經(jīng)典電子論的創(chuàng)立者——洛倫茲

張旭

洛倫茲是荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，1853年7月18日生于阿納姆，1870年入萊頓大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理學(xué)，1875年獲博士學(xué)位，25歲起任萊頓大學(xué)理論物理學(xué)教授，達(dá)35年。他認(rèn)為電具有“原子性”，電的本身是由微小的實(shí)體組成的。后來(lái)這些微小實(shí)體被稱為“電子”。洛倫茲以電子概念為基礎(chǔ)來(lái)解釋物質(zhì)的電性質(zhì)。從電子論推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中要受到力的作用，即“洛倫茲力”。他把物體的發(fā)光解釋為是由原子內(nèi)部電子的振動(dòng)產(chǎn)生的。這樣當(dāng)光源放在磁場(chǎng)中時(shí)，光源的原子內(nèi)電子的振動(dòng)將發(fā)生改變，使電子的振動(dòng)頻率增大或減小，導(dǎo)致光譜線的增寬或分裂。1896年10月，洛倫茲的學(xué)生塞曼發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)中鈉光譜的D線有明顯的增寬，即產(chǎn)生“塞曼效應(yīng)”，證實(shí)了洛倫茲的預(yù)言。塞曼和洛倫茲共同獲得1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1904年，洛倫茲證明，當(dāng)把麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程組用伽利略變換從一個(gè)參考系變換到另一個(gè)參考系時(shí)，真空中的光速將不是一個(gè)不變的量，從而導(dǎo)致對(duì)不同慣性系的觀察者來(lái)說(shuō)，麥克斯韋方程及各種電磁效應(yīng)可能是不同的。為了解決這個(gè)問(wèn)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(gè)慣性系變換到另一個(gè)慣性系時(shí)保持不變。后來(lái)，愛因斯坦把洛倫茲變換用于力學(xué)關(guān)系式，創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。

1880年他以很高的精確度測(cè)定熱功當(dāng)量，得出其值為426.2千克米每千卡（合4.179J/cal）。1881年他根據(jù)霍耳效應(yīng)解釋磁致旋光現(xiàn)象，推導(dǎo)出羅蘭磁致旋光方程與麥克斯韋旋光方程等價(jià)。

1882年研制衍射光柵，他研制的光柵刻線機(jī)，可在25平方英寸（161.29平方厘米）的金屬片上刻出每英寸（2.54厘米）43 000條線的光柵，攝得的太陽(yáng)光譜極為精細(xì)，光譜底片展開可達(dá)50英尺（15.24米），波長(zhǎng)范圍2 152.91埃-7 714.68埃，精確度小于0.01埃。他還發(fā)明凹球面衍射光柵，編制出太陽(yáng)光譜照相圖冊(cè)，在1890年巴黎博覽會(huì)獲金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

1876年他自歐洲訪問(wèn)回國(guó)時(shí)，購(gòu)回大批儀器設(shè)備，在約翰·霍普金斯大學(xué)裝備起當(dāng)時(shí)美國(guó)最好的實(shí)驗(yàn)室，他十分重視基礎(chǔ)研究工作，為美國(guó)物理學(xué)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

如何解釋1887年完成的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，是當(dāng)時(shí)擺在物理學(xué)家面前的一大難題。為了解釋事實(shí)，洛倫茲大膽提出高速運(yùn)動(dòng)物體沿運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生收縮的假設(shè)，即洛倫茲-斐茲杰惹收縮。3年后，作為輔助的數(shù)學(xué)手段又引入“地方時(shí)間”的假設(shè)，實(shí)質(zhì)上洛倫茲已經(jīng)建立了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩坐標(biāo)系間的時(shí)空變化關(guān)系。1904年他發(fā)表了著名的變換公式（洛倫茲變換）和質(zhì)量與速度的關(guān)系式，并指出光速是物體相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的極限速度。可以說(shuō)，洛倫茲已經(jīng)接近相對(duì)論的邊緣，遺憾的是未能邁出最后的一步。然而，這為后來(lái)的愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論提供了一定的啟示。

此外，洛倫茲在當(dāng)時(shí)物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域里都有很深的造詣，他在熱力學(xué)、分子動(dòng)理論和引力理論等方面都有貢獻(xiàn)。洛倫茲還是一位優(yōu)秀的教育家。在任教期間，他工作認(rèn)真、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、講授深刻，深受學(xué)生們的愛戴，培養(yǎng)了包括塞曼在內(nèi)的一大批優(yōu)秀人才。

洛倫茲于1928年2月4日在哈勒姆逝世。在舉行葬禮那天，荷蘭全國(guó)的電訊、電話中止3分鐘，以示哀悼。當(dāng)時(shí)，愛因斯坦作為新一代理論物理學(xué)家的領(lǐng)袖和普魯士科學(xué)院的代表在悼詞中稱他是“我們時(shí)代最偉大、最高尚的人”。