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Hendrik Lorentz

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Hendrik Antoon Lorentz (18 juillet 1853, Arnhem - 4 février 1928, Haarlem) était un physicien néerlandais qui a inauguré l'ère de la relativité en développant les idées derrière ce qui est devenu connu sous le nom de Contraction de Lorentz-FitzGerald. Ses théories sur l'électron lui ont valu un prix Nobel de physique qu'il a partagé avec Pieter Zeeman en 1902.

La biographie

Jeunesse

Hendrik Lorentz est né à Arnhem, dans le Gueldre, fils de Gerrit Frederik Lorentz (1822 - 1893), un commerçant, et Geertruida van Ginkel (1826 - 1861). Quand Lorentz avait quatre ans, sa mère est décédée et son père a épousé Luberta Hupkes. De 1866 à 1869, Lorentz fréquenta le lycée d'Arnhem et entra en 1870 à l'Université de Leiden, où il fut fortement influencé par l'enseignement du professeur d'astronomie Frederik Kaiser. C'est Kaiser qui a incité Lorentz à choisir la physique comme carrière. Lorentz a obtenu un baccalauréat en mathématiques et en physique en 1871, et l'année suivante est retourné à Arnhem pour enseigner les cours du soir du secondaire en mathématiques, tout en continuant à lire pour son doctorat. En 1875, Lorentz obtient un doctorat sous la direction de Pieter Rijke sur une thèse intitulée Sur la théorie de la réflexion et de la réfraction de la lumière, dans lequel il a affiné la théorie électromagnétique de James Clerk Maxwell pour tenir compte d'un large éventail de phénomènes optiques.

En 1881, Hendrik épousa Aletta Catharina Kaiser, nièce de Frederik Kaiser. Elle était la fille de Johann Wilhelm Kaiser, directeur de l'école de gravure d'Amsterdam et professeur de beaux-arts, et concepteur des premiers timbres-poste néerlandais en 1852. Plus tard, Kaiser a été directrice de la Rijksmuseum National Gallery d'Amsterdam. Lorentz et sa femme ont eu trois enfants, dont la fille aînée, Geertruida de Haas-Lorentz, a suivi les traces de son père et est devenue physicienne.

Professorship à Leiden

En 1878, Lorentz, 24 ans, a été nommé à la chaire de physique théorique nouvellement créée à l'Université de Leiden. Le 25 janvier 1878, il prononça sa conférence inaugurale sur "De moléculaire theoriën in de natuurkunde" (Les théories moléculaires en physique).

Au cours de ses 20 premières années à Leiden, Lorentz était principalement intéressé à enquêter sur les relations entre l'électricité, le magnétisme et la lumière. Il a également écrit sur la mécanique, la thermodynamique, l'hydrodynamique, les théories cinétiques, la théorie de l'état solide, la lumière et la propagation. Ses contributions les plus importantes, cependant, étaient dans le domaine de l'électromagnétisme, de la théorie de l'électron et de la relativité.

Électrodynamique et "relativité"

Dans les années 1880, les scientifiques américains Albert Michelson et Edward Morley ont conçu et mené une expérience qui n'a détecté aucun mouvement de la Terre par rapport à la éther, le milieu hypothétique que l'on croyait responsable de la propagation de la lumière. En 1892, pour tenter d'expliquer l'expérience de Michelson-Morley tout en conservant l'idée de la éther, Lorentz a proposé que les corps en mouvement se contractent dans le sens du mouvement.

George FitzGerald était déjà arrivé à cette conclusion en utilisant essentiellement le même raisonnement. Contrairement à FitzGerald, cependant, dont le travail sur la théorie n'était pas beaucoup plus qu'une brève lettre au journal Science, Lorentz a développé la théorie et les mathématiques de soutien. Il a introduit le terme heure locale qui varie dans les référentiels avec des vitesses uniformes différentes les unes par rapport aux autres. Lorentz a découvert qu'il ne pouvait pas conserver la forme des équations de Maxwell dans différents référentiels sans attribuer à chaque référentiel son propre temps. Henri Poincaré a développé cette idée et a montré comment elle est née lorsque les horloges des cadres en mouvement sont synchronisées en échangeant des signaux lumineux qui sont supposés se déplacer à la même vitesse contre et avec le mouvement du cadre.

En 1899 et de nouveau en 1904, Lorentz ajoute une dilatation du temps à ses transformations et publie ce que Poincaré en 1905 nomme les transformations de Lorentz. Lorentz ignorait apparemment que Joseph Larmor avait prédit la dilatation du temps, au moins pour les électrons en orbite, et avait publié les mêmes transformations en 1897. Les équations développées par Larmor et Lorentz sont algébriquement équivalentes à celles présentées par Henri Poincaré et Albert Einstein en 1905 ( Macrossan, 1986). Ces formules mathématiques contenaient tous les éléments importants de ce qui devint plus tard connu sous le nom de théorie de la relativité restreinte, à savoir l'augmentation relativiste de la masse, le raccourcissement de la longueur et la dilatation du temps qui sont caractéristiques d'un corps en mouvement, dont Lorentz avait discuté dans son 1899 publication.

Albert Einstein et Hendrik Antoon Lorentz, photographiés par Ehrenfest devant son domicile à Leiden en 1921. Source: Museum Boerhaave, Leiden.

L'augmentation de masse a été la première prédiction de la relativité restreinte à être testée, mais d'après les premières expériences de Kaufmann, il est apparu que sa prédiction était fausse; cela a conduit Lorentz à la fameuse remarque qu'il était «à la fin de son latin».1 Sa confirmation dut attendre 1908.

L'électron

Lié à ses tentatives de comprendre l'expérience de Michelson Morley, Lorentz a conçu en 1892 une théorie de la structure de la matière qui lui conférait une forte composante électromagnétique. Sa théorie de l'atome était qu'il était composé de deux composants de charge opposée, dont l'un était plus grand que l'autre et constituait la majeure partie de la masse de l'atome.2 Dans la théorie de Lorentz, les charges oscillantes dans les atomes (qu'il appela "ions" mais furent plus tard nommées "électrons") étaient responsables de l'interaction entre la lumière et la matière. Cette théorie a donné une explication au raccourcissement requis par l'expérience de Michelson Morley, en termes de propriétés électromagnétiques.

Pieter Zeeman, ami, collègue et ancien élève de Lorentz, s'est intéressé à la conduite d'expériences pour déterminer la relation entre la lumière et le magnétisme au milieu des années 1890. Encouragé par les résultats de Michael Faraday plus d'un demi-siècle plus tôt, Zeeman espérait déterminer l'effet d'un champ magnétique sur les raies spectrales de sodium. Son superviseur n'a pas partagé son enthousiasme, mais Lorentz a encouragé Zeeman. Zeeman a pu réaliser l'expérience, brûler un échantillon d'un composé de sodium entre deux électro-aimants puissants et analyser le spectre résultant. Il a détecté un changement, une division des raies spectrales.

Lorentz a immédiatement utilisé les résultats pour effectuer l'une des premières mesures du rapport de la charge à la masse d'un électron, sur la base de sa théorie de la matière. Il a également pu établir que l'électron portait une charge électrique négative.3 Un an plus tard, J.J. Thompson a utilisé une méthode entièrement différente mais plus directe pour mesurer la même quantité, dont les résultats se rapprochent étroitement de ceux de Lorentz. Lorentz et Zeeman, mentor et étudiant, ont tous deux reçu le prix Nobel en 1902-Zeeman pour ses expériences qui ont conduit à la découverte de l'effet qui porte son nom, et Lorentz pour sa théorie de l'électron.

Poincaré (1902) a déclaré à propos de la théorie de Lorentz sur l'électrodynamique:

«La théorie la plus satisfaisante est celle de Lorentz; c'est incontestablement la théorie qui explique le mieux les faits connus, celle qui met en relief le plus grand nombre de relations connues… c'est grâce à Lorentz que les résultats de Fizeau sur l'optique du mouvement corps, les lois de la dispersion normale et anormale et de l'absorption sont liées les unes aux autres ... Regardez la facilité avec laquelle le nouveau phénomène Zeeman a trouvé sa place, et a même aidé à la classification de la rotation magnétique de Faraday, qui avait tout défié (James Clerk) Les efforts de Maxwell. " (Poincaré, 1902)

En 1906, Lorentz s'est rendu en Amérique et a donné une série de conférences sur la théorie électromagnétique relativiste. Ces conférences ont été publiées en 1909 sous le titre Théorie des électrons.4

Des années plus tard

Lorentz était président de la première conférence Solvay tenue à Bruxelles à l'automne 1911. Peu de temps après la conférence, Poincaré a écrit un essai sur la physique quantique, qui donne une indication du statut de Lorentz à l'époque:

… À chaque instant on pouvait entendre les vingt physiciens de différents pays parler de la mécanique quantique qu'ils contrastaient avec l'ancienne mécanique. Maintenant, quelle était l'ancienne mécanique? Est-ce celui de Newton, celui qui régnait encore incontesté à la fin du XIXe siècle? Non, c'était la mécanique de Lorentz, celle qui traitait du principe de relativité; celui qui, il y a à peine cinq ans, semblait être le comble de l'audace. (Poincaré, 1913)

Dans le même essai, Poincaré énumère les aspects durables de la mécanique lorentzienne:

aucun corps en mouvement ne pourra jamais dépasser la vitesse de la lumière… la masse d'un corps n'est pas constante… aucune expérience ne pourra jamais détecter de mouvement ni par rapport à l'espace absolu ni même par rapport à l'éther. (Poincaré, 1913)

En 1912, Lorentz a pris sa retraite tôt pour devenir directeur de la recherche au Musée Teylers à Haarlem, bien qu'il soit resté professeur externe à Leiden et y ait donné des conférences hebdomadaires. Paul Ehrenfest lui a succédé dans sa chaire à l'Université de Leiden, fondant l'Institut de physique théorique, qui allait devenir l'Institut Lorentz. En plus du prix Nobel de physique, Lorentz a reçu de nombreux honneurs pour son travail exceptionnel. Il a été élu membre de la Royal Society en 1905. La Société lui a décerné sa médaille Rumford en 1908 pour ses recherches sur les phénomènes optiques et électriques, et sa médaille Copley pour ses recherches en physique mathématique en 1918.

Bien que Lorentz soit surtout connu pour ses travaux théoriques fondamentaux, il s'intéressait également aux applications pratiques. Dans les années 1918-1926, à la demande du gouvernement néerlandais, Lorentz a dirigé un comité chargé de calculer certains des effets du barrage proposé contre les inondations à Afsluitdijk (Closure Dike) sur d'autres ouvrages maritimes aux Pays-Bas. Le génie hydraulique était principalement une science empirique à l'époque, mais la perturbation du courant de marée causée par l'Afsluitdijk était si sans précédent que les règles empiriques n'étaient pas fiables. Lorentz a proposé de partir des équations hydrodynamiques de base du mouvement et de résoudre le problème numériquement. L'Afsluitdijk a été achevé en 1933 et les prédictions de Lorentz et de son comité se sont avérées remarquablement précises.

Au cours de ses dernières années, Lorentz s'est aligné sur Einstein et sa tentative d'expliquer la gravité en utilisant un raisonnement qui, dans un sens, était une extension de Lorentz. Einstein avait donné le crédit approprié aux idées de Lorentz, tandis que Lorentz a admis que Poincaré avait mis la touche finale aux siens. Lorentz a écrit des essais pour le grand public dans le but de démystifier la théorie générale de la relativité d'Einstein, qui avait connu quelques triomphes expérimentaux au cours de la dernière décennie de la vie de Lorentz.

Lorentz est décédé à Haarlem, aux Pays-Bas, le 4 février 1928.

Le respect que Lorentz portait aux Pays-Bas se voit dans la description faite par O. W. Richardson de ses funérailles 6:

Les funérailles ont eu lieu à Haarlem à midi le vendredi 10 février. À midi, les services télégraphiques et téléphoniques d'État de Hollande ont été suspendus pendant trois minutes en hommage au plus grand homme que la Hollande ait produit à notre époque. Il a réuni de nombreux collègues et éminents physiciens de pays étrangers. Le président, Sir Ernest Rutherford, représentait la Royal Society et a prononcé un discours d'appréciation près de la tombe.

Héritage

Lorentz a eu la prévoyance d'étendre les travaux de Maxwell en établissant une théorie de la matière qui a conduit à la découverte de l'électron et à l'extension des équations de Maxwell à des référentiels se déplaçant uniformément les uns par rapport aux autres. Le travail de Lorentz, et celui de beaucoup de ses contemporains, tels que Henri Poincaré et Larmor, montrent que les théories de la relativité ne se limitaient pas à celles d'Einstein, bien qu'Einstein ôta une grande partie du vent des voiles des autres en étendant sa théorie pour inclure la gravitation .

L'importance de la relation mentor / protégé devient évidente dans l'histoire de la vie de Lorentz. Son soutien à son ancien élève Pieter Zeeman a porté ses fruits lorsque les deux ont partagé un prix Nobel en 1902 pour leurs efforts. Lorentz a été souvent consulté de son vivant sur des questions relatives au développement de la physique du XXe siècle, bien que les idées qu'il partageait n'aient pas toujours porté leurs fruits. M. J. Klein (1967) a écrit sur la réputation de Lorentz dans les années 1920:

Pendant de nombreuses années, les physiciens avaient toujours eu hâte "d'entendre ce que Lorentz en dirait" lorsqu'une nouvelle théorie a été avancée et, même à soixante-douze ans, il ne les a pas déçus.

C'est Lorentz qui a amené le monde dans un nouveau domaine de contraction du temps et de l'espace et de masse variable, et a conduit à des spéculations dans la culture populaire sur le voyage dans le temps, le ralentissement potentiel du processus de vieillissement et d'autres concepts merveilleux sur le temps et l'espace.

Voir également

  • Albert Einstein
  • George FitzGerald
  • Relativité générale
  • Pieter Zeeman

Publications de Lorentz

  • 35 publications complètes et gratuites de Lorentz dans les Actes de l'Académie royale néerlandaise des arts et des sciences, Amsterdam. Récupéré le 19 août 2007. Les articles importants suivants sont inclus:
1899, Théorie simplifiée des phénomènes électriques et optiques dans les systèmes en mouvement. Récupéré le 19 août 2007.
1900, Considérations sur la gravitation. Récupéré le 19 août 2007.
1904, Phénomènes électromagnétiques dans un système se déplaçant avec une vitesse inférieure à celle de la lumière. Récupéré le 19 août 2007.
1917, Sur la théorie de la gravitation d'Einstein. Récupéré le 19 août 2007.
  • 1909/1916: La théorie des électrons. (Magnum opus de Lorentz.) Récupéré le 19 août 2007.
  • 1920, The Einstein Theory of Relativity. Récupéré le 19 août 2007.
  • 1931, Conférences sur la physique théorique (vol. I-III). Récupéré le 19 août 2007.

Remarques

  1. ↑ Lorentz, Poincaré Récupéré le 25 août 2007.
  2. ↑ Marco Mamone Capria. 2005. Physique avant et après Einstein. (Amsterdam: IOS Press. ISBN 1586034626), 34-36.
  3. ↑ Gerrit L. Verschuur, 1993. Attraction cachée: l'histoire et le mystère du magnétisme. (New York: Oxford University Press. ISBN 0195064887), 184-187
  4. ↑ Albert E. Moyer, 1983. «La physique américaine en transition: une histoire de changement conceptuel à la fin du XIXe siècle». L'histoire de la physique moderne, 1800-1950, Vol. 3. (Los Angeles: Tomash Publishers. ISBN 0938228064), 151.

Les références

  • De Haas-Lorentz, Geertruida Luberta. 1957. HA. Lorentz: Impressions de sa vie et de son œuvre. Amsterdam: Pub Hollande du Nord. Co. OCLC 11866855.
  • van Delft, Dirk. Février 2004. Le cas des chambres volées. Revue européenne 12(1): 95-109.
  • Brown, Harvey R. Octobre 2001. Les origines de la contraction de longueur: I. L'hypothèse de déformation de FitzGerald-Lorentz. Journal américain de physique 69(10): 1044-1054.
  • Kox, A.J. Mai 1997. La découverte de l'électron: II. L'effet Zeeman. EUR. J. Phys 18(3): 139-144.
  • Kox, A.J. Mars 1996. H.A. Lorentz: Croquis de son travail sur l'écoulement lent et visqueux et d'autres domaines de la mécanique des fluides et le contexte dans lequel il s'est produit. Journal of Engineering Mathematics 30 (1-2): ii, 1-18.
  • Kox, A.J. Mars 1993. Einstein, Lorentz, Leiden et la relativité générale. Gravité classique et quantique 10: S187-S191.
  • Kox, A.J. Novembre 1990. Les contributions de H. A. Lorentz à la théorie cinétique des gaz. Annales de la science 47(6): 591-606.
  • Kox, A.J. Mars 1988. H.A. Lorentz: Hendrik Antoon Lorentz, l'éther et la théorie générale de la relativité. Archive pour l'histoire des sciences exactes 38(1): 67-78.
  • Klein, M.J.1967. Lettres de mécanique des vagues: Schrödinger, Planck, Einstein, Lorentz, Sous la direction de K. Przibram. New York: Bibliothèque philosophique.
  • Langevin, P. 1911. L'évolution de l'espace et du temps. Scientia X: 31-54
  • Larmor, J. 1897. Sur une théorie dynamique du milieu électrique et lumineux. Phil. Trans. Roy. Soc. 190: 205-300. (Troisième et dernier d'une série d'articles portant le même nom).
  • Macrossan, M. N. 1986. Une note sur la relativité avant Einstein. Brit. J. Phil. Sci. 37: 232-234. Récupéré le 19 août 2007.
  • Poincaré, H. 1900. La théorie de Lorentz et le Principe de Réaction. Archives Neerlandaises V: 253-78.
  • Poincaré, H.1902. La Science et L'Hypothèse. Citation de la traduction anglaise Science et hypothèse, Walter Scott (1905) tel que republié intégralement par Douvres 1952, 175.
  • Poincaré, H. 1905. Sur la dynamique de l'électron. Comptes Rendues 140:1504-8.
  • Poincaré, H.1913. Dernières Pensées Ernest Flammarion 1913. Citation de la traduction anglaise: Mathématiques et sciences: derniers essais. New York: Douvres. 1963.

Voir la vidéo: The Debate between Erwin Schr. u007fodinger and Hendrik Lorentz on the Principles of Quantum Theory (Août 2020).

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