הנדריק לורנץ
הנדריק אנטון לורנץ (18 ביולי 1853 – 4 בפברואר 1928) היה פיזיקאי תיאורטי הולנדי שחלק את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1902 עם פיטר זימן על גילויים והסברם התיאורטי של אפקט זימן. הוא גזר את טרנספורמציית לורנץ של תורת היחסות הפרטית, כמו גם את כוח לורנץ, המתאר את הכוח הפועל על חלקיק טעון בשדה אלקטרומגנטי. הוא היה אחראי גם למודל המתנד של לורנץ, מודל קלאסי המשמש לתיאור נפיצה אנומלית הנצפית בחומרים דיאלקטריים כאשר תדר ההנעה של השדה החשמלי קרוב לתדר התהודה של החומר, מה שמוביל למקדמי שבירה חריגים.
לורנץ קיבל אותות כבוד ועיטורים רבים אחרים, כולל כהונה כיו"ר הוועדה הבינלאומית לשיתוף פעולה אינטלקטואלי, הגוף שקדם לאונסק"ו, משנת 1925 ועד מותו בשנת 1928.
חיים מוקדמים וחינוך
הנדריק אנטון לורנץ נולד ב-18 ביולי 1853 בארנהם שבהולנד, בנם של חריט פרדריק לורנץ (1823–1893) וחרטרואידה ואן גינקל (1826–1861). בשנת 1862, לאחר מות אמו, נישא אביו ללובארטה הופקס. למרות שחונך כפרוטסטנטי, הוא היה הוגה חופשי בענייני דת ונהג לפקוד באופן קבוע את המיסה הקתולית בכנסייה הצרפתית המקומית שלו.
בין השנים 1866–1869 למד לורנץ בבית הספר התיכון הציבורי (Hogere Burgerschool) בארנהם, סוג חדש של בית ספר תיכון שהוקם לאחרונה על ידי יוהאן תורבקה. הישגיו בבית הספר היו מופתיים; הוא הצטיין לא רק במדעי הטבע ובמתמטיקה, אלא גם באנגלית, צרפתית וגרמנית. בשנת 1870 עבר את הבחינות בשפות קלאסיות, שהיו דרישת קדם לקבלה לאוניברסיטה.
בשנת 1870 החל לורנץ את לימודיו באוניברסיטת ליידן, שם הושפע רבות מהוראתו של פרופסור לאסטרונומיה פרדריק קייזר; השפעתו היא שהובילה את לורנץ להפוך לפיזיקאי. בשנה שלאחר מכן קיבל תואר ראשון במתמטיקה ובפיזיקה. בשנת 1872 חזר לארנהם כדי לעבוד כמורה בבית ספר ערב, תוך שהוא ממשיך את לימודיו בליידן. בשנת 1875 קיבל את הדוקטורט שלו בהנחיית פיטר רייקה עם תזה על השתקפות ושבירה של אור, שבה שיכלל את התורה האלקטרומגנטית של ג'יימס קלרק מקסוול.
קריירה
בשנת 1878 מונה לורנץ לקתדרה לפיזיקה תיאורטית שהוקמה זה עתה באוניברסיטת ליידן; המשרה הוצעה בתחילה ליוהאנס ואן דר ואלס, אך הוא קיבל זה עתה משרת פרופסור באוניברסיטת אמסטרדם. ב-25 בינואר 1878 נשא את הרצאת הבכורה שלו שכותרתה "De moleculaire theoriën in de natuurkunde" (התיאוריות המולקולריות בפיזיקה).
במהלך 20 שנותיו הראשונות בליידן, התעניין לורנץ בעיקר בתורה האלקטרומגנטית של חשמל, מגנטיות ואור. לאחר מכן הרחיב את מחקרו לתחום רחב הרבה יותר, תוך שהוא ממשיך להתמקד בפיזיקה תיאורטית. הוא תרם תרומות משמעותיות לתחומים שנעו מהידרודינמיקה ועד תורת היחסות הכללית. תרומותיו החשובות ביותר היו בתחומי האלקטרומגנטיות, תורת האלקטרונים ותורת היחסות.
בשנת 1910 החליט לורנץ לארגן מחדש את הקריירה שלו; חובות ההוראה והניהול שלו באוניברסיטת ליידן גזלו זמן רב מדי והותירו לו מעט זמן למחקר. הוא ביקש בתחילה מאלברט איינשטיין לרשת אותו כפרופסור לפיזיקה תיאורטית בליידן. עם זאת, איינשטיין לא קיבל את ההצעה, שכן הוא קיבל זה עתה משרה ב-ETH ציריך והמחשבה על כניסה לנעליו של לורנץ עוררה בו רעד. בסופו של דבר הוא בחר בפאול ארנפסט כיורשו.
בשנת 1912 התפטר לורנץ מהקתדרה שלו באוניברסיטת ליידן כדי להפוך לאוצר הקבינט הפיזיקלי במוזיאון טיילרס בהארלם. הוא המשיך ללמד בליידן כפרופסור יוצא דופן, כשהוא מעביר את "הרצאות יום שני בבוקר" המפורסמות שלו על התפתחויות חדשות בפיזיקה תיאורטית.
מחקר
### אלקטרודינמיקה ותורת היחסות
בשנים 1892 ו-1895 עבד לורנץ על תיאור תופעות אלקטרומגנטיות (התפשטות האור) במערכות ייחוס הנעות ביחס לאתר המאיר המשוער. הוא גילה שניתן לפשט את המעבר ממערכת ייחוס אחת לאחרת באמצעות משתנה זמן חדש שכינה "זמן מקומי", שתלוי בזמן האוניברסלי ובמיקום הנבחן. אף שלא נתן פרשנות מפורטת למשמעות הפיזיקלית של הזמן המקומי, בעזרתו הצליח להסביר את סטיית האור ואת תוצאת ניסוי פיזו. בשנים 1900 ו-1904 כינה אנרי פואנקרה את הזמן המקומי "הרעיון הגאוני ביותר" של לורנץ והמחיש זאת על ידי הראיה ששעונים במערכות נעות מסונכרנים על ידי החלפת אותות אור המניחים לנוע באותה מהירות נגד ועם תנועת המערכת (ראו סנכרון איינשטיין ויחסיות הסימולטניות). בשנת 1892, בניסיון להסביר את ניסוי מייקלסון-מורלי, הוא הציע גם שגופים נעים מתכווצים בכיוון התנועה.
בשנת 1899 ושוב ב-1904, הוסיף לורנץ התארכות זמן לטרנספורמציות שלו ופרסם את מה שפואנקרה כינה בשנת 1905 טרנספורמציות לורנץ.
ככל הנראה לא היה ידוע ללורנץ שג'וזף לרמור השתמש בטרנספורמציות זהות לתיאור אלקטרונים מסלוליים בשנת 1897. המשוואות של לרמור ושל לורנץ נראות שונות במקצת, אך הן שקולות אלגברית לאלו שהוצגו על ידי פואנקרה ואיינשטיין ב-1905. מאמרו של לורנץ מ-1904 כולל את הניסוח הקו-וריאנטי של האלקטרודינמיקה, שבו תופעות אלקטרודינמיות במערכות ייחוס שונות מתוארות על ידי משוואות זהות עם תכונות טרנספורמציה מוגדרות היטב. המאמר מכיר בבירור בחשיבותו של ניסוח זה, דהיינו שתוצאות ניסויים אלקטרודינמיים אינן תלויות בתנועה היחסית של מערכת הייחוס. המאמר מ-1904 כולל דיון מפורט על העלייה במסה האינרציאלית של עצמים נעים במהירות בניסיון עקר לגרום לתנע להיראות בדיוק כמו תנע ניוטוני; זה היה גם ניסיון להסביר את התכווצות האורך כהצטברות של "חומר" על מסה שגורמת לה להאט ולהתכווץ.
### אפקט זימן
לורנץ הניח תיאורטית שאטומים מורכבים מחלקיקים טעונים, והציע שתנודות של חלקיקים טעונים אלו הן מקור האור. עמיתו ותלמידו לשעבר, פיטר זימן, גילה את אפקט זימן בשנת 1896, ולורנץ סיפק את הפרשנות התיאורטית שלו. עבודתם המשותפת זיכתה אותם בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1902.
### תורת היחסות הפרטית
בשנת 1905 השתמש איינשטיין במושגים, בכלים המתמטיים ובתוצאות שלורנץ דן בהם כדי לכתוב את מאמרו שכותרתו "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" (על האלקטרודינמיקה של גופים נעים), הידוע כיום כתורת היחסות הפרטית. נקודת המבט הייחודית של איינשטיין על הנושא לא הובנה באופן נרחב בתחילה, מה שגרם לפיזיקאים מסוימים להתייחס לתיאוריה בבלבול כאל תורת לורנץ-איינשטיין.
בשנת 1910 פורסמו הרצאותיו של לורנץ משנת 1906 באוניברסיטת קולומביה תחת הכותרת "תורת האלקטרונים". לורנץ כיסה את כל תורת האלקטרונים שלו, כולל עבודתו ועבודתו של איינשטיין על תורת היחסות. בעבודה זו הוא דיבר בחיוב על התיאוריה של איינשטיין:
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →> יהיה ברור ממה שנאמר שהתרשמויותיהם של שני הצופים A0 ו-A יהיו דומות מכל הבחינות. יהיה בלתי אפשרי להחליט מי מהם נע או עומד במקום ביחס לאתר, ולא תהיה סיבה להעדיף את הזמנים והאורכים שנמדדו על ידי האחד על פני אלו שנקבעו על ידי האחר, וגם לא לומר שאחד מהם מחזיק בזמנים ה"אמיתיים" או באורכים ה"אמיתיים". זו נקודה שאיינשטיין הדגיש במיוחד, בתיאוריה שבה הוא מתחיל ממה שהוא מכנה עקרון היחסות. איני יכול לדבר כאן על היישומים המעניינים הרבים שאיינשטיין עשה מעיקרון זה. תוצאותיו בנוגע לתופעות אלקטרומגנטיות ואופטיות מסכימות בעיקרן עם אלו שהשגנו בעמודים הקודמים, כשההבדל העיקרי הוא שאיינשטיין פשוט מניח את מה שאנו גזרנו, בקושי מסוים ולא בצורה מספקת לחלוטין, מהמשוואות היסודיות של השדה האלקטרומגנטי. בכך, הוא בהחלט יכול לקחת קרדיט על כך שגרם לנו לראות בתוצאה השלילית של ניסויים כמו אלו של מייקלסון, ריילי וברייס, לא פיצוי מקרי של השפעות מנוגדות, אלא ביטוי של עיקרון כללי ויסודי. יהיה זה לא הוגן לא להוסיף שמלבד התעוזה המרתקת של נקודת המוצא שלה, לתיאוריה של איינשטיין יש יתרון בולט נוסף על פני שלי. בעוד שלא הצלחתי להשיג עבור המשוואות המתייחסות לצירים נעים בדיוק את אותה צורה כמו לאלו החלות על מערכת נייחת, איינשטיין השיג זאת באמצעות מערכת משתנים חדשים השונים מעט מאלו שהצגתי.
אף שלורנץ עדיין טען שקיים אתר (בלתי ניתן לגילוי) שבו שעונים במנוחה מצביעים על "הזמן האמיתי":
> 1909: ובכל זאת, אני חושב שניתן לטעון משהו לטובת הצורה שבה הצגתי את התיאוריה. איני יכול שלא לראות באתר, שיכול להיות מושב של שדה אלקטרומגנטי עם האנרגיה והתנודות שלו, כבעל דרגה מסוימת של ממשות, עד כמה שהוא שונה מכל חומר רגיל. 1910: בהנחה שיש אתר, אזי תחת כל המערכות x, y, z, t, אחת מועדפת על ידי העובדה שצירי הקואורדינטות כמו גם השעונים נחים באתר. אם מחברים לזה את הרעיון (שאותו אנטוש רק בחוסר רצון) שמרחב וזמן הם דברים שונים לחלוטין, ושיש "זמן אמיתי" (סימולטניות תהיה אפוא בלתי תלויה במיקום, בהסכמה עם הנסיבות שיכול להיות לנו רעיון של מהירויות גדולות לאין שיעור), אזי ניתן לראות בקלות שזמן אמיתי זה צריך להיות מצוין על ידי שעונים במנוחה באתר. עם זאת, אם לעקרון היחסות הייתה תקפות כללית בטבע, לא היינו במצב לקבוע האם מערכת הייחוס שבה השתמשנו זה עתה היא המועדפת. אז מגיעים לאותן תוצאות, כאילו (בעקבות איינשטיין ומינקובסקי) מכחישים את קיומו של האתר ושל זמן אמיתי, ורואים את כל מערכות הייחוס כבעלות תוקף שווה. באיזו משתי דרכי החשיבה הללו הולכים, ניתן בוודאי להשאיר ליחיד.
לורנץ נתן קרדיט גם לתרומותיו של פואנקרה לתורת היחסות.
> אכן, עבור חלק מהכמויות הפיזיקליות הנכנסות לנוסחאות, לא ציינתי את הטרנספורמציה המתאימה ביותר. זה נעשה על ידי פואנקרה ואז על ידי מר איינשטיין ומינקובסקי. לא הצלחתי להשיג את האינווריאנטיות המדויקת של המשוואות. פואנקרה, לעומת זאת, השיג אינווריאנטיות מושלמת של משוואות האלקטרודינמיקה, והוא ניסח את "פוסטולט היחסות", מונחים שהוא היה הראשון להשתמש בהם. נוסיף שעל ידי תיקון הפגמים בעבודתי הוא מעולם לא נזף בי עליהם.
### תורת היחסות הכללית
לורנץ היה אחד המדענים הבודדים שתמכו בחיפושו של איינשטיין אחר תורת היחסות הכללית מההתחלה – הוא כתב מספר מאמרי מחקר ודן עם איינשטיין באופן אישי ובמכתבים. לדוגמה, הוא ניסה לשלב את הפורמליזם של איינשטיין עם עקרון המילטון (1915), ולנסח אותו מחדש בצורה חופשית מקואורדינטות (1916). לורנץ כתב בשנת 1919:
> ליקוי החמה המלא ב-29 במאי הביא לאישור בולט של התיאוריה החדשה של כוח המשיכה האוניברסלי שפיתח אלברט איינשטיין, ובכך חיזק את השכנוע שהגדרת תיאוריה זו היא אחד הצעדים החשובים ביותר שננקטו אי פעם בתחום מדעי הטבע.
### מכניקת הקוונטים
לורנץ העביר סדרת הרצאות בסתיו 1926 באוניברסיטת קורנל על מכניקת הקוונטים החדשה; בהן הציג את מכניקת הגלים של ארווין שרדינגר.
עבודה אזרחית
לאחר מלחמת העולם הראשונה, לורנץ היה אחד הכוחות המניעים מאחורי הקמת ה-Wetenschappelijke Commissie van Advies en Onderzoek in het Belang van Volkswelvaart en Weerbaarheid, ועדה שנועדה לרתום את הפוטנציאל המדעי המאוחד באקדמיה המלכותית ההולנדית לאמנויות ולמדעים (KNAW) לפתרון בעיות אזרחיות כגון מחסור במזון שנגרם כתוצאה מהמלחמה. לורנץ מונה ליו"ר הוועדה. עם זאת, למרות המאמצים הטובים של רבים מהמשתתפים, הוועדה קצרה הצלחה מועטה. היוצא מן הכלל היחיד הוא שהיא הובילה בסופו של דבר להקמת TNO, הארגון ההולנדי למחקר מדעי יישומי.
לורנץ התבקש גם על ידי ממשלת הולנד לעמוד בראש ועדה שתחשב כמה מההשפעות של סכר בקרת השיטפונות המוצע Afsluitdijk (סכר הסגירה) על מפלסי המים בים ואדן. הנדסה הידראולית הייתה בעיקרה מדע אמפירי באותה תקופה, אך הפרעת זרימת הגאות שנגרמה על ידי ה-Afsluitdijk הייתה חסרת תקדים עד כדי כך שלא ניתן היה לסמוך על הכללים האמפיריים. במקור, לורנץ היה אמור לקבל רק תפקיד מתאם בוועדה, אך מהר מאוד התברר שלורנץ היה הפיזיקאי היחיד שהיה לו אחיזה בסיסית בבעיה. בתקופה שבין 1918 ל-1926 השקיע לורנץ חלק גדול מזמנו בבעיה. לורנץ הציע להתחיל ממשוואות התנועה ההידרודינמיות הבסיסיות ולפתור את הבעיה באופן נומרי. זה היה אפשרי עבור "מחשב אנושי", בגלל האופי הקוואזי-חד-ממדי של זרימת המים בים ואדן. ה-Afsluitdijk הושלם בשנת 1932, והתחזיות של לורנץ והוועדה שלו התבררו כמדויקות להפליא. אחת משתי מערכות המנעולים ב-Afsluitdijk נקראה על שמו.
משפחה
בשנת 1881 נישא לורנץ לאלטה קתרינה קייזר, עמה נולדו לו שתי בנות ובן אחד. הבת הבכורה, חרטרואידה, הייתה פיזיקאית וסטודנטית לדוקטורט של אביה. היא נישאה לוואנדר דה האס, שהיה מנהל מעבדת קמרלינג אונס באוניברסיטת ליידן.
מוות והלוויה
בינואר 1928 חלה לורנץ קשות, ומת זמן קצר לאחר מכן ב-4 בפברואר. הכבוד שבו הוחזק בהולנד ניכר מתיאור הלווייתו על ידי אוון ריצ'רדסון:
> ההלוויה התקיימה בהארלם בצהרי יום שישי, 10 בפברואר. עם צלצול השעה שתים-עשרה הושבתו שירותי הטלגרף והטלפון הממלכתיים של הולנד למשך שלוש דקות כמחווה נערצת לאדם הגדול ביותר שהולנד הפיקה בזמננו. השתתפו בה עמיתים רבים ופיזיקאים מכובדים ממדינות זרות. הנשיא, סר ארנסט רתרפורד, ייצג את החברה המלכותית ונשא הספד מעריך ליד הקבר.
— או. וו. ריצ'רדסון
צילומי סרט ייחודיים משנת 1928 של תהלוכת ההלוויה עם כרכרה מובילה ואחריה עשרה אבלים, ואחריה כרכרה עם הארון, ואחריה בתורה לפחות ארבע כרכרות נוספות, העוברות על פני קהל ב-Grote Markt, הארלם, מה-Zijlstraat ל-Smedestraat, ואז חזרה דרך ה-Grote Houtstraat לכיוון ה-Barteljorisstraat, בדרך ל-"Algemene Begraafplaats" ב-Kleverlaan (בית הקברות הצפוני של הארלם), עברו דיגיטציה ביוטיוב. בין היתר, בהלוויה השתתפו אלברט איינשטיין ומארי קירי.
הכרה
### חברויות
### פרסים
### עיטורים
הוקרה
על פי הביוגרפיה שלו שפורסמה על ידי קרן נובל, "ניתן לומר שלורנץ נחשב על ידי כל הפיזיקאים התיאורטיים לרוח המובילה בעולם, שהשלים את מה שנותר לא גמור על ידי קודמיו והכין את הקרקע לקבלה הפורייה של הרעיונות החדשים המבוססים על תורת הקוונטים."
לורנץ נחשב לאחד הנציגים העיקריים של "תור הזהב ההולנדי השני", תקופה של כמה עשורים סביב 1900 שבה פרחו מדעי הטבע בהולנד.
ריצ'רדסון מתאר את לורנץ כ:
> אדם בעל כוחות אינטלקטואליים יוצאי דופן. למרות שהיה שקוע בחקירתו שלו באותו רגע, תמיד נראה היה שיש לו בהישג יד מיידי את הסתעפויותיה לכל פינה ביקום. הבהירות הייחודית של כתביו מספקת השתקפות בולטת לכוחותיו הנפלאים בהקשר זה. הוא החזיק והפעיל בהצלחה את החיוניות המנטלית הדרושה כדי לעקוב אחר משחק הגומלין של הדיון, את התובנה הנדרשת כדי לחלץ את אותן אמירות המאירות את הקשיים האמיתיים, ואת החוכמה להוביל את הדיון בערוצים פוריים, והוא עשה זאת במיומנות כזו שהתהליך היה בקושי מורגש.
מ. ג'. קליין (1967) כתב על המוניטין של לורנץ בשנות ה-20:
> במשך שנים רבות פיזיקאים תמיד היו להוטים "לשמוע מה לורנץ יגיד על זה" כאשר הוצעה תיאוריה חדשה, ואפילו בגיל שבעים ושתיים, הוא לא אכזב אותם.
איינשטיין כתב על לורנץ:
> 1928: המשמעות העצומה של עבודתו הייתה בכך שהיא מהווה את הבסיס לתורת האטומים ולתורות היחסות הכללית והפרטית. התורה הפרטית הייתה פירוט רב יותר של אותם מושגים שנמצאים במחקרו של לורנץ משנת 1895. 1953: עבורי באופן אישי הוא היה יותר מכל האחרים שפגשתי במסע חיי.
פואנקרה (1902) אמר על תורת האלקטרודינמיקה של לורנץ:
> התיאוריה המשביעה ביותר היא זו של לורנץ; זו ללא ספק התיאוריה שמסבירה בצורה הטובה ביותר את העובדות הידועות, זו שמאירה את המספר הגדול ביותר של קשרים ידועים. בזכות לורנץ התוצאות של פיזו על האופטיקה של גופים נעים, חוקי הנפיצה הנורמלית והאנומלית והבליעה קשורים זה לזה. תראו את הקלות שבה תופעת זימן החדשה מצאה את מקומה, ואף סייעה לסיווג הסיבוב המגנטי של פאראדיי, שערער על כל מאמציו של מקסוול.
פול לנגבן (1911) אמר על לורנץ:
> זו תהיה תביעת התהילה העיקרית של לורנץ שהוא הדגים שהמשוואות היסודיות של האלקטרומגנטיות מאפשרות גם קבוצת טרנספורמציות המאפשרת להן לחזור לאותה צורה כאשר מתבצע מעבר ממערכת ייחוס אחת לאחרת. קבוצה זו שונה מיסודה מהקבוצה לעיל בנוגע לטרנספורמציות של מרחב וזמן.
לורנץ היה יו"ר ועידת סולווה הראשונה שנערכה בבריסל בסתיו 1911. זמן קצר לאחר הוועידה, כתב פואנקרה מאמר על פיזיקת קוונטים שנותן אינדיקציה למעמדו של לורנץ באותה עת:
> בכל רגע ניתן היה לשמוע את עשרים הפיזיקאים ממדינות שונות מדברים על [מכניקת הקוונטים] שאותה הם השוו למכניקה הישנה. עכשיו מה הייתה המכניקה הישנה? האם זו הייתה זו של ניוטון, זו שעדיין שלטה ללא עוררין בסוף המאה התשע-עשרה? לא, זו הייתה המכניקה של לורנץ, זו העוסקת בעקרון היחסות; זו ש, בקושי לפני חמש שנים, נראתה כשיא התעוזה.