智力大解放(2 / 3)

洛倫茲在這篇論文中推導出兩個公式,其中一個反映了光的折射率和介質的密度的關係,它是:

式中n為折射率,d是一個與介質電粒子密度成正比的量,R為折射常數,與介質的溫度和壓力無關。丹麥物理學家洛倫茨(L.V.Lorenz)早在1867年用光學的方法也推導出這個關係。現在我們將式(1)統稱為洛倫茲-洛倫茨公式。

另一個公式反映了介質折射率與波長的關係,它是

式中λ為波長,A、B、C、D均為常數。

洛倫茲1878年的論文的意義在於,它將以太(場)和物質(極化)進一步區分開來,同時又用粒子的振蕩將二者聯係在一起,即在麥克斯韋的無源電磁場中引入了“源”——電子,解釋了光的色散。洛倫茲電子論的萌芽就在這種融合場論和“源”論的嚐試中產生出來了。

1881年,洛倫茲與他天文學老師開塞的侄女阿利她·開塞(AlettaKaiser)結婚。1885年,他的大女兒盧貝她(G.Luber-ta)出世,後來他又生了一女一男。從1878年到1892年的15年間,他平均每年發表一篇論文,不算富產。此間,他主要從事氣體動能學理論研究,這在他的曆史上不占重要位置。他善於社交,為人幽默、健談,給人一種內在的和諧之感。據他大女兒回憶,洛倫茲經常抽著雪茄坐在書桌前,但從不像從事繁重腦力勞動的樣子。這是他內心和外界保持高度平衡的表現。

1892年至1904年間,是洛倫茲一生最富產又最有價值的年代。他在這段時間內創立了電子論,將經典電磁學發展到了最後的高度,為相對論的誕生創造了條件。他對理論物理學的影響,不僅是用他的理論,而且還通過對青年一代物理學家的培養來實現。他十分樂意同前來萊頓拜訪他的青年人交談,他的思想是有影響力的,但他從不幹涉青年人所選擇的方向,也不鼓勵什麼學派。他與青年人總保持著親密而又崇高的感情。愛因斯坦就是他們當中的一位。愛因斯坦說過,在他一生中洛倫茲對他的影響是最大的。

1892年,洛倫茲發表了劃時代的論文——《麥克斯韋電磁學理論及其對運動物體的應用》,奠定了電子論的基礎。麥克斯韋在1864年提出的電磁場方程組共有20個分量方程(合為8個矢量方程),場量除了有E、H、D和B外,還有靜電勢j和矢量勢A(即麥克斯韋的電磁場動量)。雖然麥克斯韋的整個理論是建立在電磁作用以有限速度傳播的假設的基礎上的,但是他的方程組中仍有與此不相協調的地方,例如在方程

中,電場強度E由矢量勢對時間的微商和靜電勢在空間的梯度兩項構成,等式右邊第一項表明矢量勢是在時間中變化的,而第二項似乎說靜電勢的傳播不需要時間。鑒於這種不協調性,赫茲在1884年和亥維賽(O.Heaviside)在1885年先後對麥克斯韋方程組進行了簡化,取消了A和j,化簡為四個較為對稱的矢量方程(與現在教科書上的麥克斯韋方程組的形式相似)。

洛倫茲認為赫茲鏟除原麥克斯韋方程組中的勢是完全必要的,但是簡化後的方程還不能解釋電磁場中的電荷運動。他在1892年的論文中結合麥克斯韋的電磁場理論和克勞修斯的電動力學,推導出電荷在場中受力的公式,即著名的洛倫茲力公式:

在洛倫茲電子論中,以太和物質在力學上是互相獨立的,而在電磁學中是互相聯係的,聯係它們的“橋梁”是電子(洛倫茲在這篇論文中用電粒子,在1895年改用離子,在1899年後才用電子一詞)。同時,電子的運動又是一切電磁場的根源。這種思想比麥克斯韋更深入了一步,因為麥克斯韋從來不問及電磁場是怎樣產生的,在他的理論中電磁波總是來自無窮遠處。洛倫茲用電子論解釋了光的反射和折射、光的色散、以及金屬對光的吸收。這都是麥克斯韋電磁場理論沒有解決的問題。