Сила Лоренца
В этом году исполнилось 170 лет со дня рождения великого голландского учёного Хендрика Антона Лоренца (18 июля 1853 - 4 февраля 1928), многим известного ещё со средней школы, где на уроках физики изучают силу Лоренца. Работая в области электродинамики и оптики, он продолжил дело основателя электродинамики Джеймса Максвелла.
Биография Лоренца, посвятившего науке целых полвека, хорошо известна и подробно отражена, например, в Википедии. Мы же в нашей статье расскажем о том непростом периоде, когда классическая физика не без труда вбирала в себя специальную теорию относительности и квантовую физику, а Лоренц выполнял роль внимательного и справедливого арбитра в спорах учёных, пытавшихся выяснить истину.
В 1870 году Лоренц поступил в старейший в Голландии Лейденский университет. Здесь он посещал лекции по физике Питера Рейке и по математике Питера ван Гера, читавшего курс аналитической геометрии. Молодой человек тогда близко сошёлся с профессором астрономии Фредериком Кайзером.
Во время учёбы в университете Хендрик Лоренц познакомился с основополагающими работами Максвелла и не без труда смог разобраться в них, сверяясь по публикациям Германа Гельмгольца, Огюстена Френеля и Майкла Фарадея. В ноябре 1871 года Лоренц с отличием сдал экзамены на степень магистра и, решив готовиться к докторской защите самостоятельно, в феврале 1872-го покинул Лейден. Вернувшись в родной город Арнем, он стал учителем математики в вечерней школе и в школе Тиммера, где когда-то учился сам. Эта работа оставляла ему достаточно свободного времени, чтобы заниматься наукой.
Основным направлением исследований для Лоренца в то время была электромагнитная теория Максвелла. Кроме того, в школьной лаборатории он ставил оптические и электрические опыты и даже безуспешно пытался доказать существование электромагнитных волн, изучая разряды электричества, накопленного в лейденской банке. Впоследствии Лоренц говорил о Максвелле так: «Его трактат об электричестве и магнетизме произвёл на меня, пожалуй, одно из самых сильных впечатлений. Толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзошло всё, что я до тех пор знал». Но книга Максвелла была не из лёгких! Написанная в годы, когда идеи учёного ещё не получили окончательной формулировки, она не представляла законченного целого и не давала ответов на многие вопросы.
На рубеже веков Лоренц продолжал разработку классических концепций эфира. Развивая теорию эфира Огюстена Жана Френеля с учётом уравнений Максвелла и электронной теории Рудольфа Клаузиуса, между 1892 и 1906 годами Лоренц и Анри Пуанкаре ввели строгое разделение между веществом и эфиром. В их модели невесомый эфир полностью неподвижен и независим от имеющей вес. Как позже сказал немецкий физик Макс Борн, для учёных того времени было естественно идентифицировать покоящийся эфир Лоренца с абсолютным пространством Исаака Ньютона. Состояние этого эфира может быть описано электрическим полем E и магнитным полем H, взаимодействующими с зарядами электронов. Таким образом, старые механистические модели эфира были заменены электромагнитной.
Появление теории относительности и первых квантовых идей поставило под сомнение справедливость классической физики. Лоренц пытался найти выход из тупика. Он предположил, что электромагнитное поле эфира проявляется как посредник между электронами, а изменения в этом поле не могут распространяться быстрее скорости света.
Лоренцу удалось объяснить эффект Зеемана (расщепление линий атомных спектров в магнитном поле), основываясь на собственной теории. Она включает преобразования Лоренца для пространства и времени и, в частности, утверждает, что движущийся по отношению к эфиру наблюдатель может использовать те же уравнения электродинамики, что и наблюдатель в стационарной эфирной системе, поэтому оба засвидетельствуют одно и то же. В 1902 году Лоренц получил за свою теорию Нобелевскую премию по физике.
Несмотря на приверженность идеалам классической физики и осторожный подход к новым концепциям, Лоренц ясно сознавал несовершенство старых научных представлений и необходимость вводить новые. Осенью 1911 года в Брюсселе состоялся первый Сольвеевский конгресс, собравший крупнейших европейских физиков для обсуждения квантовой теории излучения. Лоренца избрали председателем съезда, учитывая его высокий авторитет, знание нескольких языков и умение направлять дискуссии в правильное русло. Впоследствии коллеги признали его заслуги в проведении пяти конгрессов. Так, Альберт Эйнштейн в одном из писем назвал Лоренца «чудом интеллигентности и такта». А вот что отметил Макс Борн: «Удивительное сочетание глубокой доброты и иронического превосходства дополняло его речь - ясная, мягкая и убедительная, но вместе с тем и слегка ироничная. Поведение Лоренца было покоряюще любезным...».
При разработке общей теории относительности Эйнштейн настаивал на отсутствии абсолютного пространства. «Движение объектов можно рассматривать только по отношению друг к другу», - говорят формулы Эйнштейна. Сегодня это положение пасует перед фактами. Например, установлено, что часы, точно отстроенные на Земле, на борту Международной космической станции идут медленнее и потому требуют периодической коррекции. Однако если считать, что все наблюдатели равнозначны, тогда космонавт обнаружит противоположный эффект - часы должны идти медленнее на Земле. В системе глобального позиционирования применяется релятивистская коррекция времени, связанная с движением спутников.
Будучи реалистом до мозга костей, Эйнштейн был убеждён, что абсолютное пространство имеет право на существование только в том случае, если есть возможность его тем или иным способом измерить. Увы, во времена Лоренца и Эйнштейна не существовало ни Международной космической станции, ни GPS, не было и сверхточных часов, поэтому сообщество физиков не смогло возразить Эйнштейну. Но он сам чувствовал подвох.
В 1915 году Эйнштейн в статье по общей теории относительности описывал мысленный эксперимент с двумя небесными телами, находящимися в космосе рядом друг с другом. Одно из них вращается. Для наблюдателя, находящегося на первом объекте, вращаться будет второй, а для находящегося на втором - первый. Принцип относительности говорит, что оба варианта равнозначны. Но один наблюдатель почувствует центробежную силу и увидит, что звёзды на небосводе движутся. Само космическое тело может под воздействием центробежной силы изменить свою форму. То есть никакой равнозначности здесь нет. Эйнштейн предположил, что ответ на эту загадку связан со звёздами и с их гравитационным полем. Образно говоря, вместо левой части уравнения он подправил правую.
Давайте рассмотрим эксперимент попроще. Представьте электродвигатель, в котором ротор вращается с настолько большой скоростью, что конструкция вот-вот разлетится на куски. Если все наблюдатели равнозначны, тогда с точки зрения фиксика, сидящего на статоре, должен развалиться ротор. А с точки зрения фиксика на роторе - статор, который слишком быстро вращается вокруг ротора. Но это же чепуха и гравитационные поля здесь ни при чём! Видимо, без понятия абсолютного пространства всё же не обойтись.
В качестве измерителей его параметров можно рассматривать воздействие силы (она говорит об ускорении тела относительно абсолютного пространства) и замедление/ускорение времени (оно говорит о скорости). Далее мы отошлём читателя к статье «Вселенские колебания», опубликованной в августе (смотрите, щёлкнув здесь). Из неё вы узнаете, как сегодня учёные развивают идеи Максвелла и Лоренца.
Читайте другие наши материалы
