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亨德里克·安东·洛伦兹

亨德里克·安东·洛伦兹

亨德里克·安东·洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853年7月18日至1928年2月4日），是近代荷兰理论物理学家、数学家、经典电子论的创立者，毕业于莱顿大学（Leiden University），1871年获荷兰莱顿大学物理学学士，1875年获荷兰莱顿大学哲学博士学位，1902年成为诺贝尔物理学奖。

洛伦兹出生于荷兰阿纳姆（Arnhem）的一个小康之家，少年时就对物理学感兴趣。1870年，亨德里克·洛伦兹考入莱顿大学，主攻数学和物理学。1875年，洛伦兹的博士论文《论光的反射和折射的理论》确立了他在荷兰的学术地位。1878年，洛伦兹成为了荷兰唯一的理论物理学教授，确定了他的职业生涯。洛伦兹于1892年发表的《麦克斯韦电磁学理论及其对运动物体的应用》一文，标志着经典电子论的诞生，并使他在物理学界获得领导地位。亨德里克·洛伦兹于1896年用电子论正确解释了塞曼效应，并因此和物理学家彼得·塞曼（Pieter Zeeman）共享了1902年诺贝尔物理学奖奖金。洛伦兹在1904年提出的洛伦兹变换为创立狭义相对论奠定了基础。1911年，他主持了第一届国际理论物理学会议——“索尔维会议”，这次会议使量子概念从四面八方突破了德语世界的边境。1919年至1926年，亨德里克·洛伦兹在荷兰政府教育部门工作。此外，他还于1923年被选为国际文化协作委员会委员。1928年2月4日，洛伦兹在哈勒姆（Haarlem）因病重去世，享年74岁。

洛伦兹补充和发展了经典电磁理论，确立了经典电子论，提出了洛伦兹变换，为狭义相对论奠定了基础。此外，他在热力学、分子运动论、广义相对论以及热辐射理论等方面也有建树。洛伦兹获得过伦敦皇家自然知识促进学会的拉姆福德（Rumford Medal）和科普利（Copley Medal）奖章，此外，还获得了巴黎大学和剑桥大学荣誉博士学位。洛伦兹的主要著作有：《理论物理讲义》《洛伦兹论文集》《电子论》和《现代物理学问题》等。阿尔伯特·爱因斯坦评价洛伦兹为“我们时代最伟大、最高尚的人”。为纪念洛伦兹的贡献，荷兰王国政府决定：从1945年起，把每年的7月18日设为“洛伦兹”节。

人物生平

早年经历

洛伦兹于1853年7月18日出生在荷兰阿纳姆的一个小康之家，他的父亲格利特·弗里德里希·洛伦兹（G.F Lorentz）是一家镜子店的老板，且还当过一家牧畜繁殖场的场主，母亲雅可比（Jacobi）在洛伦兹4岁的时候就去世了。洛伦兹在6岁时，开始在地方小学上学，成绩总是名列前茅，为此，他的父亲又让他进入当地一所夜校辅以青年人的教育。在读夜校期间，洛伦兹在校长兼教员的蒂默先生的帮助下，9岁时就学会了使用对数表。1862年，洛伦兹的父亲与继母卢贝塔·胡布克斯（Luberta Hobbs）结婚。

洛伦兹在荷兰阿纳姆读完小学和中学，少年时就对物理学感兴趣，同时还广泛地阅读历史和小说，如英国查尔斯·狄更斯（Charles Dickens）的小说，德国约翰·沃尔夫冈·冯·歌德（Johann Wolfgang von Goethe）和席勒（Friedrich Schiller）的名著，以及法国哲学家伏尔泰（Voltaire）的著作等，他还熟练地掌握多门外语，如英文、法文和德语。这些都为他后来较早地进入物理学界奠定了基础。

职业生涯

初涉科学界（1870－1877）

1870年，17岁的洛伦兹通过政府考试进入莱顿大学，主攻数学和物理学。同时，由于洛伦兹的出现，当时莱顿大学理论天文学教授凯泽（F.kaiser）决定恢复多年停开的理论天文学课程。之后，洛伦兹用一年半的时间就学完了大学所有的课程，通过了硕士学位的考试，并于1971年获得数学和物理学学士。1872年2月，洛伦兹离开莱顿，回到家乡阿纳姆，一边在当地公立夜校执教，一边积极准备博士论文。之后，年仅20岁的洛伦兹通过阅读物理学家詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的专著《电磁通论》掌握了电磁学理论的精髓，并最先进行了电磁波实验。

1873年，洛伦兹通过了博士考试。1875年12月11日，洛伦兹以题为《论光的反射和折射的理论》的论文，通过了博士学位答辩。虽然法国物理学家、19世纪光波动理论奠基人奥古斯丁·菲涅耳已经做过这个课题，但洛伦兹在这篇论文中运用麦克斯韦的电磁场理论重新进行了处理，提出了光的电磁理论与物质分子理论相结合的统一设想。这项研究也确立了洛伦兹在荷兰的学术地位。

因为莱顿大学教授们曾给洛伦兹保证，只要他暂时担任莱顿中学的教师，就会把他提拔为莱顿大学的物理学讲师。因此，1877年洛伦兹拒绝了乌得勒支大学聘请他为数学教授的邀请，到莱顿中学当了一名物理教员。正值此时，荷兰高等教育部颁布的高等教育法，要求将由黎克教授（Professor Li Ke）所主持的莱顿大学物理学教席一分为二，一个是实验物理学教授席位，另一个是理论物理学教授席位。莱顿大学原打算聘请洛伦兹的大学同学范德·瓦耳斯（Johannes Diderik van der Waals）就任理论物理学教授，但由于范·德·瓦耳斯决定前往阿姆斯特丹工作，于是莱顿大学就改聘洛伦兹。

莱顿时期（1878－1911）

1878年1月25日，25岁的洛伦兹成为了荷兰唯一的理论物理学教授，从而确定了他的理论物理学的职业生涯。洛伦兹成为理论物理学教授后的第一项研究就是要解决詹姆斯·麦克斯韦不能解决的光色散问题。他在1878年发表的《关于光的传播速度和介质的密度及成分之间的关系》一文中，从介质极化和入射光频率的关系找到了光色散的本质。在1878年到1892年的将近十五年间，洛伦兹平均每年发表一篇论文。他一方面努力探寻经典物理学所能达到的极限，为完善他的电子论做好充分的准备；另一方面又要维护经典物理学的力学框架一一以太。此外，洛伦兹还在1881年根据霍尔效应解释了磁致旋光现象，推导出罗兰磁致旋光方程与詹姆斯·麦克斯韦旋光方程等价。

1892年，洛伦兹发表了《麦克斯韦电磁学理论及其对运动物体的应用》一文，该论文的发表标志着洛伦兹电子论的诞生，并使他在物理学界获得领导地位。同年11月，洛伦兹在发表的论文《论地球对以太的相对运动》中提出了长度收缩假说。后来，他在1895年又给出了更精确的长度收缩公式，成为阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论的思想基础。此外，他在1892年以后还从事了另一项重要研究——解释迈克耳孙—莫雷实验，并由此建立了洛伦兹变换。与此同时，洛伦兹又提出了“地方时”的概念和对应态定理。

洛伦兹在1895年最先指出：不可能探出物质的绝对运动，或者说有质物质对于以太的相对运动；所能展示的一切，是有质物质相对于有质物质的运动。之后，他在1900年把这条陈述称为“相对运动原理”，1904年又改称为“相对性原理”。1896年洛伦兹用电子论正确解释了塞曼效应，并因这项工作和荷兰阿姆斯特丹大学（The Universiteit van Amsterdam）的物理学家彼得·塞曼共享了1902年诺贝尔物理学奖奖金。1908年，洛伦兹提出普朗克理论是唯一能解释黑体辐射整个光谱的，成为了最早指出并强调量子假说和电子论假说之间存在深刻对立的人之一。

1897年，亨德里克·洛伦兹认识到参加学术交流的重要性，开始离开莱顿书房和教室，广泛地与国外科学家进行接触。次年，洛伦兹接受路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）的邀请，为德国自然科学与医学学会的杜塞尔多夫会议物理组做演讲。洛伦兹在1899年的《运动系统中的电学和光学现象的简化理论》和1904年的《在以小于光速的运动系统中的电磁现象》两篇论文中，结合伽利略变换提出了洛伦兹变换的最后形式，并给出了横向和纵向电磁质量的公式，批判了机械论，建立起电磁自然观，并为阿尔伯特·爱因斯坦创立狭义相对论奠定了基础。

洛伦兹于1900年受邀请参加了在巴黎举行的第一次理论物理学的国际会议，并在这个会议上做了题为《论最近发现的磁致旋光现象》的学术报告，阐发了一些与塞曼效应相关的磁光理论。1905年，他又出席了法兰西物理学会的年会，做了《热力学和运动论》的报告，并在巴黎认识了亨利·庞加莱（Jules Henri Poincaré）、路易·布里渊（Marcel Brillouin）、居里夫妇、朗之万（Paul Langevin）和皮兰（Jean Baptiste Perrin）等人。1906年春，亨德里克·洛伦兹受到哥伦比亚大学邀请，到美国做了第一次学术访问。洛伦兹访美回国后，慕尼黑大学聘请他前去执教，他出于爱国心毅然拒绝了。

1909年至1921年，洛伦兹担任荷兰皇家科学与文学研究院物理组的主任时，以自己的影响来说服人们参加战后盟国创立的国际性科学组织。此外，比利时工业家欧内斯特·索尔维（Ernest Solvay）邀请洛伦兹牵头组织一个国际物理学和化学会议，在洛伦兹的领导下，第一届国际理论物理学会议——“索尔维会议”于1911年在布鲁塞尔（Brussels）召开，并由洛伦兹主持，这次会议使量子概念从四面八方突破了德语世界的边境，成为一个在法国和英国同样使人感兴趣的论题。后来，洛伦兹一直连任各届索尔维会议主席，直到1927年。第一次世界大战后，洛伦兹的国际主义活动带有若干政治色彩，他的开放精神在他的世界主义立场中也得到了充分的体现，为恢复科学国际主义，洛伦兹作了持续的努力。

哈勒姆时期（1912－1928）

1911年，洛伦兹收到邀请出任位于哈勒姆的泰勒斯博物馆的馆长。次年，洛伦兹辞去莱顿大学理论物理学教授职务，到哈勒姆担任荷兰博物馆物理厅的主任。该博物馆仿伦敦皇家研究院的模样专门为他建立了一个物理实验室。洛伦兹忠诚于教育事业，在他到哈勒姆后，仍然保留莱顿大学荣誉教授的称号，并在莱顿大学举办了为期十四年的“星期一午前讲座”，他的听众中有爱因斯坦、保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）等人。1923年5月，就在洛伦兹七十寿辰前不久，其因身体状况不佳而想停止讲座，并做了“最后的讲演”。随后，莱顿大学请求他继续开设讲座，并以年金作为酬谢。于是，洛伦兹继续开展“星期一午前讲座”，直到1925年停止。

1918年，洛伦兹成为须德海工程（Zuiderzeewerken）委员会主席，并为此项工程付出了大量的精力，亲自参与工程计算。该工程首座大坝始建于1920年，直到洛伦兹逝世多年后才完工。1919年至1926年，亨德里克·洛伦兹在荷兰政府教育部门工作，其间在1921年担任高等教育部部长。此外，洛伦兹还于1923年被选为国际文化协作委员会委员，并继亨利·柏格森（Henri Bergson）之后担任了该委员会主席。同时，他还是世界上许多科学院的外国院士和科学学会的外国会员。

人物逝世

1928年2月4日，洛伦兹在哈勒姆因病重去世，享年74岁。2月10日洛伦兹下葬当天，荷兰的电报、电话服务暂停3分钟，以示哀悼，政府大厦降了半旗，车辆易道，送葬路上两旁站满了目送他的人。出席洛伦兹葬礼的有荷兰王室、政府以及来自世界各国科学院的代表。伦敦皇家自然知识促进学会会长、实验物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford），普鲁士科学院代表、第二代职业理论物理学家的领导人爱因斯坦都在他的墓旁致了悼词。爱因斯坦感慨洛伦兹对他产生的影响，并评价洛伦兹为“我们时代最伟大、最高尚的人”。

科研成就

洛伦兹补充和发展了经典电磁理论，确立了经典电子论，提出了洛伦兹变换，为狭义相对论奠定了基础。此外，他在热力学、分子运动论、广义相对论以及热辐射理论等方面也有建树。

电磁理论

在洛伦兹之前，詹姆斯·麦克斯韦于1856年至1865年之间发表的三篇著作，奠定了电磁学和光学的现代理论，但也留下了不少尚待解决的问题，如动体的电动力学问题。洛伦兹将正负点电荷和除此之外的真空（或以太）中的电磁场看作同等重要的两种实体；电流就是电荷的流动，而场的变换也可产生位移电流，由此建立了麦克斯韦—洛伦兹方程组，或称微观麦克斯韦方程组。将微观麦克斯韦方程组应用在物体上，并作宏观平均后，洛伦兹得到了色散的第一个电磁理论。

经典电子论

在洛伦兹作学位论文之前，由于读过奥古斯丁·菲涅耳文集而深受其影响；后来受到赫尔曼·冯·亥姆霍兹的启发，他用詹姆斯·麦克斯韦的电磁理论来处理光在绝缘介质交界面上的反射和折射问题，作为他的博士论文。在论文的末尾，他提到把光的电磁理论与物质的分子理论结合起来的问题，这就是他后来创立电子论的根源。1892年，洛伦兹发表了经典电子论的第一篇论文《论光的反射和折射的理论》。在这篇论文中，洛伦兹明确地把连续的场和包含分立电子的物质完全分开，同时又为麦克斯韦方程组追加了一个洛伦兹力方程。于是，连续的场和分立的电子，就由洛伦兹力来联系。在此基础上，洛伦兹把当时所得到的电磁光学的各种结果，重新整理加以格式化，确立了经典电子论的基础。

洛伦兹力

洛伦兹力（Lorentz force）是指运动点电荷在磁场中受到的作用力。它是洛伦兹于1895年建立经典电子论时，作为基本假定而首先提出来的。运动点电荷所受的洛伦兹力同它的电量、点电荷的速度以及点电荷所在处的磁感应强度的关系为。洛伦兹力的大小为，式中为速度和磁感应强度之间的夹角。洛伦兹力不仅对于宏观点电荷成立，对于微观元电荷也同样成立。电流元在磁场中受到的安培力可以看成是洛伦兹力的宏观表现；导线在磁场中运动切割磁力线产生的动生电动势也可以看成是洛伦兹力的表现。洛伦兹力始终垂直于电荷的运动方向，所以它对电荷不作功，它不改变电荷的速率和动能，只能使电荷的运动路径偏转。在许多科学仪器和工业设备，例如谱仪、质谐仪、粒子加进器、电子显微镜、磁镜装置、霍耳器件中，洛伦兹力都有广泛的应用。

洛伦兹变换

1904年，洛伦兹证明，当把麦克斯韦的电磁场方程组用伽利略变换从一个参考系变换到另一个参考系时，真空中的光速将不是一个不变的量，从而导致对不同惯性系的观察者来说，麦克斯韦方程及各种电磁效应可能是不同的。为了解决这个问题，洛伦兹提出了另一种变换公式，即洛伦兹变换（Lorentz transformation）。用洛伦兹变换，将使麦克斯韦方程从一个惯性系变换到另一个惯性系时保持不变。后来，爱因斯坦把洛伦兹变换用于力学关系式，创立了狭义相对论。

运动介质中的电动力学

洛伦兹在电子论的基础上，发展了运动介质中的电动力学。按照电子论，物质的一切电磁性质将决定于电荷在静止以太中的分布和这些电荷在静止以太中的运动。当从一个惯性系统转换到另一个惯性系统时，洛伦兹的电动力学，都毫无保留地利用了伽利略变换式。不过洛伦兹否认了相对性原理，他的电动力学方程，对伽利略变换来说就不是不变的。可能存在一个唯一的参考系统，在洛伦兹的电动力学系统中光速等于，并且在这个系统中麦克斯韦方程是正确的；但在其它惯性系统中麦克斯韦方程是不正确的。

引力论

1900年，洛伦兹所写的一篇理论论文中提出，分别带有电荷的两个粒子之间的推斥力等于的推斥力，但绝对值略比的吸引力小一些。因此，如果有两个中性的静止粒子，每个粒子由一对亚单元组成，两粒子之间就有剩余牛顿引力。这个理论的形式由两组麦克斯韦方程和有质动力组成。洛伦兹的引力论与狭义相对论的要求是相容的。

广义相对论

1915年，洛伦兹和德国数学家戴维·希尔伯特用变分原理推导出广义相对论的数学方程，称为广义相对论数学形式的基础。1916年，阿尔伯特·爱因斯坦基于洛伦兹推出的广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果，因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。

热辐射与量子理论

在马克斯·普朗克（Planck）和瑞利-琼斯（Rayleigh-Jeans）于1900年提出辐射理论以后，洛伦兹开始思考如何攻克辐射定理问题。洛伦兹首先从电子论方面来解决这个问题，他按照基尔霍夫定律，发射率取决于吸收率，所以两者都必须来自同一个机制。因此，应当可以把这个机制同基尔霍夫函数和黑体辐射联系起来。洛伦兹利用电磁辐射能的密度关系，于1903年获得了，即瑞利-琼斯辐射定律。洛伦兹认为，辐射可能是物质中的自由电子运动的结果，可从金属导电模型推测其吸收和发射关系。在1906年罗马数学家大会上，洛伦兹又谈论黑体辐射的研究现状。1908年，他指出琼斯的公式是基于能量均分原理，在长波部分是成立的。1910年，洛伦兹指出空腔里有完全透明的、不发射的物质也能达成黑体辐射。

热力学与分子运动论

1878年1月，洛仑兹作就任莱顿大学教授职位的学术演讲，其论题是《物理学中的分子理论》。他用玻尔兹曼分子运动理论解释了许多物理现象及其定律；并强调了他的一个重要观念：对许多物理现象及其定律（包括电、磁、光等领域），更深入地理解有赖于对物质的分子、原子机制更全面的探究。同年，洛仑兹发表的另一篇论文论述了光与物质的相互作用，明确指出光是与物质中“带电的谐振微粒”作用，并相当肯定地把有质动力的普通物质与无质动力的以太加以区别。

主要论著

主要著作

主要论文

人才培养

亨德里克·洛伦兹显著的人格特点是对新思想表现一种不寻常的开放态度，谦虚而又严谨。他对理论物理学的影响不仅通过著作，也通过从世界各地慕名而来的青年物理学家的个人交往，就像孔夫子收徒一样，有教无类，任何人向他请教问题都会热情接待解答，阿尔伯特·爱因斯坦、埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）和其他理论工作者经常到莱顿去拜访洛伦兹，听取他对自己一些思想的意见。洛伦兹从不干扰别人的思想，与慕名而来的学友的关系靠和善而平淡的个性来维持。

1896年10月，洛伦兹的学生塞曼发现，在强磁场中钠光谱的D线有明显的增宽，即产生塞曼效应，证实了洛伦兹的预言。因此，两人共同获得1902年诺贝尔物理学奖。洛伦兹是爱因斯坦的导师，并希望爱因斯坦接替自己成为莱顿大学的教授。1911年2月，洛伦兹邀请阿尔伯特·爱因斯坦在莱顿大学做演讲。虽然爱因斯坦最终没有成为洛伦兹的继任者，但他于1920年在莱顿大学被特别任命为教授。

1912，洛伦兹离开莱顿大学到哈勒姆后，每周都会在莱顿大学举办“星期一午前讲座”，他的听众中有爱因斯坦、保罗·埃伦费斯特等人，直到1925年停止。此外，洛伦兹还特别注重教育问题以及国际科学合作方面。他在海牙创办了学校并在莱顿组织了首批免费图书馆与阅读室。他还是索尔维基金会的经理人之一，组建了国际物理研究所，并成立委员会向各国的研究者拨款。

荣誉奖项

人物评价

亨德里克·洛伦兹的成就对我产生了最伟大的影响，他是我们时代最伟大、最高尚的人。——爱因斯坦

洛伦兹天才的智慧照亮了从麦克斯韦理论通往当代物理学的道路，为物理科学打下了坚实的基础，提供了重要的方法。他将自己的人生雕琢成了一件精美的艺术品，没有忽视任何微小的细节。他善良仁厚、宽宏大量、充满正义，对人和事有极为敏感的洞察力，因而在任何领域都能成为领导者。所有人都愿意跟随着他，他对别人从不颐指气使，总是以服务大家为宗旨。他的成就和事迹将永远激励和启迪着后人。——爱因斯坦在洛伦兹墓前的讲话，首次发表于1953年版《我的世界观》

洛伦兹在历史上的重要作用，在于他把经典物理学推上了最后的高度，在物理学家们面前展示出物理学革命的必然性。——摘自王大明编的《永不遗忘的天才经典物理大师》

如果我们年轻人曾知道洛伦兹简直像一位伟大的泰斗的话，我们对他的崇敬和景仰就早已别具一格，他的人品比我在一生历程中所遇到的所有其他人，都更有意义。正如他掌握物理学和数学结构那样，他同样又在掌握他自己。——爱因斯坦

洛伦兹终其一生都在细致入微地进行着可谓艺术的工作。无时不刻的和善、慷慨、公正以及对人和环境深刻的直觉让他无论走到哪里，都能执一方之牛耳。所有人都能感受到他并不是去管制人们，而是为他们服务，因而都很乐意跟随他。——摘译自Собрание научных трудов 4

人物轶事

丹麦数学家、物理学家卢兹维·瓦伦汀·洛伦茨（Ludvig Valentin Lorenz）作为一位以数学为主业的科学家，他最著名的工作却是物理上的用微分方程解释力场的传递，即电磁波传播速度为光速。而他在解释这一物理规律的时候，引入了洛伦茨规范（Lorenz Gauge）。而比他年轻的洛伦兹，却也同时注意到了相似的问题。更为巧合的是，两人不约而同地在同一期学术期刊中发表了关于同一个话题的文章。但是，洛伦兹当时并未明确提出这一规范。由于洛伦兹是诺贝尔物理学奖得主，再加上他对电磁学发展的贡献，因此人们一度误认为洛伦茨规范是由荷兰人提出的。直到20世纪50年代末，哥本哈根（København）的学者们仔细地翻阅文献，才确认了提出这个重要概念的是丹麦的洛伦茨。

后世纪念

姓氏纪念

人物传记

2019年10月11日，阿姆斯特丹大学物理学史名誉教授安妮·科克斯（Anne Kox）撰写的关于洛伦兹的传记：《活生生的艺术作品》（Een levend kunstwerk），由巴兰斯出版社出版。在这本传记中，作者安妮·科克斯深入研究了洛伦兹的生活和工作，同时，还描述了洛伦兹在在科学中的独特地位和重要思想。

2019年10月25日，由名誉教授德克·范·代尔夫特（Dirk van Delft）和弗里茨·贝伦斯（Frits Berends）共同著作的关于洛伦兹的长篇传记《洛伦兹：著名物理学家，天生的调解人》（Lorentz: Gevierd fysicus、geboren verzoener），由普罗米修斯出版社出版。这本传记探讨了洛伦兹与阿尔伯特·爱因斯坦和马克斯·普朗克的关系，并揭示了他的个人生活，以及详细介绍了洛伦兹作为调解人的角色。