Лоренц, Хендрик Антон: биография
Хотя попытки построить теорию, объясняющую электродинамические явления взаимодействием электромагнитного поля с движущимися дискретными зарядами, предпринимались и ранее (в работах Вильгельма Вебера, Бернгарда Римана и Рудольфа Клаузиуса), теория Лоренца принципиально от них отличалась. Если ранее полагалось, что заряды действуют непосредственно друг на друга, то теперь считалось, что электроны взаимодействуют со средой, в которой они находятся — неподвижным электромагнитным эфиром, подчиняющимся уравнениям Максвелла. Такое представление об эфире близко современному понятию электромагнитного поля. Лоренц провёл чёткое различие между материей и эфиром: они не могут сообщать друг другу механическое движение («увлекаться»), их взаимодействие ограничено сферой электромагнетизма. Сила этого взаимодействия для случая точечного заряда носит имя Лоренца, хотя аналогичные выражения были ранее получены Клаузиусом и Хевисайдом из иных соображений. Одним из важных и много обсуждавшихся в своё время следствий немеханического характера воздействия, описываемого силой Лоренца, было нарушение ею ньютоновского принципа действия и противодействия. В теории Лоренца гипотеза увлечения эфира движущимся диэлектриком была заменена на предположение о поляризации молекул тела под действием электромагнитного поля (это осуществлялось введением соответствующей диэлектрической постоянной). Именно это поляризованное состояние переносится при движении объекта, что позволило объяснить появление в данном случае так называемого коэффициента увлечения Френеля, который обнаруживает себя, например, в знаменитом опыте Физо. Кроме того, в работах Лоренца (1904, 1909) содержалась первая чёткая и однозначная формулировка (в применении к классической электродинамике) того общего положения, которое известно ныне под названием калибровочной инвариантности и которое играет важную роль в современных физических теориях.
Подробности, касающиеся возникновения электронной теории Лоренца, её эволюции и отличия от теорий, выдвигавшихся другими исследователями (например, Лармором), можно найти в ряде специальных работ.
Применения: оптическая дисперсия и проводимость металлов
Применяя свою теорию к различным физическим ситуациям, Лоренц получил ряд значительных частных результатов. Так, ещё в первой работе по электронной теории (1892) учёный вывел закон Кулона, выражение для силы, действующей на проводник с током, и закон электромагнитной индукции. Здесь же он получил формулу Лоренца — Лоренца с помощью приёма, известного под названием сферы Лоренца. Для этого было рассчитано по отдельности поле внутри и вне воображаемой сферы, описанной вокруг молекулы, и впервые явным образом введено так называемое локальное поле, связанное с величиой поляризации на границе сферы. В статье «Оптические явления, обусловленные зарядом и массой иона» (нидерл. Optische verschijnselen die met de lading en de massa der ionen in verband staan, 1898) была в полном виде, близком к современному, изложена классическая электронная теория дисперсии. Основная идея состояла в том, что дисперсия есть результат взаимодействия света с колеблющимися дискретными зарядами — электронами (по первоначальной терминологии Лоренца — «ионами»). Записав уравнение движения электрона, на который действуют вынуждающая сила со стороны электромагнитного поля, возвращающая упругая сила и сила трения, обуславливающая поглощение, учёный пришёл к известной формуле дисперсии, задающей так называемую лоренцеву форму зависимости диэлектрической постоянной от частоты.
В серии работ, опубликованных в 1905 году, Лоренц развил электронную теорию проводимости металлов, основы которой были заложены в трудах Пауля Друде, Эдуарда Рикке и Дж. Дж. Томсона. Исходным пунктом было предположение о наличии большого количества свободных заряженных частиц (электронов), движущихся в промежутках между неподвижными атомами (ионами) металла. Голландский физик учёл распределение электронов в металле по скоростям (распределение Максвелла) и, применив статистические методы кинетической теории газов (кинетическое уравнение для функции распределения), вывел формулу для удельной электропроводности, а также дал анализ термоэлектрических явлений и получил отношение теплопроводности к электропроводности, согласующееся в целом с законом Видемана — Франца. Теория Лоренца имела большое историческое значение для развития теории металлов, а также для кинетической теории, представляя собой первое точное решение кинетической задачи такого рода. Вместе с тем она не могла обеспечить точное количественное согласие с экспериментальными данными, в частности не объясняла магнитные свойства металлов и малый вклад свободных электронов в удельную теплоёмкость металла. Причины этого состояли не только в пренебрежении колебаниями ионов кристаллической решётки, но и в принципиальных недостатках теории, которые были преодолены лишь после создания квантовой механики.
