H.A.洛倫茲

洛倫茲(HendrikAntoonLorentz，1853—1928)是荷蘭物理學家、數學家．1853年7月18日生於阿納姆。1870年入萊頓大學學習數學、物理學，1875年獲博士學位．25歲起任萊頓大學理論物理學教授，達35年．他是一位全能物理學家，在物理學的許多領域中都做出了不可磨滅的貢獻。他創立了經典電子論，使經典電磁學向前躍出了一大步。

基本介紹

• 中文名：H.A.洛倫茲
• 國籍：荷蘭
• 出生地：荷蘭
• 職業：物理學家

個人簡介

荷蘭物理學家。1853年7月18日生於阿納姆，1928年2月4日卒於哈勒姆。少年時就對物理學感興趣，還廣泛地閱讀歷史和小說，並熟練地掌握多門外語。1870年洛倫茲考入萊頓大學，學習數學、物理和天文。1875年獲博士學位。1877年，萊頓大學聘請他為理論物理學教授，這個職位最早是為J.D.范瓦耳斯設的，其學術地位很高，而這時洛倫茲年僅23歲。在萊頓大學任教35年，他對物理學的貢獻都是在這期間作出的。1875年獲博士學位。1877年萊頓大學聘請他為理論物理學教授（這個職位最早是為J.D.范德瓦爾斯設的），在該校任教35年，他對物理學的貢獻都是在這期間作出的。1912年洛倫茲辭去萊頓大學教授職務，到哈勒姆擔任一個博物館的顧問，同時兼任萊頓大學的名譽教授，每星期一早晨到萊頓大學就物理學當前的一些問題作演講。後來他還在荷蘭政府中任職，1919～1926年在教育部門工作，其間1921年起擔任高等教育部部長。1921年起任高等教育部部長。1911～1927年擔任索爾維物理學會議的固定主席。洛倫茲除了獲得諾貝爾物理學獎以外，還被英國皇家學會授予朗福德獎章和科普利獎章。法國巴黎大學和英國劍橋大學都曾授予他名譽教授稱號，他還被選為德國物理學會會員和英國皇家學會會員。作為第一代理論物理學家，洛倫茲的顯著特點之一是對於一套套的新思想表現出不同尋常的開放態度。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家的個人交往。愛因斯坦、薛丁格和其他理論工作者經常到萊頓去拜訪他，聽取他對於他們一些最新思想的意見。但他從不干擾別人的思想，他和他們的關係是靠和善而平淡的基本個性來維持的。不過，洛倫茲的開放態度不完全是出於他的性格。從他在萊頓大學的就職演說中可以了解到，這也是洛倫茲作為理論物理學家的專業見解。洛倫茲說過，物理學研究的目的就在於尋求簡單的、可以說明所有現象

的基本原理。但他告誡不要過分看重對基本原理的內心聯想，或者希望原理本身能夠進一步發揮。他認為，由於人們不能深入地洞察事物的本性，因而把任何已有的認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，各種基本的理論途徑應該同時由不同的研究者加以探索。洛倫茲的電子論把經典物理學推上了它所能達到的最後高度。洛倫茲本人幾乎成了19世紀末、20世紀初物理學界的統帥。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台。當世紀之交的物理學革命打破了古典物理學時，洛倫茲說過，他感到遺憾的是，他為什麼不在舊的基礎崩潰之前死去。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。由於洛倫茲在理論物理方面享有很高的威望、通曉多種語言並善於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界最重要的國際會議，而且經常擔任大會的主席。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。第一次世界大戰後，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。為恢復科學國際主義，洛倫茲作了持續的努力。1923年洛倫茲被選為國際文化協作委員會委員，並繼柏格森之後擔任了該委員會主席。這種本質上的偉大開放精神，使洛倫茲不僅在學術上富有成就，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院的代表。英國皇家學會會長、著名的實驗物理學家盧瑟福，普魯士科學院代表、第二代職業理論物理學家的領導人愛因斯坦都在他的墓旁致了悼詞。

輝煌人生

洛倫茲是經典電子論的創立者。他認為電具有“原子性”，電的本身是由微小的實體組成的。後來這些微小實體被稱為電子。洛倫茲以電子概念為基礎來解釋物質的電性質。從電子論推導出運動電荷在磁場中要受到力的作用，即洛倫茲力。他把物體的發光解釋為原子內部電子的振動產生的。這樣當光源放在磁場中時，光源的原子內電子的振動將發生改變，使電子的振動頻率增大或減小，導致光譜線的增寬或分裂。1896年10月，洛倫茲的學生塞曼發現，在強磁場中鈉光譜的D線有明顯的增寬，即產生塞曼效應，證實了洛倫茲的預言。塞曼和洛倫茲共同獲得1902年諾貝爾物理學獎。1904年，洛倫茲證明，當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。後來，愛因斯坦把洛倫茲變換用於力學關係式，創立了狹義相對論。1880年他以很高的精確度測定熱功當量，得出其值為426.2千克米每千卡（合4.179J/cal）。1881年他根據霍耳（E.H.Hall1855～1938）效應解釋磁致旋光現象，推導出羅蘭磁致旋光方程與麥克斯韋旋光方程等價。1882年研製衍射光柵，他研製的光柵刻線機，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，光譜底片展開可達50英尺，波長範圍2152.91埃～7714.68埃，精確度小於0.01埃。他還發明凹球面衍射光柵，編制出太陽光譜照相圖冊，在1890年巴黎博覽會獲金質獎章。1876年他自歐洲訪問回國時，購回大批儀器設

備，在約翰·霍普金斯大學裝備起當時美國最好的實驗室，他十分重視基礎研究工作，為美國物理學發展作出重大貢獻。如何解釋1887年完成的邁克耳孫－莫雷實驗，是當時擺在物理學家面前的一大難題。為了解釋事實，洛倫茲大膽提出高速運動物體沿運動方向會發生收縮的假設，即洛倫茲-斐茲傑惹收縮。3年後，作為輔助的數學手段又引人“地方時間”的假設，實質上洛倫茲已經建立了相對運動的兩坐標系間的時空變化關係。1904年他發表了著名的變換公式（洛倫茲變換）和質量與速度的關係式，並指出光速是物體相對於以太運動的極限速度。可以說，洛倫茲已經接近相對論的邊緣，遺憾的是未能邁出最後的一步。然而，這對於後來的愛因斯坦創立狹義相對論提供了一定的啟示。此外，洛倫茲在當時物理學各個領域裡都有很深的造詣，他在熱力學、分子動理論和引力理論等方面都有貢獻。洛倫茲還是一位優秀的教育家。在任教期間，他工作認真，治學嚴謹，講授深刻，深受學生們的愛戴，培養了包括塞曼在內的一大批優秀人才。洛倫茲於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。當時，愛因斯坦作為新一代理論物理學家的領袖和普魯士科學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

狹義相對論中關於不同慣性系之間物理事件時空坐標變換的基本關係式。設兩個慣性係為S系和S′系，它們相應的笛卡爾坐標軸彼此平行，S′系相對於S系沿x方向運動，速度為v，且當t=t′=0時，S′系與S系的坐標原點重合，則事件在這兩個慣性系的時空坐標之間的洛倫茲變換為x′=γ（x－vt），y′=y，z′=z，t′=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，考慮物體運動發生收縮的物質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學上的輔助手段，並不包含相對論的時空觀。愛因斯坦與洛倫茲不同，以觀察到的事實為依據，立足於兩條基本原理：相對性原理和光速不變原理，著眼於修改運動、時間、空間等基本概念，重新導出洛倫茲變換，並賦予洛倫茲變換嶄新的物理內容。在狹義相對論中，洛倫茲變換是最基本的關係式，狹義相對論的運動學結論和時空性質，如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論都卜勒效應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動點電荷的作用力。1895年荷蘭物理學家H.A.洛倫茲建立經典電子論時，作為基本假設提出來的，現已為大量實驗證實。洛倫茲力的公式是f=q·v×B。式中q、v分別是點電荷的電量和速度；B是點電荷所在處的磁感應強度。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於v和B構成的平面，為由v轉向B的右手螺旋的前進方向（若q為負電荷，則反向）。由於洛倫茲力始終垂直於電荷的運動方向，所以它對電荷不作功，不改變運動電荷的速率和動能，只能改變電荷的運動方向使之偏轉。洛倫茲力既適用於巨觀電荷，也適用於微觀荷電粒子。電流元在磁場中所受安培力就是其中運動電荷所受洛倫茲力的巨觀表現。導體迴路在恆定磁場中運動，使其中磁通量變化而產生的動生電動勢也是洛倫茲力的結果，洛倫茲力是產生動生電動勢的非靜電力。如果電場E和磁場B並存，則運動點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方程一起構成了經典電動力學的基礎。在許多科學儀器和工業設備，例如β譜儀、質譜儀、粒子加速器、電子顯微鏡、磁鏡裝置、霍耳器件中，洛倫茲力都有廣泛套用。值得指出的是，既然安培力是洛倫茲力的巨觀表現，洛倫茲力對運動電荷不作功，何以安培力能對載流導線作功呢？實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動作負功，另一部分構成安培力對載流導線作正功，結果仍是由維持電流的電源提供了能量。

名人軼事

在物理學家中，洛倫茲是最富有國際性的。在他事業的最初20年中，他的國際性工作僅限於著作。後來，他開始離開萊頓書房和教室，廣泛地與國外科學家進行個人接觸。他的電子理論使他在物理學界獲得領導地位。1898年，洛倫茲接受玻爾茲曼的邀請，為德國的自然科學與醫學學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任物理學的索爾維會議的定期主席(1911—1927年)，他在臨終前還主持了最後一次會議。洛倫茲在這些國際性的集會中主持會議並成為公認的領袖。大家對他淵博的學問、高明的技術、善於總結最複雜的爭論以及無比精煉的語方都非常佩服。第一次世界大戰後，洛倫茲的國際主義活動帶有若干政治色彩。1909年至1921年，他擔任荷蘭皇家科學與文學研究院物理組的主任時，以自己的影響來說服人們參加戰後盟國創立的國際性科學組織。1923年，他成為國聯文化協作國際委員會的七個委員之一，並繼承伯格森(H．Bergson)擔任主席。洛倫茲在物理學上最重要的貢獻是他的電子論。早在他作學位論文之前，由於讀過菲涅耳文集而深受其影響；後來受到H亥姆霍茲的啟發，他用J．C．麥克斯韋的電磁理論來處理光在電介質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的分子理論結合起來的前景，這就是他後來創立電子論的根源。1878年，他發表了光與物質相互作用的論文，把以太與普通的物質區別開來，認為以太是靜止的，無所不在，而普通物質的分子則都含有帶電的諧振子；在這個基礎上，他導出了分子折射率的公式（即洛倫茲-洛倫茨公式）1892年，他開始發表電子論的文章，他認為一切物質的分子都含有電子，陰極射線的粒子就是電子，電子是很小的有質量的鋼球，電子對於以太是完全透明的，以太與物質的相互作用歸結為以太與物質中的電子的相互作用。這在個基礎上，1895年他提出了著名的洛倫茲力公式。1896年，P．塞曼發現放在磁場中的光源，其光譜線發生分裂（塞曼效應）。洛倫茲立即用他的電子論對這一現象作了定量的解釋。由於這一貢獻，他和塞曼共同獲得1902年的諾貝爾物理學獎。