Лоренц, Хендрик Антон 1853-1928

Маленькая Голландия щедро одарила человечество выдающимися людьми. К их числу безусловно принадлежит и Хендрик Антон Лоренц - великий нидерландский физик-теоретик, создатель классической электронной теории, член Нидерландской академии наук и многих иностранных академий и научных обществ, с 1925 г. иностранный член Академии наук СССР, организатор и председатель Сольвейских конгрессов по теоретической физике (1911-1927), Нобелевский лауреат по физике за 1902г.

Он родился в 15 июля 1853г. в небольшом голландском городе Арнеме.

В 1757г. Хендрик и его старший брат остались, потеряв мать, на попечении отчима, а через четыре года в доме появилась мачеха. К этой женщине Хендрик на всю жизнь сохранил самые теплые чувства.

Маленький Лоренц, как казалось, очень отставал в развитии. Когда его сводный брат уже пошел 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. Шести лет он был отдан в школу, считавшуюся лучшей в Арнеме, и здесь буквально переродился: вскоре он стал первым в своем классе. В 1866 г. он перешел в только что открывшуюся тогда «Высшую гражданскую школу». И здесь он также учился блестяще. Приобщение к наукам было увлекательным, и успехи порождали уверенность в своих силах.

Обладая исключительной памятью (говорили, что он унаследовал ее от деда, который запоминал и, вернувшись из церкви, дословно записывал всю произнесенную там проповедь), Хендрик, помимо всех школьных дел, успел выучить английский, французский, и немецкий языки, а перед поступлением в университет — еще греческий и латынь (до старости он мог сочинять стихи по-латыни). Но на первом месте уже тогда были науки — математика и, особенно, физика.

В 1870 г. Лоренц поступил в Лейденский университет. И здесь произошло событие, во многом определившее весь дальнейший путь Лоренца в науке: он познакомился с трудами Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879).

К этому времени «Трактат об электричестве» был понят лишь немногими физиками. Более того, когда юный Хендрик попросил парижского переводчика «Трактата» объяснить ему физический смысл уравнений Максвелла, он услышал в ответ, что «.. .никакого физического смысла эти уравнения не имеют и понять их нельзя; их следует рассматривать как чисто математическую абстракцию».

Лоренц не только досконально изучил, но и развил теорию Максвелла. Дело в том, что эта теория как бы распадалась на две части. Одна из них — это так называемые полевые уравнения; они позволяют по заданному распределению источников, т.е. зарядов и токов, вычислить напряженности электрического и магнитного полей. Но есть и вторая часть: нужно выяснять, что же собой представляют сами источники, т. е. носители зарядов, и как на них действуют эти поля. Лоренц выдвинул идею, что основное влияние на электрические и магнитные свойства сред оказывают мельчайшие носители электрических зарядов — электроны.

Это может показаться невероятным: диссертацию, в которой впервые была намечена грандиозная программа объяснения всех электрических и магнитных свойств сред, в которой центральная роль отводилась электронам, Лоренц защитил 11 декабря 1875г., т.е. за 20 лет до «официального рождения» электрона!

Догадки о дискретной структуре электричества, о мельчайших носителях заряда высказывались уже в начале XIX в., но в ту пору, когда об устройстве атомов физики в сущности почти ничего не знали (и даже не располагали доказательствами самого факта их существования), нужна была большая научная смелость и убежденность, чтобы выдвинуть такую программу. Тем более, что «образ» самого электрона совершенно не был ясен.

Лоренц и начал с этого вопроса, приняв, что электрон — имеющая определенную массу и электрический заряд частица, подчиняющаяся законам классической механики Ньютона. Из-за малости массы электрона он менее инертен, чем все остальные заряженные частицы в веществе, поэтому сильнее всех частиц реагирует на действие электрических и магнитных сил и становится наиболее активным участником всех электромагнитных процессов в веществах.

Наши сегодняшние представления об электронах сильно отличаются от лоренцовских. Теперь понятно, что они «живут» по законам квантовой, а не классической физики, но глубочайшие идеи Лоренца не потеряли актуальности и поныне.

Утрехтский университет предложил Лоренцу место профессора математики, но он предпочел должность учителя в лейденской классической гимназии в надежде на профессуру в Лейденском университете. Надеждам суждено было вскоре сбыться, и 25 января 1878 г. 25-летний Лоренц, профессор первой в истории всех университетов кафедры теоретической физики, произнес вступительную речь «Молекулярные теории в физике».

В начале 1881г. Лоренц женился, и Алетта Лоренц сумела сделать все, чтобы его жизнь была спокойной, деятельной и счастливой. Он жил размеренной жизнью, наполненной повседневным напряженным и счастливым творческим трудом, небогатой внешними событиями. Он в первый раз поехал с научным докладом за границу (в Париж на Международный конгресс физиков) в 1900 г.

К тому времени Лоренц был уже известным ученым. В 1895 г. вышла его книга «Опыт теории электрических и магнитных явлений в движущихся телах». Он рассуждал о том, как на базе представлений об электронах можно описать многие эффекты — от явлений дисперсии, т. е. зависимости показателя преломления в веществах от частоты, до явлений проводимости. И еще о том, что вскоре стало в электродинамике актуальным и волнующим, — об электромагнитных явлениях в движущихся средах.

Основу теории Максвелла составляли уравнения, определяющие зависимость напряженностей электрических и магнитных полей от координат точек пространства. Но со времен Ньютона и даже Галилея было известно, что эти величины — координаты — относительны, что они меняются при переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой. В какой же системе отсчета записываются уравнения Максвелла? Может быть, в той, в которой рассматриваемое тело покоится? Но ведь движение относительно, как, по крайней мере, считается в механике. А в электродинамике?

Лоренц, как и многие его предшественники, в том числе и великие Фарадей (1791-1867) и Максвелл (1831-1879), считали, что все пространство заполнено особой средой — эфиром, натяжения в котором и проявляются как напряженности электромагнитных полей. Если эфир в целом не увлекается материальными телами в их движении, значит существует абсолютное движение — движение по отношению к эфиру. Окончательное решение проблемы — за экспериментом.

Такой эксперимент был осуществлен в конце XIX в. Майкельсоном (1852-1931) и Морли, пытавшимися обнаружить движение Земли относительно эфира. Но обнаружить «эфирный ветер» не удалось, и это породило принципиальную проблему в электродинамике движущихся сред.

Попытку спасти положение предпринял в 1892 г. Джордж Фицджеральд (1851-1901), который показал, что отрицательные результаты опыта Майкельсона можно объяснить, если принять, что размеры тел, движущихся со скоростью v, сокращаются в направлении их движения в раз, где β = v/с (с — скорость света).

Попытку спасти положение предпринял в 1892 г. Джордж Фицджеральд (1851-1901), который показал, что отрицательные результаты опыта Майкельсона можно объяснить, если принять, что размеры тел, движущихся со скоростью v, сокращаются в направлении их движения в раз, где β = v/с (с — скорость света).

Это было всего лишь блестящей гипотезой, но Лоренц предложил ее обоснование. Он исходил из того, что все положения атомов и молекул в любой линейке определяются почти только лишь исключительно электростатическими кулоновскими силами; Лоренц (эти вопросы были детально исследованы в его работах) уже знал, что кулоновские поля движущихся зарядов испытывают точно такое же сокращение, что и должно было объяснять фицджералдово сокращение (теперь все называют его лоренцовым).

Впоследствии появилась критика этой интерпретации (в роли «линейки» могут выступать не твердые тела, а сами электромагнитные волны, а они вовсе не состоят из атомов). Анализ всего комплекса возникающих здесь проблем привел к пересмотру многих классических представлений о пространстве и времени, к возникновению одной из великих теорий XX в. — теории относительности.

Воспитанный в традициях классической теории и сделавший весьма многое для ее углубления и развития, Лоренц не мог легко и быстро принять все те грандиозные перемены, которые пришли в физику с началом нового века. А. Ф. Иоффе в книге «Встречи с физиками» приводит слова Лоренца: «Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийся по криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?» Но Лоренц не только не препятствовал распространению новых идей, но всегда стремился глубже их понять и популяризировать. Не случайно он в глазах многих коллег был достоин почетного титула «Старейшины физической науки».

В 1902 г. он совместно с Зееманом (1865-1943) был удостоен Нобелевской премии, многократно приглашался для чтения лекций в университеты Европы и Америки.

Особо нужно отметить его участие в подготовке и проведении Сольвейских конгрессов. Уже на первом из этих авторитетнейших собраний ведущих физиков, проходившем в 1911г., как и на последующих четырех, до 1927 г. Лоренц неизменно избирался председателем и блистательно справлялся с этой ролью. Далеко не последнее значение здесь имели человеческие черты личности Лоренца — его высочайшая научная компетентность и исключительные нравственные качества.

Можно с уверенностью сказать, что именно на этих конгрессах и происходило формирование новой — квантовой и релятивистской физики.

Лоренц не замыкался в одной лишь теоретической физике. Он много лет вел трудоемкие расчеты, связанные с проблемой осушения Зайдер-Зе, большое внимание уделял вопросам преподавания, добился организации в Лейдене бесплатных библиотек, во время и после войны тратил много усилий для объединения ученых разных стран. Он любил свою страну и писал: «Я счастлив, что принадлежу к нации, слишком маленькой, чтобы совершать большие глупости».

Он пользовался огромным уважением и любовью как у себя на родине, так и везде, где его знали. Празднование 50-летия со дня защиты им докторской диссертации, начавшееся 11 декабря 1925г., вылилось в общенациональный праздник.

В 1927 г., незадолго до кончины, он писал дочери, что надеется «завершить еще несколько научных дел», но тут же добавил: «Впрочем, то, что есть, — тоже хорошо: за плечами у меня — большая и чудесная жизнь».