個人簡介
荷蘭物理學(xué)家。1853年7月18日生于阿納姆,1928年2月4日卒于哈勒姆。少年時就對物理學(xué)感興趣,還廣泛地閱讀歷史和小說,并熟練地掌握多門外語。1870年洛倫茲考入萊頓大學(xué),學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理和天文。1875年獲博士學(xué)位。1877年,萊頓大學(xué)聘請他為理論物理學(xué)教授,這個職位最早是為J.D.范瓦耳斯設(shè)的,其學(xué)術(shù)地位很高,而這時洛倫茲年僅23歲。在萊頓大學(xué)任教35年,他對物理學(xué)的貢獻(xiàn)都是在這期間作出的。1875年獲博士學(xué)位。1877年萊頓大學(xué)聘請他為理論物理學(xué)教授(這個職位最早是為J.D.范德瓦爾斯設(shè)的),在該校任教35年,他對物理學(xué)的貢獻(xiàn)都是在這期間作出的。1912年洛倫茲辭去萊頓大學(xué)教授職務(wù),到哈勒姆擔(dān)任一個博物館的顧問,同時兼任萊頓大學(xué)的名譽(yù)教授,每星期一早晨到萊頓大學(xué)就物理學(xué)當(dāng)前的一些問題作演講。后來他還在荷蘭政府中任職,1919~1926年在教育部門工作,其間1921年起擔(dān)任高等教育部部長。1921年起任高等教育部部長。1911~1927年擔(dān)任索爾維物理學(xué)會議的固定主席。洛倫茲除了獲得諾貝爾物理學(xué)獎以外,還被英國皇家學(xué)會授予朗福德獎?wù)潞涂破绽務(wù)。法國巴黎大學(xué)和英國劍橋大學(xué)都曾授予他名譽(yù)教授稱號,他還被選為德國物理學(xué)會會員和英國皇家學(xué)會會員。作為第一代理論物理學(xué)家,洛倫茲的顯著特點(diǎn)之一是對于一套套的新思想表現(xiàn)出不同尋常的開放態(tài)度。洛倫茲對理論物理的影響不僅通過他的著作,而且也通過他同從世界各地慕名而來的青年物理學(xué)家的個人交往。愛因斯坦、薛定諤和其他理論工作者經(jīng)常到萊頓去拜訪他,聽取他對于他們一些最新思想的意見。但他從不干擾別人的思想,他和他們的關(guān)系是靠和善而平淡的基本個性來維持的。不過,洛倫茲的開放態(tài)度不完全是出于他的性格。從他在萊頓大學(xué)的就職演說中可以了解到,這也是洛倫茲作為理論物理學(xué)家的專業(yè)見解。洛倫茲說過,物理學(xué)研究的目的就在于尋求簡單的、可以說明所有現(xiàn)象
的基本原理。但他告誡不要過分看重對基本原理的內(nèi)心聯(lián)想,或者希望原理本身能夠進(jìn)一步發(fā)揮。他認(rèn)為,由于人們不能深入地洞察事物的本性,因而把任何已有的認(rèn)識途徑作為唯一可靠的途徑加以提倡是輕率的。按照洛倫茲的觀點(diǎn),各種基本的理論途徑應(yīng)該同時由不同的研究者加以探索。洛倫茲的電子論把經(jīng)典物理學(xué)推上了它所能達(dá)到的最后高度。洛倫茲本人幾乎成了19世紀(jì)末、20世紀(jì)初物理學(xué)界的統(tǒng)帥。如果洛倫茲不那么具有開放精神,這種成就本來可能使他過早地退出歷史舞臺。當(dāng)世紀(jì)之交的物理學(xué)革命打破了古典物理學(xué)時,洛倫茲說過,他感到遺憾的是,他為什么不在舊的基礎(chǔ)崩潰之前死去。但是洛倫茲的個性是“超個人”的,他對過去價值的惋惜很快就由愉快地接受新事物所取代了。由于洛倫茲在理論物理方面享有很高的威望、通曉多種語言并善于駕馭最為紊亂的辯論,所以他生前每次都被邀請參加物理學(xué)界最重要的國際會議,而且經(jīng)常擔(dān)任大會的主席。1911年洛倫茲主持了第一屆索爾維會議。這次會議使量子概念從四面八方突破了德語世界的邊境,成為一個在法國和英國同樣使人感興趣的論題。第一次世界大戰(zhàn)后,洛倫茲的開放精神在他的世界主義立場中也得到了充分的體現(xiàn)。為恢復(fù)科學(xué)國際主義,洛倫茲作了持續(xù)的努力。1923年洛倫茲被選為國際文化協(xié)作委員會委員,并繼柏格森之后擔(dān)任了該委員會主席。這種本質(zhì)上的偉大開放精神,使洛倫茲不僅在學(xué)術(shù)上富有成就,而且在人品上也贏得了同時代人的敬重。1928年2月4日,洛倫茲去世,終年75歲。在他下葬那天,荷蘭的電報、電話服務(wù)暫停3分鐘以示哀悼。出席葬禮的有荷蘭王室、政府以及來自世界各國科學(xué)院的代表。英國皇家學(xué)會會長、著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家盧瑟福,普魯士科學(xué)院代表、第二代職業(yè)理論物理學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)人愛因斯坦都在他的墓旁致了悼詞。
輝煌人生
洛倫茲是經(jīng)典電子論的創(chuàng)立者。他認(rèn)為電具有“原子性”,電的本身是由微小的實(shí)體組成的。后來這些微小實(shí)體被稱為電子。洛倫茲以電子概念為基礎(chǔ)來解釋物質(zhì)的電性質(zhì)。從電子論推導(dǎo)出運(yùn)動電荷在磁場中要受到力的作用,即洛倫茲力。他把物體的發(fā)光解釋為原子內(nèi)部電子的振動產(chǎn)生的。這樣當(dāng)光源放在磁場中時,光源的原子內(nèi)電子的振動將發(fā)生改變,使電子的振動頻率增大或減小,導(dǎo)致光譜線的增寬或分裂。1896年10月,洛倫茲的學(xué)生塞曼發(fā)現(xiàn),在強(qiáng)磁場中鈉光譜的D線有明顯的增寬,即產(chǎn)生塞曼效應(yīng),證實(shí)了洛倫茲的預(yù)言。塞曼和洛倫茲共同獲得1902年諾貝爾物理學(xué)獎。1904年,洛倫茲證明,當(dāng)把麥克斯韋的電磁場方程組用伽利略變換從一個參考系變換到另一個參考系時,真空中的光速將不是一個不變的量,從而導(dǎo)致對不同慣性系的觀察者來說,麥克斯韋方程及各種電磁效應(yīng)可能是不同的。為了解決這個問題,洛倫茲提出了另一種變換公式,即洛倫茲變換。用洛倫茲變換,將使麥克斯韋方程從一個慣性系變換到另一個慣性系時保持不變。后來,愛因斯坦把洛倫茲變換用于力學(xué)關(guān)系式,創(chuàng)立了狹義相對論。1880年他以很高的精確度測定熱功當(dāng)量,得出其值為426.2千克米每千卡(合4.179J/cal)。1881年他根據(jù)霍耳(E.H.Hall1855~1938)效應(yīng)解釋磁致旋光現(xiàn)象,推導(dǎo)出羅蘭磁致旋光方程與麥克斯韋旋光方程等價。1882年研制衍射光柵,他研制的光柵刻線機(jī),可在25平方英寸的金屬片上刻出每英寸43000條線的光柵,攝得的太陽光譜極為精細(xì),光譜底片展開可達(dá)50英尺,波長范圍2152.91!7714.68埃,精確度小于0.01埃。他還發(fā)明凹球面衍射光柵,編制出太陽光譜照相圖冊,在1890年巴黎博覽會獲金質(zhì)獎?wù)隆?876年他自歐洲訪問回國時,購回大批儀器設(shè)
備,在約翰·霍普金斯大學(xué)裝備起當(dāng)時美國最好的實(shí)驗(yàn)室,他十分重視基礎(chǔ)研究工作,為美國物理學(xué)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)。如何解釋1887年完成的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn),是當(dāng)時擺在物理學(xué)家面前的一大難題。為了解釋事實(shí),洛倫茲大膽提出高速運(yùn)動物體沿運(yùn)動方向會發(fā)生收縮的假設(shè),即洛倫茲-斐茲杰惹收縮。3年后,作為輔助的數(shù)學(xué)手段又引人“地方時間”的假設(shè),實(shí)質(zhì)上洛倫茲已經(jīng)建立了相對運(yùn)動的兩坐標(biāo)系間的時空變化關(guān)系。1904年他發(fā)表了著名的變換公式(洛倫茲變換)和質(zhì)量與速度的關(guān)系式,并指出光速是物體相對于以太運(yùn)動的極限速度?梢哉f,洛倫茲已經(jīng)接近相對論的邊緣,遺憾的是未能邁出最后的一步。然而,這對于后來的愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論提供了一定的啟示。此外,洛倫茲在當(dāng)時物理學(xué)各個領(lǐng)域里都有很深的造詣,他在熱力學(xué)、分子動理論和引力理論等方面都有貢獻(xiàn)。洛倫茲還是一位優(yōu)秀的教育家。在任教期間,他工作認(rèn)真,治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),講授深刻,深受學(xué)生們的愛戴,培養(yǎng)了包括塞曼在內(nèi)的一大批優(yōu)秀人才。洛倫茲于1928年2月4日在哈勒姆逝世。在舉行葬禮那天,荷蘭全國的電訊、電話中止3分鐘,以示哀悼。當(dāng)時,愛因斯坦作為新一代理論物理學(xué)家的領(lǐng)袖和普魯士科學(xué)院的代表在悼詞中稱他是“我們時代最偉大、最高尚的人!
洛倫茲變換
狹義相對論中關(guān)于不同慣性系之間物理事件時空坐標(biāo)變換的基本關(guān)系式。設(shè)兩個慣性系為S系和Su2032系,它們相應(yīng)的笛卡爾坐標(biāo)軸彼此平行,Su2032系相對于S系沿x方向運(yùn)動,速度為v,且當(dāng)t=tu2032=0時,Su2032系與S系的坐標(biāo)原點(diǎn)重合,則事件在這兩個慣性系的時空坐標(biāo)之間的洛倫茲變換為xu2032=γ(x-vt),yu2032=y,zu2032=z,tu2032=γ(t-vx/c2),式中γ=(1-v2/c2)-1/2;c為真空中的光速。不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。在相對論以前,H.A.洛倫茲從存在絕對靜止以太的觀念出發(fā),考慮物體運(yùn)動發(fā)生收縮的物質(zhì)過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中,變換所引入的量僅僅看作是數(shù)學(xué)上的輔助手段,并不包含相對論的時空觀。愛因斯坦與洛倫茲不同,以觀察到的事實(shí)為依據(jù),立足于兩條基本原理:相對性原理和光速不變原理,著眼于修改運(yùn)動、時間、空間等基本概念,重新導(dǎo)出洛倫茲變換,并賦予洛倫茲變換嶄新的物理內(nèi)容。在狹義相對論中,洛倫茲變換是最基本的關(guān)系式,狹義相對論的運(yùn)動學(xué)結(jié)論和時空性質(zhì),如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論多普勒效應(yīng)等都可以從洛倫茲變換中直接得出。
洛倫茲力
洛倫茲力是磁場對運(yùn)動點(diǎn)電荷的作用力。1895年荷蘭物理學(xué)家H.A.洛倫茲建立經(jīng)典電子論時,作為基本假設(shè)提出來的,現(xiàn)已為大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)。洛倫茲力的公式是f=q·v×B。式中q、v分別是點(diǎn)電荷的電量和速度;B是點(diǎn)電荷所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。洛倫茲力的大小是f=|q|vBsinθ,其中θ是v和B的夾角。洛倫茲力的方向循右手螺旋定則垂直于v和B構(gòu)成的平面,為由v轉(zhuǎn)向B的右手螺旋的前進(jìn)方向(若q為負(fù)電荷,則反向)。由于洛倫茲力始終垂直于電荷的運(yùn)動方向,所以它對電荷不作功,不改變運(yùn)動電荷的速率和動能,只能改變電荷的運(yùn)動方向使之偏轉(zhuǎn)。洛倫茲力既適用于宏觀電荷,也適用于微觀荷電粒子。電流元在磁場中所受安培力就是其中運(yùn)動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。導(dǎo)體回路在恒定磁場中運(yùn)動,使其中磁通量變化而產(chǎn)生的動生電動勢也是洛倫茲力的結(jié)果,洛倫茲力是產(chǎn)生動生電動勢的非靜電力。如果電場E和磁場B并存,則運(yùn)動點(diǎn)電荷受力為電場力和磁場力之和,為f=q(E+v×B),左式一般也稱為洛倫茲力公式。洛倫茲力公式和麥克斯韋方程組以及介質(zhì)方程一起構(gòu)成了經(jīng)典電動力學(xué)的基礎(chǔ)。在許多科學(xué)儀器和工業(yè)設(shè)備,例如β譜儀、質(zhì)譜儀、粒子加速器、電子顯微鏡、磁鏡裝置、霍耳器件中,洛倫茲力都有廣泛應(yīng)用。值得指出的是,既然安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn),洛倫茲力對運(yùn)動電荷不作功,何以安培力能對載流導(dǎo)線作功呢?實(shí)際上洛倫茲力起了傳遞能量的作用,它的一部分阻礙電荷運(yùn)動作負(fù)功,另一部分構(gòu)成安培力對載流導(dǎo)線作正功,結(jié)果仍是由維持電流的電源提供了能量。
名人軼事
在物理學(xué)家中,洛倫茲是最富有國際性的。在他事業(yè)的最初20年中,他的國際性工作僅限于著作。后來,他開始離開萊頓書房和教室,廣泛地與國外科學(xué)家進(jìn)行個人接觸。他的電子理論使他在物理學(xué)界獲得領(lǐng)導(dǎo)地位。1898年,洛倫茲接受玻爾茲曼的邀請,為德國的自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)會的迪塞爾多夫會議物理組做演講。1900年在巴黎,為國際物理代表會(世界性物理學(xué)家集會)做演講。洛倫茲在物理方面最重要的國際性活動是擔(dān)任物理學(xué)的索爾維會議的定期主席(1911—1927年),他在臨終前還主持了最后一次會議。洛倫茲在這些國際性的集會中主持會議并成為公認(rèn)的領(lǐng)袖。大家對他淵博的學(xué)問、高明的技術(shù)、善于總結(jié)最復(fù)雜的爭論以及無比精煉的語方都非常佩服。第一次世界大戰(zhàn)后,洛倫茲的國際主義活動帶有若干政治色彩。1909年至1921年,他擔(dān)任荷蘭皇家科學(xué)與文學(xué)研究院物理組的主任時,以自己的影響來說服人們參加戰(zhàn)后盟國創(chuàng)立的國際性科學(xué)組織。1923年,他成為國聯(lián)文化協(xié)作國際委員會的七個委員之一,并繼承伯格森(H.Bergson)擔(dān)任主席。洛倫茲在物理學(xué)上最重要的貢獻(xiàn)是他的電子論。早在他作學(xué)位論文之前,由于讀過菲涅耳文集而深受其影響;后來受到H亥姆霍茲的啟發(fā),他用J.C.麥克斯韋的電磁理論來處理光在電介質(zhì)交界面上的反射和折射問題作為他的博士論文,在論文的末尾,他提到把光磁理論與物質(zhì)的分子理論結(jié)合起來的前景,這就是他后來創(chuàng)立電子論的根源。1878年,他發(fā)表了光與物質(zhì)相互作用的論文,把以太與普通的物質(zhì)區(qū)別開來,認(rèn)為以太是靜止的,無所不在,而普通物質(zhì)的分子則都含有帶電的諧振子;在這個基礎(chǔ)上,他導(dǎo)出了分子折射率的公式(即洛倫茲-洛倫茨公式)1892年,他開始發(fā)表電子論的文章,他認(rèn)為一切物質(zhì)的分子都含有電子,陰極射線的粒子就是電子,電子是很小的有質(zhì)量的鋼球,電子對于以太是完全透明的,以太與物質(zhì)的相互作用歸結(jié)為以太與物質(zhì)中的電子的相互作用。這在個基礎(chǔ)上,1895年他提出了著名的洛倫茲力公式。1896年,P.塞曼發(fā)現(xiàn)放在磁場中的光源,其光譜線發(fā)生分裂(塞曼效應(yīng))。洛倫茲立即用他的電子論對這一現(xiàn)象作了定量的解釋。由于這一貢獻(xiàn),他和塞曼共同獲得1902年的諾貝爾物理學(xué)獎。