Hendrik Lorentz
Hendrik Antoon Lorentz (18 de julio de 1853 - 4 de febrero de 1928) fue un físico holandés que compartió el Premio Nobel de Física de 1902 con Pieter Zeeman por el descubrimiento y la explicación teórica del efecto Zeeman. Derivó la transformación de Lorentz que Albert Einstein utilizó posteriormente para afirmar la teoría especial de la relatividad, así como la fuerza de Lorentz, que describe las fuerzas eléctricas y magnéticas combinadas que actúan sobre una partícula cargada en un campo electromagnético. Lorentz también fue responsable del modelo de oscilador de Lorentz, un modelo clásico utilizado para describir la dispersión anómala observada en materiales dieléctricos cuando la frecuencia impulsora del campo eléctrico estaba cerca de la frecuencia resonante, lo que resultaba en índices de refracción anormales.
Según la biografía publicada por la Fundación Nobel, "Bien se puede decir que Lorentz fue considerado por todos los físicos teóricos como el espíritu líder del mundo, que completó lo que sus predecesores dejaron sin terminar y preparó el terreno para la fructífera recepción de las nuevas ideas basadas en la teoría cuántica." Recibió muchos otros honores y distinciones, incluido un período como presidente del Comité Internacional de Cooperación Intelectual, el precursor de la UNESCO, entre 1925 y 1928.
Biografía
Primeros años
Hendrik Lorentz nació en Arnhem, Gelderland, Países Bajos, hijo de Gerrit Frederik Lorentz (1822–1893), un horticultor acomodado, y Geertruida van Ginkel (1826–1861). En 1862, tras la muerte de su madre, su padre se casó con Luberta Hupkes. A pesar de haber sido criado como protestante, era un librepensador en materia religiosa. De 1866 a 1869, asistió a la "Hogere Burgerschool" en Arnhem, un nuevo tipo de escuela secundaria pública establecida recientemente por Johan Rudolph Thorbecke. Sus resultados en la escuela fueron ejemplares; no solo sobresalió en las ciencias físicas y matemáticas, sino también en inglés, francés y alemán. En 1870, aprobó los exámenes de lenguas clásicas que entonces se requerían para la admisión a la Universidad.
Lorentz estudió física y matemáticas en la Universidad de Leiden, donde estuvo fuertemente influenciado por la enseñanza del profesor de astronomía Frederik Kaiser; fue su influencia lo que lo llevó a convertirse en físico. Después de obtener una licenciatura, regresó a Arnhem en 1871 para impartir clases de matemáticas en la escuela nocturna, pero continuó sus estudios en Leiden además de su puesto de profesor. En 1875, Lorentz obtuvo un doctorado con Pieter Rijke en una tesis titulada "Over de theorie der terugkaatsing en breking van het luz" (Sobre la teoría de la reflexión y la refracción de la luz), en la que refinaba la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell.
Carrera
Profesora en Leiden
(feminine)El 17 de noviembre de 1877, con solo 24 años de edad, Lorentz fue designado para ocupar la cátedra recién establecida de física teórica en la Universidad de Leiden. El puesto se le había ofrecido inicialmente a Johan van der Waals, pero aceptó un puesto en la Universiteit van Amsterdam. El 25 de enero de 1878, Lorentz pronunció su conferencia inaugural sobre "De moleculaire theoriën in de natuurkunde" (Las teorías moleculares en la física). En 1881, se convirtió en miembro de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos.
Durante los primeros veinte años en Leiden, Lorentz se interesó principalmente en la teoría electromagnética de la electricidad, el magnetismo y la luz. Después de eso, amplió su investigación a un área mucho más amplia sin dejar de centrarse en la física teórica. Lorentz hizo contribuciones significativas a campos que van desde la hidrodinámica hasta la relatividad general. Sus contribuciones más importantes fueron en el área del electromagnetismo, la teoría electrónica y la relatividad.
Lorentz teorizó que los átomos podrían consistir en partículas cargadas y sugirió que las oscilaciones de estas partículas cargadas eran la fuente de luz. Cuando un colega y antiguo alumno de Lorentz, Pieter Zeeman, descubrió el efecto Zeeman en 1896, Lorentz proporcionó su interpretación teórica. El trabajo experimental y teórico fue honrado con el premio Nobel de física en 1902. Lorentz' El nombre ahora está asociado con la ecuación de Lorentz-Lorenz, la fuerza de Lorentz, la distribución de Lorentzian, el modelo del oscilador de Lorentz y la transformación de Lorentz.
Electrodinámica y relatividad
En 1892 y 1895, Lorentz trabajó en la descripción de los fenómenos electromagnéticos (la propagación de la luz) en marcos de referencia que se mueven en relación con el éter luminífero postulado. Descubrió que la transición de un marco de referencia a otro podía simplificarse usando una nueva variable de tiempo que llamó hora local y que dependía del tiempo universal y la ubicación en consideración. Aunque Lorentz no dio una interpretación detallada del significado físico de la hora local, con ella pudo explicar la aberración de la luz y el resultado del experimento de Fizeau. En 1900 y 1904, Henri Poincaré calificó la hora local de Lorentz como la "idea más ingeniosa" y lo ilustró mostrando que los relojes en marcos móviles se sincronizan mediante el intercambio de señales de luz que se supone que viajan a la misma velocidad contra y con el movimiento del marco (ver Sincronización de Einstein y Relatividad de la simultaneidad). En 1892, con el intento de explicar el experimento de Michelson-Morley, Lorentz también propuso que los cuerpos en movimiento se contraen en la dirección del movimiento (ver contracción de longitud; George FitzGerald ya había llegado a esta conclusión en 1889).
En 1899 y nuevamente en 1904, Lorentz agregó la dilatación del tiempo a sus transformaciones y publicó lo que Poincaré en 1905 denominó transformaciones de Lorentz.
Aparentemente, Lorentz desconocía que Joseph Larmor había usado transformaciones idénticas para describir los electrones en órbita en 1897. Las ecuaciones de Larmor y Lorentz parecen algo diferentes, pero son algebraicamente equivalentes a las presentadas por Poincaré y Einstein en 1905. El artículo de Lorentz de 1904 incluye la formulación covariante de la electrodinámica, en la que los fenómenos electrodinámicos en diferentes marcos de referencia se describen mediante ecuaciones idénticas con propiedades de transformación bien definidas. El documento reconoce claramente la importancia de esta formulación, es decir, que los resultados de los experimentos electrodinámicos no dependen del movimiento relativo del marco de referencia. El artículo de 1904 incluye una discusión detallada del aumento de la masa inercial de los objetos que se mueven rápidamente en un intento inútil de hacer que el momento se vea exactamente como el momento newtoniano; también fue un intento de explicar la contracción de la longitud como la acumulación de "cosas" sobre la masa haciéndola lenta y contraerse.
Lorentz y la relatividad especial
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En 1905, Einstein usaría muchos de los conceptos, herramientas matemáticas y resultados discutidos por Lorentz para escribir su artículo titulado "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento", conocido hoy como la teoría especial de la relatividad. Debido a que Lorentz sentó las bases del trabajo de Einstein, esta teoría se denominó originalmente teoría de Lorentz-Einstein.
En 1906, la teoría electrónica de Lorentz recibió un tratamiento completo en sus conferencias en la Universidad de Columbia, publicadas bajo el título The Theory of Electrons.
El aumento de masa fue la primera predicción de Lorentz y Einstein que se probó, pero algunos experimentos de Kaufmann parecían mostrar un aumento de masa ligeramente diferente; esto llevó a Lorentz al famoso comentario de que él era "au bout de mon latin" ("al final de mi [conocimiento de] latín" = al final de su ingenio) La confirmación de su predicción tuvo que esperar hasta 1908 y más tarde (ver experimentos de Kaufmann-Bucherer-Neumann).
Lorentz publicó una serie de artículos relacionados con lo que llamó 'principio de relatividad de Einstein'. Por ejemplo, en 1909, 1910, 1914. En sus conferencias de 1906 publicadas con adiciones en 1909 en el libro "La teoría de los electrones" (actualizado en 1915), habló afirmativamente de la teoría de Einstein:
Será claro por lo que se ha dicho que las impresiones recibidas por los dos observadores A0 y A serían iguales en todos los aspectos. Sería imposible decidir cuál de ellos se mueve o permanece todavía con respecto al éter, y no habría razón para preferir los tiempos y longitudes medidos por el uno a los determinados por el otro, ni para decir que cualquiera de ellos está en posesión de los tiempos "verdaderos" o las longitudes "verdaderas". Este es un punto en el que Einstein ha puesto especial énfasis, en una teoría en la que comienza por lo que él llama el principio de la relatividad, no puedo hablar aquí de las muchas aplicaciones muy interesantes que Einstein ha hecho de este principio. Sus resultados relativos a fenómenos electromagnéticos y ópticos coinciden en lo principal con los que hemos obtenido en las páginas anteriores, la principal diferencia es que Einstein simplemente postula lo que hemos deducido, con alguna dificultad y no totalmente satisfactoriamente, de las ecuaciones fundamentales del campo electromagnético. Al hacerlo, puede sin duda tomar crédito por hacernos ver en el resultado negativo de experimentos como los de Michelson, Rayleigh y Brace, no una compensación fortuita de efectos opuestos, sino la manifestación de un principio general y fundamental. Sería injusto no añadir que, además de la audacia fascinante de su punto de partida, la teoría de Einstein tiene otra ventaja marcada sobre la mía. Mientras tanto No he podido obtener para las ecuaciones referidas a ejes móviles exactamente la misma forma que para aquellos que se aplican a un sistema estacionario, Einstein ha logrado esto por medio de un sistema de nuevas variables ligeramente diferentes de las que he introducido.
Aunque Lorentz aún sostenía que existe un éter (indetectable) en el que los relojes en reposo indican la "hora verdadera":
1909: Sin embargo, creo que también se puede reclamar algo a favor de la forma en que he presentado la teoría. No puedo más que considerar el éter, que puede ser el asiento de un campo electromagnético con su energía y sus vibraciones, como dotado con cierto grado de substancialidad, por diferente que sea de toda materia ordinaria.
1910: Siempre que haya un éter, entonces bajo todos los sistemas x, y, z, t, uno es preferido por el hecho, que los ejes de coordenadas, así como los relojes están descansando en el éter. Si uno se conecta con esto la idea (que yo abandonaría sólo reticentemente) de que el espacio y el tiempo son cosas completamente diferentes, y que hay un "tiempo verdadero" (simultaneidad por lo tanto sería independiente de la ubicación, de acuerdo con la circunstancia de que podemos tener la idea de velocidades infinitamente grandes), entonces se puede ver fácilmente que este tiempo verdadero debe ser indicado por los relojes en reposo en el éter. Sin embargo, si el principio de relatividad tenía validez general en la naturaleza, uno no estaría en la posición de determinar, si el sistema de referencia que acaba de usar es el preferido. Entonces uno llega a los mismos resultados, como si uno (siguiendo a Einstein y Minkowski) negara la existencia del éter y del tiempo verdadero, y ver todos los sistemas de referencia como igualmente válidos. Cuál de estas dos formas de pensar uno está siguiendo, seguramente se puede dejar al individuo.
Lorentz también dio crédito a las contribuciones de Poincaré a la relatividad.
De hecho, para algunas de las cantidades físicas que entran en las fórmulas, no señalé la transformación que mejor se adapte. Eso fue hecho por Poincaré y luego por el Sr. Einstein y Minkowski. No tuve éxito en obtener la invariancia exacta de las ecuaciones. Poincaré, por el contrario, obtuvo una invariancia perfecta de las ecuaciones de electrodinámica, y formuló el "postulado de la relatividad", términos que él fue el primero en emplear. Agreguemos que al corregir las imperfecciones de mi trabajo nunca me reprochó por ellas.
Lorentz y la relatividad general
Lorentz fue uno de los pocos científicos que apoyó la búsqueda de la relatividad general de Einstein desde el principio: escribió varios artículos de investigación y discutió con Einstein personalmente y por carta. Por ejemplo, intentó combinar el formalismo de Einstein con el principio de Hamilton (1915), y reformularlo de forma libre de coordenadas (1916). Lorentz escribió en 1919:
El eclipse total del sol del 29 de mayo, resultó en una confirmación llamativa de la nueva teoría del poder universal atractivo de la gravitación desarrollada por Albert Einstein, y así reforzó la convicción de que la definición de esta teoría es uno de los pasos más importantes que se han dado en el dominio de la ciencia natural.
Lorentz y la mecánica cuántica
Lorentz dio una serie de conferencias en el otoño de 1926 en la Universidad de Cornell sobre la nueva mecánica cuántica; en estos presentó la mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger.
Evaluaciones
Einstein escribió sobre Lorentz:
1928: El enorme significado de su trabajo consistía en ello, que constituye la base de la teoría de los átomos y de las teorías generales y especiales de la relatividad. La teoría especial fue una exposición más detallada de los conceptos que se encuentran en la investigación de Lorentz de 1895.
1953: Para mí personalmente quiso decir más que todos los demás que he conocido en el viaje de mi vida.
Poincaré (1902) dijo de la teoría de la electrodinámica de Lorentz:
La teoría más satisfactoria es la de Lorentz; es indiscutiblemente la teoría que mejor explica los hechos conocidos, la que arroja al alivio el mayor número de relaciones conocidas. Es debido a Lorentz que los resultados de Fizeau sobre la óptica de los cuerpos en movimiento, las leyes de dispersión normal y anormal y de absorción se conectan entre sí. Mira la facilidad con la que el nuevo fenómeno Zeeman encontró su lugar, e incluso ayudó a la clasificación de la rotación magnética de Faraday, que había desafiado todos los esfuerzos de Maxwell.
Paul Langevin (1911) dijo de Lorentz:
Será la principal afirmación de Lorentz de fama que demostró que las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo también permiten un grupo de transformaciones que les permite reanudar la misma forma cuando se realiza una transición de un sistema de referencia a otro. Este grupo difiere fundamentalmente del grupo anterior en cuanto a las transformaciones del espacio y del tiempo. ' '
Lorentz y Emil Wiechert mantuvieron una interesante correspondencia sobre los temas del electromagnetismo y la teoría de la relatividad, y Lorentz explicó sus ideas en cartas a Wiechert.
Lorentz fue presidente de la primera Conferencia Solvay celebrada en Bruselas en el otoño de 1911. Poco después de la conferencia, Poincaré escribió un ensayo sobre física cuántica que da una indicación del estado de Lorentz en ese momento:
En cada momento los veinte físicos de diferentes países podían escucharse hablando de la [mecanica cuántica] que contrastaban con la vieja mecánica. ¿Cuál era la vieja mecánica? ¿Era el de Newton, el que aún reinaba sin disputas a finales del siglo XIX? No, era la mecánica de Lorentz, la que trataba del principio de la relatividad; la que, apenas hace cinco años, parecía ser la altura de la audacia.
Cambio de prioridades
En 1910, Lorentz decidió reorganizar su vida. Sus funciones docentes y de gestión en la Universidad de Leiden ocupaban demasiado de su tiempo, lo que le dejaba poco tiempo para la investigación. En 1912, renunció a su cátedra de física teórica para convertirse en curador del "Gabinete de Física" en el Museo Teylers de Haarlem. Permaneció conectado a la Universidad de Leiden como profesor externo, y sus "conferencias de los lunes por la mañana" sobre nuevos desarrollos en física teórica pronto se convirtió en leyenda.
Lorentz inicialmente le pidió a Einstein que lo sucediera como profesor de física teórica en Leiden. Sin embargo, Einstein no pudo aceptar porque acababa de aceptar un puesto en ETH Zurich. Einstein no se arrepintió de este asunto, ya que la perspectiva de tener que ocupar el lugar de Lorentz lo estremecía. En cambio, Lorentz nombró a Paul Ehrenfest como su sucesor en la cátedra de física teórica en la Universidad de Leiden, quien fundaría el Instituto de Física Teórica que se conocería como el Instituto Lorentz.
Obra civil
Después de la Primera Guerra Mundial, Lorentz fue uno de los impulsores de la fundación de la "Wetenschappelijke Commissie van Advies en Onderzoek in het Belang van Volkswelvaart en Weerbaarheid", un comité que debía aprovechar el potencial científico unidos en la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos (KNAW) para resolver problemas civiles como la escasez de alimentos que resultó de la guerra. Lorentz fue designado presidente del comité. Sin embargo, a pesar de los mejores esfuerzos de muchos de los participantes, el comité tuvo poco éxito. La única excepción es que finalmente resultó en la fundación de TNO, la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada.
El gobierno holandés también le pidió a Lorentz que presidiera un comité para calcular algunos de los efectos de la represa de control de inundaciones Afsluitdijk (Presa del recinto) propuesta en los niveles de agua en Waddenzee. La ingeniería hidráulica era principalmente una ciencia empírica en ese momento, pero la perturbación del flujo de marea causada por Afsluitdijk no tenía precedentes que no se podía confiar en las reglas empíricas. Originalmente, se suponía que Lorentz solo tendría un papel de coordinación en el comité, pero rápidamente se hizo evidente que Lorentz era el único físico que tenía una tracción fundamental en el problema. En el período de 1918 a 1926, Lorentz invirtió gran parte de su tiempo en el problema. Lorentz propuso partir de las ecuaciones hidrodinámicas básicas del movimiento y resolver el problema numéricamente. Esto era factible para una 'computadora humana', debido a la naturaleza casi unidimensional del flujo de agua en el Waddenzee. El Afsluitdijk se completó en 1932 y las predicciones de Lorentz y su comité resultaron ser notablemente precisas. Uno de los dos juegos de esclusas del Afsluitdijk lleva su nombre.
Vida familiar
En 1881, Lorentz se casó con Aletta Catharina Kaiser. Su padre era J. W. Kaiser, profesor de la Academia de Bellas Artes. Fue el director del museo que luego se convirtió en el conocido Rijksmuseum (Galería Nacional). También fue el diseñador de los primeros sellos postales de los Países Bajos.
Hubo dos hijas y un hijo de este matrimonio.
Dra. Geertruida Luberta Lorentz, la hija mayor, era física. Se casó con el profesor Wander Johannes de Haas, quien fue el Director del Laboratorio Criogénico de la Universidad de Leiden.
Muerte
En enero de 1928, Lorentz enfermó gravemente y murió poco después, el 4 de febrero. El respeto que se le tenía en los Países Bajos se desprende de la descripción de su funeral por parte de Owen Willans Richardson:
El funeral tuvo lugar en Haarlem al mediodía del viernes 10 de febrero. En el golpe de doce los servicios de telégrafo y teléfono del Estado de Holanda fueron suspendidos durante tres minutos como un reverenciado homenaje al mayor hombre que los Países Bajos han producido en nuestro tiempo. Asistieron muchos colegas y distinguidos físicos de países extranjeros. El Presidente, Sir Ernest Rutherford, representó a la Royal Society e hizo una oración apreciativa por la sepultura.
—O. W. Richardson
Imágenes de película únicas de 1928 de la procesión fúnebre con un carruaje principal seguido por diez dolientes, seguido por un carruaje con el ataúd, seguido a su vez por al menos cuatro carruajes más, pasando por una multitud en Grote Markt, Haarlem, de Zijlstraat hasta Smedestraat, y luego de regreso por Grote Houtstraat hacia Barteljorisstraat, camino a "Algemene Begraafplaats" en el Kleverlaan (cementerio del norte de Haarlem), ha sido digitalizado en YouTube. Al funeral asistieron, entre otros, Albert Einstein y Marie Curie.
Legado
Lorentz es considerado uno de los principales representantes de la "Segunda Edad de Oro holandesa", un período de varias décadas alrededor de 1900 en el que florecieron las ciencias naturales en los Países Bajos.
Richardson describe a Lorentz como:
Un hombre de notables poderes intelectuales. A pesar de su propia investigación del momento, siempre parecía tener en su comprensión inmediata sus ramificaciones en cada rincón del universo. La claridad singular de sus escritos proporciona un reflejo llamativo de sus maravillosos poderes a este respecto. Él poseyó y empleó exitosamente la vivacidad mental que es necesaria para seguir la interacción del debate, la percepción que se requiere para extraer aquellas declaraciones que iluminan las dificultades reales, y la sabiduría para dirigir la discusión entre canales fructíferos, y lo hizo tan hábilmente que el proceso era difícilmente perceptible.
M. J. Klein (1967) escribió sobre la reputación de Lorentz en la década de 1920:
Durante muchos años los físicos siempre habían estado ansiosos de "oir lo que Lorentz dirá al respecto" cuando se avanzó una nueva teoría, y, incluso a los setenta y dos, no los decepcionó.
Además del premio Nobel, Lorentz recibió muchos honores por su destacado trabajo. Fue elegido Miembro Extranjero de la Royal Society (ForMemRS) en 1905. La Sociedad le otorgó la Medalla Rumford en 1908 y la Medalla Copley en 1918. Fue elegido Miembro Honorario de la Sociedad Química de los Países Bajos en 1912.
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