經典電子論的創立者——洛倫茲

張旭

洛倫茲是荷蘭物理學家、數學家，1853年7月18日生于阿納姆，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。他認為電具有“原子性”，電的本身是由微小的實體組成的。后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是由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。后來，愛因斯坦把洛倫茲變換用于力學關系式，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年研制衍射光柵，他研制的光柵刻線機，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，攝得的太陽光譜極為精細，光譜底片展開可達50英尺（15.24米），波長范圍2 152.91埃-7 714.68埃，精確度小于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，為美國物理學發展做出重大貢獻。

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-斐茲杰惹收縮。3年后，作為輔助的數學手段又引入“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系。1904年他發表了著名的變換公式（洛倫茲變換）和質量與速度的關系式，并指出光速是物體相對于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后的一步。然而，這為后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里都有很深的造詣，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。

洛倫茲于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”。