|
凡是学过物理学的人都知道有一个洛伦兹公式，只要提到"洛伦兹力"，我们眼前就会出现这样的图象：电子在磁场中运动时受到一个垂直于磁场强度和电子运动方向的力。历史上常有这样的事情，一个理论越是简洁，就越使人们忽视这个理论是怎样从一种混沌的局面中产生出来的。洛伦兹电子论就是其中一例。爱因斯坦就曾经说过: 洛伦兹的成就"对我产生了最伟大的影响"，他是"我们时代最伟大、最高尚的人"。今天科普君就来聊聊这位经典物理学史上最后的巨人--荷兰物理学家--洛伦兹。  亨德里克·安东·洛伦兹 亨德里克·安东·洛伦兹于1853年出生在荷兰阿纳姆的一个小康之家，洛伦兹的母亲在他4岁的时候就去世了。洛伦兹9岁的时候，他的父亲再婚了，继母对洛伦兹非常好，以至于后来洛伦兹有了自己的女儿后，给女儿取得名字就是他继母的名字（当然，这是老外的习惯，你在中国也这样做的话，似乎不太合适）。洛伦兹6岁的时候开始上学，天资聪颖加上勤奋好学，他的各科成绩总是名列前茅，以至于他的父亲后来又让他到当地的一所青年夜校接受教育。洛伦兹就在这种双重的教育之下，为自己的的各方面的基础知识都打下了良好的基础，尤其是数学功底。不过洛伦兹的文科成绩也相当出众，特别是语言天赋和惊人的记忆力，成年后，洛伦兹通晓英文、法文、德文等多国语言，他也能长篇背诵狄更斯的著作。1870年，洛伦兹进入莱顿大学，攻读数学和物理学，很快他就得到了该校的著名天文学教授凯塞的赏识和器重。凯塞决定专门为洛伦兹恢复多年停开的理论天文学课程，估计学生也就是洛伦兹一个人。而洛伦兹也不负众望，只用了一年半的时间，就圆满学完了大学所有的课程，并以优异成绩通过了学位考试。1871年，洛伦兹进行学士学位答辩时，莱顿大学的分析几何教授吉尔还以为这是博士学位论文答辩呢，以至于他觉得洛伦兹论文的水平跟博士的论文水平似乎稍微差了一点。不过这也促使洛伦兹暗下决心，一定要早日获得莱顿大学的博士学位。  莱顿大学 1872年，洛伦兹回到家乡在当地的公立夜校当老师，同时他也开始积极准备博士论文。他有时还做些实验，想证明电磁波的存在。不过限于条件简陋，实验并没有成功。不过在此期间，洛伦兹系统地阅读了麦克斯韦的电磁场理论，包括他的三篇经典论文和《电磁学通论》一文。麦克斯韦的电磁场理论在当时来讲，是一个十分深奥的理论，很少有人能够真正地理解。然而洛伦兹正好是这很少人中的一个，年仅20岁的洛伦兹通过阅读麦克斯韦的原著，很快就掌握了这个理论的精髓。  麦克斯韦方程组 1875年，洛伦兹以《论光的反射与折射》一文顺利通过了博士论文的答辩。光的反射和折射公式，最初是由法国物理学家菲涅尔（在之前的《物理史话之物理光学之父菲涅尔》一文中，有对他的介绍）提出的，后来麦克斯韦想从电磁学方面推导菲涅尔公式，但是没有成功，而洛伦兹在他的博士论文中则给出了完美的推导，现在教科书上关于菲涅尔的公式的电磁学推导方法就是来自于洛伦兹的这篇论文。随后，洛伦兹开始对当时所存在的两大电磁学体系：诺依曼和韦伯创立的超距论电动力学理论和麦克斯韦尔的电磁学理论做了认真详细的分析比较，在综合了这两大理论的优缺点的基础上，发现它们并非完全互不相容，只要适当地综合这两种理论，就可以使电磁学产生质的飞跃。而这种综合是在场论的基础上进行的，因此他先修正了麦克斯韦理论中以太的作用，规定以太（那是在20世纪之前，以太是一个流行的概念，不要用现在的眼光去看待当时的人）只能是场的载体，而极化只能在物质中产生。这就是"分离以太和物质"，而洛伦兹的电子论就在这个"分离以太和物质"的过程中萌发了出来。  菲涅尔公式 1877年，洛伦兹拒绝了乌德勒支大学的邀请，反而去莱顿中学当了一名物理老师。不要以为洛伦兹是出于什么别的目的，只不过在之前莱顿大学给他保证只要他暂时担任莱顿中学的教师，就会把他提拔为莱顿大学的物理学讲师。于是，在第二年，洛伦兹登上了荷兰唯一的理论物理学教授的席位，那年他25岁。洛伦兹上任后的第一项研究就是从介质极化和入射光的频率的关系找到了光色散的本质，从而完美地解决了麦克斯韦不能解决的光的色散问题。他在当年发表的《关于光的传播速度和介质的密度及成分之间的关系》一文中，不但将以太和物质进一步区分开来，而且还用电粒子的振荡将二者从物理上联系起来，在麦克斯韦的无源场论中引入了"源"--电子，从而彻底破解了麦克斯韦电磁理论这个"智力原始森林"的迷雾。洛伦兹是在汤姆逊证明电子存在的19年前，提出的电粒子的概念。不过从这里也可以看得出来，洛伦兹身上极少有实证主义的痕迹，而是过于依赖假说。这也使得他后来不能接受彭加莱的相对性原理的原因之一。 从1878年到1892年，洛伦兹以平均每年一篇论文的速度进行着物理研究。1886年，迈克尔孙和莫雷进行的实验已经从事实上证明了以太并不存在，但是这也让以太论的捍卫者洛伦兹大失所望，于是他绝对用另一种假说来解释这种现象。1892年，他发表了《论地球对以太的相对运动》一文，在文中他提出了长度收缩假说（又是一个假说）：物体在运动方向上的长度收缩了，收缩的长度是  后来，在1895年，还有给出了更精确的收缩公式  （这个式子是不是很眼熟，我们以后会讲到）。到1899年，洛伦兹讨论了惯性系之间坐标和时间的变化问题后，进一步得出了电子质量与速度有关的结论，并在1904年导出并发表了位置、时间在不同运动参照系中的变换方程以及质量与速度的关系式。前者被称为洛伦兹变换式，后者则指出了光速是物体相对于以太运动的极限（到这里为止，洛伦兹一直都是"以太论"的忠实拥趸）。  洛伦兹变换 1892年，洛伦兹还发表了《麦克斯韦电子学理论及其对运动物体的作用》一文，这是标志着"电子论"诞生的一篇论文。在这篇文章中，洛伦兹不仅赋予了物质中电荷的负荷体一个基本的电量，而且推导出了洛伦兹力的公式（高中被洛伦兹力支配的恐惧还在吗？）。该文将场论和超距论两大体系中合理的部分综合了起来。到1896年，洛伦兹用他的电子论正确解释了塞曼效应，他也因为这项工作和塞曼共享了1902年的诺贝尔物理奖。电子论在当时还可以同时解释以太漂移的零结果、菲涅尔的曳引系数、质量随速度的变化以及在不同惯性系中光速的各向同性等问题。使得当时的很多物理学家认为电子论是最有可能打开通向物质统一的场论描述的突破口，开辟了把力学纳入电磁学的新途径，是电磁世界图景的基石。不过从反面来看，电子论的提出实际上也是以太论发展到最后的阶段了。所以到后来，开尔文勋爵在1900年那场著名会议上提出的"两朵乌云说"，其中一朵就是迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾。  洛伦兹力符合左手定则 由于洛伦兹通晓多国语言，因此他无需外出就能获取很多科学信息，因此在20世纪之前，洛伦兹几乎是一个隐士，直到1897年，他才开始认识到参加学术交流的重要性。从那时候开始，他就经常参加一些国际性物理学术研讨会，并以他的理论和思想对新、老物理学两大体系产生了巨大而深远的影响，被公认为国际理论物理学共同体的领袖。在洛伦兹的领导下，第一届国际理论物理学会议--索尔维会议于1911年在比利时的布鲁塞尔召开了，洛伦兹主持了会议，并一直连任了以后各届的会议主席，直到他去世前一年。  这是1927年第五届索尔维会议的成员，几乎聚集了全球最聪明的头脑 1928年，洛伦兹在哈勒姆去世，享年74岁。他出殡的那天，荷兰电报电话公司停止运行3分钟，政府大厦降半旗，以示默哀。出殡路上两旁站满了送别的人群，荷兰皇室和政府官员的代表都出席了他的葬礼。爱因斯坦在他的墓地的致辞中说到：洛伦兹是"我们时代最伟大、最崇高的人。" 预告一下，下期人物：庞加莱 |
|
|
