичної фізики. Ідеї Л. вплинули на розвиток сучасної теорії відносності і квантової теорії.

У 1904 р. Л. опублікував найбільш відомі з виведених ним формул, що отримали назву перетворень Лоренца. Вони описують скорочення розмірів рухомого тіла в напрямку руху і зміна ходу часу. Обидва ефекту малі, але зростають, якщо швидкість руху наближається до швидкості світла. Цю роботу він зробив у надії пояснити невдачі, постигавшие всі спроби виявити вплив ефіру – загадкового гіпотетичного речовини, нібито заповнює весь простір.

Вважалося, що ефір необхідний як середовище, в якому розповсюджуються електромагнітні хвилі, наприклад світло, подібно до того як молекули повітря необхідні для поширення звукових хвиль. Незважаючи на численні труднощі, що зустрілися на шляху тих, хто намагався визначити властивості всюдисущого ефіру, який вперто не піддавався спостереження, фізики були переконані в тому, що він існує. Один з наслідків існування ефіру повинне було б спостерігатися обов’язково: якщо швидкість світла вимірювати рухомим приладом, то вона повинна бути більше при русі до джерела світла і менше при русі в іншу сторону. Ефір можна було б розглядати як вітер, переносить світло і змушує його поширюватися швидше, коли спостерігач рухається проти вітру, і повільніше, коли він рухається за вітром.

У відомому експерименті, виконаному в 1887 р. Альбертом А. Майкельсоном і Едвардом У. Морлі за допомогою високоточного приладу, званого інтерферометром, промені світла повинні були пройти певну відстань у напрямку руху Землі і потім таку ж відстань в протилежному напрямку. Результати вимірювань порівнювалися з вимірюваннями, проведеними над променями, що поширюються туди і назад перпендикулярно напрямку руху Землі. Якби ефір якось впливав на рух, то часи поширення світлових променів уздовж напрямку руху Землі і перпендикулярно йому з-за відмінності в швидкостях відрізнялися б достатньо для того, щоб їх можна було виміряти інтерферометром. На подив прихильників теорії ефіру, жодної різниці виявлено не було.

Безліч пояснень (наприклад, посилання на те, що Земля захоплює за собою ефір і тому він спочиває щодо неї) були досить незадовільні. Для вирішення цієї задачі Л. (і незалежно від нього ірландський фізик Дж. Ф. Фитцджералд) припустив, що рух крізь ефір призводить до скорочення розмірів інтерферометра (і, отже, будь-якого рухомого тіла) на величину, яка пояснює позірна відсутність вимірної відмінності швидкості світлових променів в експерименті Майкельсона – Морлі.

Перетворення Л. справили великий вплив на подальший розвиток теоретичної фізики в цілому і зокрема на створення в наступному році Альбертом Ейнштейном спеціальної теорії відносності. Ейнштейн мав до Л. глибоку повагу. Але якщо Л. вважав, що деформація рухомих тіл должнавызываться якимись молекулярними силами, зміна часу – не більш ніж математичний трюк, а сталість швидкості світла для всіх спостерігачів має випливати з його теорії, Ейнштейн підходив до теорії відносності та постійності швидкості світла як до основоположним принципам, а не проблем. Прийнявши радикально нову точку зору на простір, час і кілька фундаментальних постулатів, Ейнштейн вивів перетворення Л. і виключив необхідність введення ефіру.

Л. співчутливо ставився до новаторським ідеям і одним з перших виступив на підтримку спеціальної теорії відносності Ейнштейна і квантової теорії Макса Планка. Протягом майже трьох десятиліть нового століття Л. виявляв великий інтерес до розвитку сучасної фізики, усвідомлюючи, що нові уявлення про час, простір, матерії і енергії дозволили вирішити багато проблем, з якими йому доводилося стикатися у власних дослідженнях. Про високий авторитет Л. серед колег свідчить хоча б такий факт: на їх прохання він у 1911 р. став головою першої Сольвеевской конференції з фізики – міжнародного форуму найвідоміших вчених – та щорічно, до самої смерті, виконував ці обов’язки.

У 1912 р. Л. пішов у відставку з Лейденського університету з тим, щоб приділяти більшу частину часу науковим дослідженням, але раз в тиждень він продовжував читати лекції. Переїхавши у Гарлем, Л. прийняв на себе обов’язки зберігача фізичної колекції Музею гравюр Тейлора. Це давало йому можливість працювати в лабораторії. У 1919 р. Л. взяв участь в одному з найбільших у світі проектів попередження повеней та контролю за ними. Він очолив комітет зі спостереження за переміщеннями морської води під час і після осушення Зюйдерзее (затоки Північного моря). Після закінчення першої світової війни Л. активно сприяв відновленню наукового співробітництва, докладаючи зусилля до того, щоб відновити членство громадян країн Центральної Європи в міжнародних наукових організаціях. У 1923 р. він був обраний в міжнародну комісію з інтелектуальної співпраці Ліги Націй. До складу цієї комісії входили сім вчених зі світовим ім’ям. Через два роки Л. став її головою. К. зберігав інтелектуальну активність до самої смерті, що послідувала 4 лютого 1928 р. в Гарлемі.

У 1881 р. К. одружився на Аллетте Катерині Кайзер, племінниці професора астрономії Кайзера. У подружжя Лоренц народилося четверо дітей, один з яких помер у дитячому віці. Л. був надзвичайно привабливим і скромною людиною. Ці якості, а також його дивовижні здібності до мов дозволили йому успішно керувати міжнародними організаціями та конференціями.

Крім Нобелівської премії Л. був удостоєний медалі Коплі і Румфорда Лондонського королівського товариства. Він був почесним доктором Паризького та Кембриджського університетів, членом Лондонського королівського і Німецького фізичного товариств. У 1912 р. Л. став секретарем Нідерландської наукового товариства.