物理群星
亨德里克·洛伦兹 肖像

图:佚名,1902 / 荷兰国家档案馆(公有领域)

亨德里克·洛伦兹

Hendrik Lorentz

1853–1928 · 生于荷兰阿纳姆 · 荷兰

电磁学相对论

经典物理的集大成者,为相对论备好数学的引路人

诺贝尔物理学奖 1902 关于磁场对辐射现象影响的研究(与塞曼同获)

「我失败的主要原因,在于我始终认定只有变量 t 才算真正的时间,而我的「局部时」t′ 至多只是一个辅助的数学量。」

—— 《电子论》第二版注释(1915 年),意译

如果说爱因斯坦推倒了经典物理的宫殿,那么洛伦兹就是把这座宫殿修到极致、又亲手把钥匙交给下一代的人。他沿着麦克斯韦方程组走到了旧物理的最远处,写下了以他命名的变换公式——只差最后一步诠释;而当年轻人迈出那一步时,他以罕见的坦荡为之喝彩。

二十四岁的首任教授

洛伦兹生于荷兰阿纳姆,中学时代便以几乎门门满分闻名。1875 年,21 岁的他凭一篇用麦克斯韦理论处理光的反射与折射的论文获莱顿大学博士学位;1878 年,莱顿大学为他新设理论物理学教席——这是荷兰第一个理论物理学教授职位,而他年仅 24 岁。此后近半个世纪,小城莱顿因为他成了世界物理学的圣地之一。

把麦克斯韦装进物质里

麦克斯韦方程组描述真空中的电磁场,可是光进入玻璃为什么变慢?物质为什么会发光?洛伦兹的回答是「电子论」:物质内部藏着无数微小的带电粒子,电磁场驱动它们,它们又反过来发出辐射。1896 年,他昔日的学生塞曼发现磁场能让钠的光谱线变宽、分裂,洛伦兹几天之内便给出理论解释,还由此估算出这种带电粒子的荷质比——比汤姆孙正式「发现」电子还早了几个月。1902 年,师生二人同获诺贝尔物理学奖。

为以太打补丁

1887 年,迈克耳孙-莫雷实验测不到地球穿过以太的「风」,经典物理陷入危机。洛伦兹为挽救以太提出:运动的物体会沿运动方向收缩,恰好把以太风的效应抹平;每个运动系统还各有一套「局部时」。1904 年,他把这些补丁整合成一组完整的坐标变换——空间与时间在公式里第一次搅在了一起。数学已经全部就位,但他始终把局部时看作计算的技巧,而不是真实的时间。

与爱因斯坦的忘年之谊

1905 年,爱因斯坦从光速不变与相对性原理两条公设出发,重新推出了同一组变换:那不是以太中的假象,而是时空本身的性质。洛伦兹没有半点怨怼,反而成了爱因斯坦最敬重的师长与挚友。爱因斯坦常年往返莱顿听他讲学;1953 年洛伦兹百年诞辰时,爱因斯坦写道:在一生所遇的人当中,洛伦兹对他个人的意义超过任何其他人,「出自这个卓越头脑的一切,都像上好的艺术品一样清澈而优美」(意译)。1928 年洛伦兹下葬时,在墓前致辞的正是爱因斯坦。

物理学界的大家长

从 1911 年第一届索尔维会议起,历届会议都由洛伦兹担任主席。他精通英、法、德三种语言,总能在爱因斯坦与玻尔这些个性强烈的天才之间温和而精准地穿针引线,被公认为那个时代物理学界无可争议的长者与仲裁人。

算潮汐的物理学家

晚年的洛伦兹还接下一件看似「跨界」的国家工程:1918 年起主持须德海拦海大坝的水利计算,用流体力学预测大坝合龙后的潮位变化。日后的实测与他的计算高度吻合,大坝上的一组水闸至今以「洛伦兹水闸」为名。1928 年 2 月他在哈勒姆去世,葬礼当天正午,荷兰全国的电报电话停摆三分钟——整个国家以静默,向这位「荷兰在我们时代产生的最伟大的人」告别。

代表方程

洛伦兹因子

γ=11−v2/c2\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}

速度越接近光速它就越大——时间变慢多少、尺子缩短多少、能量涨到多少,全由这个数字说了算。

洛伦兹力

F⃗=q(E⃗+v⃗×B⃗)\vec{F} = q(\vec{E} + \vec{v} \times \vec{B})

带电粒子在电场与磁场中受到的合力——从极光的舞动到加速器里粒子的转弯,都由它掌舵。

伟大发现

也出现在

这些发现页把他列为关键人物。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.洛伦兹《以任意小于光速的速度运动的系统中的电磁现象》,荷兰皇家科学院会议录第 6 卷(1904)
  2. 2.迈克尔逊与莫雷《论地球与光以太的相对运动》,《美国科学杂志》第 34 卷第 333 页(1887)
  3. 3.爱因斯坦《论动体的电动力学》,《物理学年鉴》第 322 卷第 891 页(1905)