«Последний из могикан» классической физики

В. Н.  Белюстов  *****@***ru

  МБОУ БГО «Борисоглебская гимназия № 1»,

г. Борисоглебск, Воронежская обл.

«ПОСЛЕДНИЙ ИЗ МОГИКАН» КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

18 июля 1853 года в городе Арнем – столице голландской провинции Гельдерланд родился физик-теоретик,  создатель классической электронной теории .

Его предки были земледельцами из Прирейнской Германии, перебравшиеся в свое время в Нидерландское королевство. Отец – Геррит Фредерик Лоренц занимался выращиванием цветов и довольно успешно торговал ими на рынке. Когда Хенти (так близкие называли мальчика в детстве) было всего четыре года, в семье случилось несчастье: умерла его мать. Пять лет спустя в доме появилась мачеха, которая, к счастью, стала для Хендрика такой же любящей матерью, как и для его старшего сводного брата. А забота и внимание ему требовались постоянно – тихий и веселый ребенок рос хрупким и не отличался крепким здоровьем.

В шесть лет Хенти был отдан в лучшую в городе начальную школу (обучение на этой ступени было семилетним) и вскоре стал в своем классе лучшим учеником. Ему нравилось учиться, а успехи в науках придавали бьльшую уверенность в своих силах. Любимыми предметами мальчика были естествознание, математика и иностранные языки. В десять лет он на карманные деньги приобрел таблицу логарифмов и самостоятельно научился пользоваться ею, а для более глубокого изучения французского и немецкого стал специально посещать церковь, где слушал проповеди на этих языках.

В 1866 году Лоренц продолжил образование в только что открывшейся в городе Высшей гражданской школе («Hoogere Burger School» – HBS), по-прежнему показывая отличные знания по всем учебным дисциплинам. Правда, здесь не изучались классические языки, необходимые для поступления в голландские университеты, поэтому Хендрику пришлось взяться за самостоятельное изучение греческого и латыни. Его преподаватель химии оказался приверженцем атомистической идеи (далеко не общепринятой в 60-х гг. XIX столетия), что, возможно, поспособствовало тому, что из троих обучающихся класса (в то время в Голландии родители предпочитали небольшие классы, чтобы обеспечить индивидуальный подход к своим детям), двое выпускников стали профессорами физики. В неполные 17 лет Хендрик поступил (1869) в Лейденский университет, а уже в 18 получил диплом магистра! В этом старейший учебном заведении Нидерландов, основанном ещё в 1575 году принцем Вильгельмом Оранским, он впервые познакомился с довольно трудным для понимания «Трактатом об электричестве» Дж. Максвелла. Эти «интеллектуальные джунгли», как называл труды учёного,  во многом определили весь его дальнейший путь в науке. Успехи студента Лоренца в изучении физики всегда производили сильное впечатление на преподавателей, поэтому заявление одного из экзаменаторов, сделанное после блестящей защиты, о том, что выступление соискателя было удовлетворительным – от него ожидалось большего – казалось странным. Впоследствии оказалось, что эксперт ошибся: он посчитал, что присутствовал на защите докторской работы!

По окончании университета Хендрик Лоренц вернул в родной город и стал работать учителем в вечерних классах средней школы. Одновременно он продолжал начатые в Лейдене исследования, для чего дома создал небольшую лабораторию, в которой изучал явления электромагнетизма. Уже в 1873 году он успешно сдал докторский экзамен и приступил к написанию диссертации. Тему для нее 20-летний соискатель нашел в библиотеке физической лаборатории Лейденского университета, куда регулярно поступали печатные работы Максвелла. Поскольку в них развивались совершенно новые идеи с использованием сложного математического аппарата, их мало кто читал, и часть конвертов даже оставалась нераспечатанной. Уже в начальный период своей научной карьеры Лоренц стал одним из немногих физиков того времени, кто понял суть статей Максвелла и осознал важность его теории. Начинающему ученому было позволено работать с документами дома – в Арнеме. Лекциям, семинарам и коллоквиумам он предпочитал индивидуальную работу с книгами, уединенные размышления и самостоятельные расчеты. С самого начала творческого пути Лоренц поставил перед собой программу достичь единства в структуре физической науки. На этом пути он предпринял попытку объединить идеи Френеля  о взаимодействии эфира и вещества с максвелловским описанием электромагнитных явлений и «атомистическими воззрениями» на электричество Вебера и Клаузиуса. Первым звеном в этой цепи исследований была его докторская диссертация «Об отражении и преломлении лучей света», защищённая 11 декабря 1875 года с похвальным добавлением summa cum laude (лат. «с наибольшим почётом»). Молодого ученого заметили: Утрехтский университет предложил ему кафедру математики, а Лейденский – специально созданную для него кафедру теоретической физики – одну из первых в Европе (теоретическая физика как самостоятельная дисциплина была в Нидерландах малоизвестной). Лоренц предпочел Лейден и провел в этом небольшом городке практически всю оставшуюся жизнь. В это время он занимался вопросами молекулярной физики, главным образом, механической теорией тепла. В начале 90-х вернулся к электродинамике, теме своей диссертации.

Пытаясь раскрыть загадку электромагнитного поля, он пришел к мысли, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней основное внимание перенесено с зарядов на пространство между ними и совсем не учитывается строение вещества. Ученый предложил считать, что все молекулы вещества состоят из электрически заряженных частиц, причем, их заряды равны по величине и противоположны по знаку (положительные и отрицательные электроны). При ускорении или замедлении их движения они излучают электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве со скоростью света. Электромагнитное поле, в свою очередь, оказывает влияние на эти заряды. В результате их взаимодействие, в соответствии с теорией Максвелла, распространяется с конечной скоростью.

Таким образом Лоренц в своей теории осуществил синтез идей теории поля и электронного строения вещества. В 1878 году вышла его статья «О соотношении между скоростью распространения света и плотностью и составом среды», в которой он раскрыл электромагнитную теорию дисперсии света с учетом того, что на молекулярный заряд действуют поле поляризованных частиц среды и поля волн:

световые волны, движущиеся сквозь эфир, приводят ионы в колебания, тем самым возбуждая бесчисленные малые вторичные волны. Эти волны, благодаря интерференции друг с другом и с первичными волнами, изменяют свою форму таким образом, что наблюдаемая скорость их распространения начинает зависеть от частоты света, вызывая тем самым явление дисперсии. Основываясь на этом положении, Лоренц получил знаменитое соотношение между плотностью диэлектрической среды и ее показателем преломления – закон Лоренц-Лоренца (по имени также и шведского физика Рихарда Лоренца, сформулировавшего одновременно аналогичное соотношение).

В 1880 году научные интересы ученого были связаны главным образом с кинетической теорией газов, описывавшей движение молекул, и установлением соотношения между их температурой и средней кинетической энергией. В 1892 году приступил к формулированию теории, получившей название теории электронов (окончательно она оформилась к 1909 г., после того как был открыт электрон). В ее основу легли три допущения, а именно: на эфир не влияет вещество, эфир не принимает участия в движении вещества, и эфир следует считать лишенным физических свойств. Разработка основного представления об электронах стала делом всей его жизни. На основе электронной теории он объяс­нил целый ряд физических фактов и явлений и предсказал новые. Поведение электронов в проводниках и диэлектриках, их участие в оптических явлениях, электронная  магнитооптика, все подробности движения электронов, объяснение их внутриатомного трения, изменение формы электронов при движении, зависимость электромагнитной массы от скорости – все эти вопросы поставлены и в значительной степени разрешены и оценены с самых

общих точек зрения самим Лоренцем. В 1895  году он дал описание силы, действующей на движущийся электрический заряд в электромагнитном поле (сила Лоренца). Эта сила складывается из двух частей, обязанных действию соответственно электрической и магнитной составляющих поля. Подобные ее свойства приводят, в частности, к тому, что проходящая через постоянное однородное магнитное поле заряженная частица в общем случае движется по винтовой линии – движение складывается из равномерного прямолинейного движения вдоль направления поля и равномерного движения по окружности в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Им был предложен также метод вычисления локального поля в микроскопической теории диэлектриков (сфера Лоренца), который позволил найти диэлектрическую проницаемость материала, если известна дипольная поляризуемость частиц материала.

В 1895 году Х. Лоренц обратил внимание на то, что спектр источника света, помещенного в однородное магнитное поле, претерпевает изменения. Выполнив расчеты, ученый предсказал: расщепление по частотам каждой спектральной линии на триплет; совпадение частоты средней линии в отсутствии магнитного поля; соответственное уменьшение либо увеличение частот боковых линий по отношению к частоте средней линии на одну и ту же величину, пропорциональную напряженности поля. Эта гипотеза была подтверждена экспериментально в августе 1896 года его учеником, молодым приват-доцентом Питером Зееманом.

В своем эксперименте Зееман помещал пламя газовой горелки между полюсами электромагнита. При добавле­нии обычной поваренной соли пламя окрашивалось в желтый цвет – наблюдалась спектральная D-линия излучения натрия. При включении магнитного поля спектральные линии расширялись в полном соответствии с теорией Лоренца (эффект Зеемана). Как выяснилось позднее, он возникает в исключительных случаях, а чаще под действием магнитного поля наблюдается гораздо более сложное расщепление спектральных линий, т. е. аномальный эффект Зеемана. Спустя год подобный эффект ученый наблюдал в синей линии кадмия.

В этот же период времени Дж. Дж. Томсон исследовал катодные лучи и данные, полученные им в опытах, никак не свя­занных с экспериментами Зеемана, послужили убедитель­ным свидетельством в пользу реального существования электронов. Идеи Лоренца и открытия Зеемана были крупным ша­гом вперед в изучении теории излучения. Полное же понимание этих явлений наступило только после открытия спина у электрона, прецессии Томаса и установления принципа соответствия в теории Н. Бора. Тем не менее, в 1902 году работы Лоренца и Зеемана получили признание Нобелевского комитета, принявшего решение о присуждении двум нидерланд­ским ученым премии по физике.

Второй большой цикл работ был посвящен электродинамике движущихся тел. В 1892 году он дал объяснение опыта Майкельсона – Морли (определение скорости движения Земли относительно неподвижного эфира), выдвинул (независимо от Дж. Фитцджеральда) гипотезу о сокращении размеров тел в направлении их движения (сокращение Лоренца – Фитцджеральда). В 1895 году ввел понятие локального времени (время для движущихся тел протекает иначе, чем для покоящихся).

В конце XIX – начале XX века по праву считался ведущим физиком-теоретиком мира. Он был Почетным членом Лондонского математического общества (1898), членом Королевского общества в Лондоне (1905), отмеченным медалью Копли (1918), Парижской академии наук (1910) и Королевского общества Эдинбурга (1920). Лоренц внимательно следил и за работами русских физиков. В частности, им было независимо открыто явление давления света, которое экспериментально наблюдал в 1910-1912 годах . В 1925 году Лоренц был избран иностранным членом Академии наук СССР. Фундаментальные работы ученого охватывали не только электричество, магнетизм и оптику, но и кинетику, термодинамику, механику, статистическую физику и гидродинамику. Его усилиями физическая теория достигла пределов, возможных в рамках классической физики. В 1904 году он опубликовал наиболее известные из выведенных им формул, связывающих между собой координаты и время для одного и того же события в двух разных инерциальных системах отсчета (преобразование Лоренца). Они описывают сокращение размеров движущегося тела в направлении движения и изменение хода времени. Оба эффекта малы, но возрастают, если скорость движения приближается к скорости света. Эту работу он предпринял в надежде объяснить неудачи, постигавшие все попытки обнаружить влияние эфира – загадочного гипотетического вещества, якобы заполняющего все пространство. В том же году получил формулу, связывающую массу электрона со скоростью его движения. Электронная теория Лоренца подготовила возникновение двух областей теоретической физики – теории квантовой механики и теории относительности.

В 1911 году у богатейшего бельгийского промышленника и известного химика Эрнеста Сольве возникла идея регулярно созывать конгрессы по физике и химии для обсуждения актуальных вопросов, и он обратился к Лоренцу с просьбой принять участие в их подготовке и председательствовать на конгрессах по физике. Трудно было сделать более удачный выбор: Лоренц прекрасно владел несколькими европейскими языками, обладал несомненным дипломатическим даром, имел огромные заслуги перед наукой. председательствовал на первых Сольвеевских конгрессах 1911, 1913, 1921, 1924 и 1927 гг. Именно эти конгрессы, в работе которых принимали участие самые авторитетные физики того времени – Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, Планк, Паули, де Бройль, Эренфест и многие другие, сыграли решающую роль в постановке проблематики новейших отраслей физики, из года в год становившиеся «все более релятивистскими и квантовыми». А возглавлял и направлял дискуссии в нужное русло патриарх классической физики – .

В 1912 г. Лоренц ушел в отставку из Лейденского университета с тем, чтобы больше времени уделять своим научным исследованиям. Переехав в Харлем, он принял на себя обязанности директора физического кабинета Тейлеровского музея (среди музейных коллекций были  нумизматика, предметы медальерного искусства, палеонтологические находки, научные приборы XVIII – XIX веков, рисунки старых мастеров – А. ван Дейка, Рембрандта, Микеланджело, Д. да Вольтерра, Х. Гольциуса и др., коллекция гравюр, картины провинциальных мастеров) – эта должность по рангу соответствовала должности президента Лондонского королевского общества. Как секретарь голландского научного общества ученый организовал в Харлеме регулярное чтение популярных лекций по физике (подобно тому, как это было в Королевском институте в Лондоне), а в Лейдене каждое утро понедельника он для коллег и лучших студентов проводил семинар, на котором обсуждались последние события в мире физики.

После окончания первой мировой войны Лоренц активно способствовал восстановлению научного сотрудничества, прилагая усилия к тому, чтобы восстановить членство граждан стран Центральной Европы в международных научных организациях. В 1923 г. он был избран в международную комиссию по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций (состояла из семи самых авторитетных ученых мира), став на два года ее председателем.

В 1918 году правительство Нидерландов решило изучить вопрос о частичном осушении внутреннего моря Зейдер-Зе (залива Северного моря), образовавшегося в результате наводнения 1282 года. Проект требовал проведения сложных предварительных расчетов. Нужно было учесть всю совокупность физических и географических факторов, включая приливы и отливы в зимнее время года, предусмотреть все возможные последствия перемещения огромных масс воды. Поэтому правительство пригласило для решения этой задачи наиболее авторитетного ученого, известного умением проводить сложнейшие вычисления. 65-летний Лоренц возглавил комитет, где под его началом трудилось более 20 инженеров. Он предложил новые математические модели и методы, сам занимался числовыми выкладками. Когда плотина соединила северную часть Голландии с островом Виринген, уровень воды отличался от проектного всего на несколько процентов. Математические методы Лоренца позволили сэкономить 15 миллионов гульденов – сумму, сравнимую с годовым бюджетом страны тех лет. Водная служба Голландии до сих пор применяет их. Кроме этого случая он никогда напрямую не занимался техническими проблемами, хотя его теоретические работы имеют многочисленные применения, особенно в области электромагнитной связи.

Примерно со времени первого Сольвейского конгресса Лоренц стал в известном смысле главой всей современной теоретической физики. Все лейденские диссертации, как правило, предварительно апробировались им. Лейден стал местом паломничества физиков-теоретиков. Его часто посещали А. Эйнштейн и другие теоретики нового поколения с тем, чтобы услышать мнение по поводу своих гипотез и открытий. Однако маститый ученый в оценке последних событий в физике был крайне осторожен (теория излучения Планка, теория относительности Эйнштейна, дальнейшее развитие квантовой теории). Он жил и работал в переходный период между классической и современной физикой, но по существу все же оставался физиком XIX-го века. Лоренц был последним представителем великой физики классического периода, завершителем классических теорий,  превративший их в незыблемый фундамент. Но он также прекрасно понимал, что наука не может стоять на месте, и те явления, которые не имеют объяснений сегодня, обязательно получат из завтра. И нужно быть готовым к тому, чтобы их принять. Работы заложили основы для развития новой физики XX-го века, и таким образом он является основным предшественником современной физики.

сохранял интеллектуальную активность до самой смерти, последовавшей после непродолжительной болезни (острая бактериальная инфекция кожи – рожистое воспаление) 4 февраля 1928 г. в Харлеме. На похоронах ему были оказаны почти королевские почести. Четверг, 9 февраля, был объявлен в стране днем национального траура. В большой аудитории Лейденского университета состоялось траурное собрание, на котором с речами о заслугах Лоренца в развитии международного научного сотрудничества выступали физики, приехавшие из многих стран: от имени  британского Королевского общества речь держал сэр Э. Резерфорд, от Франции – П. Ланжевен, от Германии – А. Эйнштейн, от Голландской академии наук – П. Эренфест. На следующий день похоронную процессию из 15 конных экипажей сопровождали тысячи жителей города. Имя и репутация Лоренца были столь высоки, что голландский телеграф как дань памяти ученому объявил три минуты молчания в полдень дня похорон; было приостановлено также и движение местных трамваев.

В 1931 году в  Арнеме был сооружен памятник в окружении трех его великих предшественников: Гюйгенса, Френеля и Максвелла, а также с барельефами трех его великих современников: Планка, Эйнштейна и Бора. Бюсты Лоренца установлены в Харлеме и Лейдене – над входом в Институт теоретической физики, а его имя получили многие улицы, площади, причалы, шлюзы; в тех домах, где он жил и работал, были установлены мемориальные доски. 11 декабря 1925 года в честь 50-летия докторской степени Хендрика Антона Лоренца Нидерландская королевская академия наук учредила золотую медаль Лоренца. Имя выдающегося голландского физика носит кратер Луны диаметром 312 км.

ЛИТЕРАТУРА

. Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения. – М.: Гостехиздат, 1956. – Классики естествознания: математика, механика, физика, астрономия. [Электронный ресурс]  URL: http://publ. lib. ru/ARCHIVES/L/LORENC_Gendrik_Anton/_Lorenc_G. A..html лектронная теория Лоренца и теория относительности Эйнштейна. Успехи физических наук. Том 102, вып. 2, 1970 [Электронный ресурс]  URL: http://ufn. ru/ufn70/ufn70_10/Russian/r7010e. pdf] Карцев великих уравнений – М.: Знание, 1970. [Электронный ресурс]  URL: HTTP:///BIBLIO/ARCHIVE/KARCEV_URADV/EC5.ASPX Кудрявцев . пособие для студентов пед. ин-тов по физ. спец. – 2 изд., испр. и доп. – М.: Просвещение, 1982. [Электронный ресурс]  URL: http://www. xliby. ru/fizika/kurs_istorii_fiziki/p7.php стория физики. – М.: Мир, 1970. [Электронный ресурс]  URL: http://www. pandia. ru/401689/ Энциклопедия для детей. Т. 16. 2. – М.: Аванта+, 2000. URL:http://en. citizendium. org/wiki/Hendrik_Antoon_Lorentz URL:http://www. historici. nl/Onderzoek/Projecten/BWN/lemmata/bwn1/lorentz URL:http://www. /topic/Hendrik_Antoon_Lorentz. aspx