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二位同名自然科學家:1 物理學家 2 混沌理論之父

1 洛倫茲 -物理學家

生平簡介
洛倫茲Hendrik Antoon Lorentz1853年7月18日 --- 1928年2月4日洛倫茲 Hendrik Antoon Lorentz1853年7月18日 --- 1928年2月4日

洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz,1853年7月18日 --- 1928年2月4日.), 是世界著名的物理學家、數學家.1853年7月18日生於荷蘭阿納姆。並在該地上小學和中學,成績優異,少年時就對物理學感興趣,同時還廣泛地閱讀歷史和小說,並且熟練地掌握多門外語。他雖然生長在基督教的環境里,但卻是一個自由思想家。

1870年洛倫茲考入萊頓大學,學習數學、物理和天文。1875年獲博士學位。1877年,萊頓大學聘請他為理論物理學教授,這個職位最早是為J.D.范瓦耳斯設的,其學術地位很高,而這時洛倫茲年僅23歲。在萊頓大學任教35年,他對物理學的貢獻都是在這期間作出的。

1912年洛倫茲辭去萊頓大學教授職務,到哈勒姆擔任一個博物館的顧問,同時兼任萊頓大學的名譽教授,每星期一早晨到萊頓大學就物理學當前的一些問題作演講。後來他還在荷蘭政府中任職,1919~1926年在教育部門工作,其間1921年起擔任高等教育部部長。

1911~1927年擔任索爾維物理學會議的固定主席。在國際物理學界的各種集會上,他經常是一位很受歡迎的主持人。1923年國際科學協作聯盟委員會主席。他還是世界上許多科學院的外國院士和科學學會的外國會員。

洛倫茲於1928年2月4日在荷蘭的哈勃姆去世,終年75歲。為了悼念這位荷蘭近代文化的巨人,舉行葬禮的那天,荷蘭全國的電信、電話中止三分鐘。世界各地科學界的著名人物參加了葬禮。愛因斯坦在洛倫茲墓前致詞說:洛倫茲的成就「對我產生了最偉大的影響」,他是「我們時代最偉大、最高尚的人」。

科學成就

1.創立電子論

洛倫茲1902年49歳時的洛倫茲照片。
認為一切物質分子都含有電子,陰極射線的粒子就是電子。把以太與物質的相互作用歸結為以太與電子的相互作用。這一理論成功地解釋了塞曼效應,與塞曼一起獲1902年諾貝爾物理學獎。

洛倫茲是經典電子論的創立者.他認為電具有「原子性」,電的本身是由微小的實體組成的.後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。後來,愛因斯坦把洛倫茲變換用於力學關係式,創立了狹義相對論.

荷蘭理論物理學家洛倫茲由於提出「電子論」而獲得1942年諾貝爾物理學獎。

2.提出洛倫茲變換公式

1892年他研究過地球穿過靜止以太所產生的效應,為了說明邁克孫-莫雷實驗的結果,他獨立地提出了長度收縮的假說,認為相對以太運動的物體,其運動方向上的長度縮短了。1895年,他發表了長度收縮的準確公式,即在運動方向上,長度收縮因子為。1899年,他在發表的論文里,計論了慣性系之間坐標和時間的變換問題,並得出電子與速度有關的結論。1904年,他發表了著名的變換公式(J.-H.龐加萊首先稱之為洛倫茲變換)和質量與速度的關係式,並指出光速是物體相對於以太運動速度的極限。

1875年前,光的電磁理論與物質分子理論相結合的統一設想,還沒有被人明確提出。此後,洛倫茲對這一問題進行深入研究,寫出了題為《光的反射與折射理論》論文,對光的舊波動理論與光的新電磁理論作了綜合性評述,最後明確提出了這一統一設想,不僅使麥克斯韋的電磁理論有了更加堅實的物理基礎,而且據此創立了物質的電子論。隨後他又根據電子論,確立了電子在磁場中所受的力即「洛倫茲力」的概念。與此同時,他還與其同胞塞曼一起,發現並驗證了塞曼效應。塞曼效應是一種解釋置於磁場中的光源發射的各種譜線,受磁場影響分裂成幾條,各分譜線之間間隔的大小與磁場強度成正比的理論。塞曼最先發現這一現象並對其進行了研究,但他通過研究在理論上雖然可以正確解釋這一現象,卻在實驗中遇到了難題。洛倫茲對此進行反覆實驗,終於找到了問題的癥結所在,用實驗證實了塞曼理論的正確,使塞曼效應在理論和實驗上都站住了腳,成了物理學中的一個經典定律。

3.出色的物理教育家

洛倫茲還是一位教育家,他在萊頓大學從事普通物理和理論物理教學多年,寫過微積分和普通物理等教科書。在哈勒姆他曾致力於通俗物理講演。他一生中花了很大一部分時間和精力審查別人的理論並給予幫助。他為人熱誠、謙虛,受到愛因斯坦、薛定諤和其他青年一代理論物理學家們的尊敬,他們多次到萊頓大學向他請教,愛因斯坦曾說過,他一生中受洛倫茲的影響最大。

趣聞軼事
洛倫茲洛倫茲與愛因斯坦的合照

在物理學家中,洛倫茲是最富有國際性的。在他事業的最初20年中,他的國際性工作僅限於著作。後來,他開始離開萊頓書房和教室,廣泛地與國外科學家進行個人接觸。他的電子理論使他在物理學界獲得領導地位。1898年,洛倫茲接受玻爾茲曼的邀請,為德國的自然科學與醫學學會的迪塞爾多夫會議物理組做演講。1900年在巴黎,為國際物理代表會(世界性物理學家集會)做演講。洛倫茲在物理方面最重要的國際性活動是擔任物理學的索爾維會議的定期主席(1911—1927年),他在臨終前還主持了最後一次會議。洛倫茲在這些國際性的集會中主持會議並成為公認的領袖。大家對他淵博的學問、高明的技術、善於總結最複雜的爭論以及無比精鍊的語方都非常佩服。第一次大戰後,洛倫茲的國際主義活動帶有若干政治色彩。1909年至1921年,他擔任荷蘭皇家科學與文學研究院物理組的主任時,以自己的影響來說服人們參加戰後盟國創立的國際性科學組織。1923年,他成為國聯文化協作國際委員會的七個委員之一,並繼承伯格森(H.Bergson)擔任主席。

洛倫茲在物理學上最重要的貢獻是他的電子論。早在他作學位論文之前,由於讀過菲涅耳文集而深受其影響;後來受到H.von亥姆霍茲的啟發,他用J.C.麥克斯韋的電磁理論來處理光在電介質交界面上的反射和折射問題作為他的博士論文,在論文的末尾,他提到把光磁理論與物質的分子理論結合起來的前景,這就是他後來創立電子論的根源。1878年,他發表了光與物質相互作用的論文,把以太與普通的物質區別開來,認為以太是靜止的,無所不在,而普通物質的分子則都含有帶電的諧振子;在這個基礎上,他導出了分子折射率的公式(即洛倫茲-洛倫茨公式)1892年,他開始發表電子論的文章,他認為一切物質的分子都含有電子,陰極射線的粒子就是電子,電子是很小的有質量的剛球,電子對於以太是完全透明的,以太與物質的相互作用歸結為以太與物質中的電子的相互作用。這在個基礎上,1895年他提出了著名的洛倫茲力公式。1896年,P.塞曼發現放在磁場中的光源,其光譜線發生分裂(塞曼效應)。洛倫茲立即用他的電子論對這一現象作了定量的解釋。由於這一貢獻,他和塞曼共同獲得1902年的諾貝爾物理學獎。

洛倫茲變換 Lorentz Transformation
洛倫茲洛倫茲力演示器實驗原理

狹義相對論中關於不同慣性系之間物理事件時空坐標變換的基本關係式。設兩個慣性係為S系和 S′ 系,它們相應的笛卡爾坐標軸彼此平行,S′系相對於S系沿x方向運動,速度為v,且當t=t′=0時,S′系與S系的坐標原點重合,則事件在這兩個慣性系的時空坐標之間的洛倫茲變換為x′=γ(x-vt),y′=y,z′=z,t′=γ(t-vx/c2),式中γ=(1-v2/c2)-1/2;c為真空中的光速。不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。

在相對論以前,H.A.洛倫茲從存在絕對靜止以太的觀念出發,考慮物體運動發生收縮的物質過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中,變換所引入的量僅僅看作是數學上的輔助手段,並不包含相對論的時空觀。愛因斯坦與洛倫茲不同,以觀察到的事實為依據,立足於兩條基本原理:相對性原理和光速不變原理,著眼於修改運動、時間、空間等基本概念,重新導出洛倫茲變換,並賦予洛倫茲變換嶄新的物理內容。在狹義相對論中,洛倫茲變換是最基本的關係式,狹義相對論的運動學結論和時空性質,如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論多普勒效應等都可以從洛倫茲變換中直接得出。

卓越的成就
Hendrik Antoon Lorentz 洛倫茲Hendrik Antoon Lorentz 洛倫茲

亨德利克·洛倫茲(Hendrik·Antoon·Lorentz,1853~1928),1853年7月18日生於阿納姆一個普通的苗圃主家庭,並在該地上小學和中學。幼年洛倫茲的成績優異,少年時就對物理學感興趣,同時還廣泛地閱讀了大量歷史和小說。因此,他雖然生長在基督教的環境里,但卻是一個自由思想家。洛倫茲在語言方面有很高的天賦。他能非常迅速地掌握外語,能根據上下文來推斷其語法。對於一個終身居住在荷蘭的幾個閉塞的城市而希望與世界對話的人來說,這種天賦不啻是一筆巨大的財富。1870年,洛倫茲考入萊頓大學,主要方向是數學和物理學。

1873年,洛倫茲以優異的成績通過了博士考試,兩年後獲得博士學位。洛倫茲的學位論文是物理光學方面的,題目是「關於光的折射和反射的理論」。這個課題菲涅耳已經做過,但洛倫茲運用麥克斯韋的電磁場理論重新進行了處理。這項研究幾乎一下子就使洛倫茲確立了他在本國的學術地位。3年後,萊頓大學聘他為教授,主持該校新設置的理論物理教席。這個設置不僅在荷蘭,而且在整個歐洲也是最早的。洛倫茲接受了這個職位,從而確定了他的理論物理學的職業生涯。

洛倫茲是經典電子論的開創者。1892年,洛倫茲發表了經典電子論的第一篇論文。在這篇論文中,洛倫茲明確地把連續的場和包含分立電子的物質完全分開,同時又為麥克斯韋方程組追加了一個洛倫茲力方程。於是,連續的場和分立的電子,就由這個洛倫茲力來聯繫。在此基礎上,洛倫茲把當時所得到的電磁光學的各種結果,重新整理加以格式化,確立了經典電子論的基礎。許多從他那裡學習電動力學的理論物理學家認為,這是洛倫茲一生中最偉大的貢獻之一。

當新物理學開始崛起的時候,洛倫茲也推導過黑體輻射能量分佈公式。他只能用自己的理論計算能譜的長波極限。他了解普朗克1900年的黑體輻射量子理論包含整個光譜,也了解普朗克的量子假設與他自己的電子論基礎完全不同。但1908年洛倫茲以有利於普朗克量子論的口吻說,普朗克理論是唯一能解釋黑體輻射整個光譜的。洛倫茲是最早能這樣指出並強調量子假說和電子論假說之間存在深刻對立的人之一。

1896年,洛倫茲用電子論成功地解釋了由萊頓大學的塞曼新近發現的原子光譜磁致分裂現象。洛倫茲斷定該現象是由原子中負電子的振動引起的。他從理論上導出的負電子的荷質比,與湯姆遜翌年從陰極射線實驗得到的結果相一致。由於塞曼效應的發現和解釋,洛倫茲和塞曼分享了1902年度的諾貝爾獎。

除了諾貝爾物理學獎,洛倫茲還獲得過英國皇家學會的倫福特和科普利獎章,並且接受了巴黎大學和劍橋大學名譽博士、德國物理學會和英國皇家學會國外會員的光榮稱號。

人物評價

海納百川的大師風範

作為現代第一代理論物理學家,洛倫茲的顯著特點之一是對於一套套的新思想表現出不同尋常的開放態度。洛倫茲對理論物理的影響不僅通過他的著作,而且也通過他同從世界各地慕名而來的青年物理學家的個人交往。愛因斯坦、薛定諤和其他理論工作者經常到萊頓去拜訪他,聽取他對於他們一些最新思想的意見。但他從不干擾別人的思想,他和他們的關係是靠和善而平淡的基本個性來維持的。

不過,洛倫茲的開放態度不完全是出於他的性格。從他在萊頓大學的就職演說中可以了解到,這也是洛倫茲作為理論物理學家的專業見解。洛倫茲說過,物理學研究的目的就在於尋求簡單的、可以說明所有現象的基本原理。但他告誡不要過分看重對基本原理的內心聯想,或者希望原理本身能夠進一步發揮。他認為,由於人們不能深入地洞察事物的本性,因而把任何已有的認識途徑作為唯一可靠的途徑加以提倡是輕率的。按照洛倫茲的觀點,各種基本的理論途徑應該同時由不同的研究者加以探索。

洛倫茲的電子論把經典物理學推上了它所能達到的最後高度。洛倫茲本人幾乎成了19世紀末、20世紀初物理學界的統帥。如果洛倫茲不那麼具有開放精神,這種成就本來可能使他過早地退出歷史舞台。當世紀之交的物理學革命打破了古典物理學時,洛倫茲說過,他感到遺憾的是,他為什麼不在舊的基礎崩潰之前死去。但是洛倫茲的個性是「超個人」的,他對過去價值的惋惜很快就由愉快地接受新事物所取代了。

由於洛倫茲在理論物理方面享有很高的威望、通曉多種語言並善於駕馭最為紊亂的辯論,所以他生前每次都被邀請參加物理學界最重要的國際會議,而且經常擔任大會的主席。1911年洛倫茲主持了第一屆索爾維會議。這次會議使量子概念從四面八方突破了德語世界的邊境,成為一個在法國和英國同樣使人感興趣的論題。

第一次世界大戰後,洛倫茲的開放精神在他的世界主義立場中也得到了充分的體現。為恢復科學國際主義,洛倫茲作了持續的努力。1923年洛倫茲被選為國際文化協作委員會委員,並繼柏格森之後擔任了該委員會主席。

這種本質上的偉大開放精神,使洛倫茲不僅在學術上富有成就,而且在人品上也贏得了同時代人的敬重。1928年2月4日,洛倫茲去世,終年75歲。在他下葬那天,荷蘭的電報、電話服務暫停3分鐘以示哀悼。出席葬禮的有荷蘭王室、政府以及來自世界各國科學院的代表。英國皇家學會會長、著名的實驗物理學家盧瑟福,普魯士科學院代表、第二代職業理論物理學家的領導人愛因斯坦都在他的墓旁致了悼詞。

2 洛倫茲 -混沌理論之父

愛德華·諾頓·洛倫茨(英語:Edward Norton Lorenz,1917年5月23日-2008年4月16日),美國數學與氣象學家。混沌理論之父,蝴蝶效應的發現者。1963年獲

洛倫茲混沌之父愛德華·諾頓·羅倫茲

 美國氣象學會邁辛格獎.

「混沌理論」之父愛德華.羅倫茲(Edward Lorenz),2008年4月16日在其位於美國麻省的家中逝世,終年九十歲。 
羅倫茲畢業於達特茅斯學院、哈佛大學和麻省理工學院,生前在麻省理工任教。他於上世紀六十年代,提出了著名的「混沌理論(Chaos Theory)」,指小小的變化可產生巨大影響,例如巴西一隻蝴蝶煽動翅膀這個看似微不足道的現象,可改變大氣運動的方式,引發美國得州爆出龍捲風。此現象被稱為「蝴蝶效應(Butterfly Effect)」。  
羅倫茲所提出的「決定性混沌(Deterministic Chaos)」被指是自牛頓以來另一引人注目的人類自然觀的「進化論」,他因此於一九九一年獲頒基礎科學京都獎。羅倫茲認為,人類本身都是非線性的:與傳統的想法相反,健康人的腦電圖和心臟跳動並不是規則的,而是混沌的,混沌正是生命力的表現,混沌系統對外界的刺激反應,比非混沌系統快得多。  

「混沌理論」

「混沌理論」是在數學和物理學中,研究非線性系統在一定條件下表現出的現象的理論。一九六三年羅倫茲提出了該想法,以圖解釋非線性系統具有的多樣性和多尺度性。「混沌理論」最大的貢獻是用簡單的模型來推出明確的非周期性結果。  
該理論認為在混沌系統中,初始條件十分微小的變化經過不斷放大,對其未來狀態會造成極其巨大的差別。例如馬蹄鐵上的一個釘子是否會丟失,本是初始條件十分微小的變化,但其「長期」效應卻是一個帝國存與亡的根本差別。這就是所謂「蝴蝶效應」。  

「蝴蝶效應」

 「蝴蝶效應」是指在一個動力系統中,初始條件下微小的變化能帶動整個系統的長期而巨大的連鎖反應。這是一種混沌現象,「一隻蝴蝶在巴西輕拍翅膀,會使更多蝴蝶跟著一起振翅。最後將有數千隻的蝴蝶都跟著那隻蝴蝶一同揮動翅膀,其所產生的颶風可以導致一個月後在美國得州發生一場龍捲風。 」  
在《混沌學傳奇》等書中皆有這樣的描述:「一九六一年冬季的一天,羅倫茲在計算機上進行關於天氣預報的計算。為了考察一個很長的序列,他走了一條捷徑,沒有令計算機從頭運行,而是從中途開始.他把上次的輸出直接打入作為計算的初值,然後他穿過大廳下樓,去喝咖啡。一小時后他回來時,發生了出乎意料的事,他發現天氣變化同上一次的模式迅速偏離,在短時間內,相似性完全消失了。進一步的計算表明,輸入的細微差異可能很快成為輸出的巨大差別。 
羅倫茲最初使用的是「海鷗效應」來形容這種現象,但在一九七九年於華盛頓的美國科學促進會的演講上卻問道:「一隻蝴蝶在巴西搧動翅膀會在得克薩斯引起龍捲風嗎?」「蝴蝶效應」因此得名。

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