Лоренц, Хендрик Антон: биография
Применения: магнитооптика, эффект Зеемана и открытие электрона
Ещё одной областью, в которой электронная теория нашла успешное применение, стала магнитооптика. Лоренц дал трактовку таким явлениям, как эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации в магнитном поле) и магнитооптический эффект Керра (изменение поляризации света, отражённого от намагниченной среды). Однако наиболее убедительным свидетельством в пользу электронной теории стало объяснение магнитного расщепления спектральных линий, известного как эффект Зеемана. Первые результаты экспериментов Питера Зеемана, наблюдавшего уширение D-линии спектра натрия в магнитном поле, были доложены Нидерландской академии наук 31 октября 1896 года. Уже несколько дней спустя Лоренц, присутствовавший на этом заседании, дал объяснение новому явлению и предсказал ряд его свойств. Он указал на характер поляризации краёв уширенной линии при наблюдении вдоль и поперёк магнитного поля, что было подтверждено Зееманом в течение ближайшего месяца. Другое предсказание касалось структуры уширенной линии, которая на самом деле должна представлять собой дублет (две линии) при продольном наблюдении и триплет (три линии) при поперечном. Применив более совершенное оборудование, в следующем году Зееман подтвердил и этот вывод теории. Рассуждения Лоренца основывались на разложении колебаний заряженной частицы («иона» по тогдашней терминологии учёного) вблизи положения равновесия на движение вдоль направления поля и движение в перпендикулярной плоскости. Продольные колебания, на которые магнитное поле не действует, приводят к появлению несмещённой линии излучения при поперечном наблюдении, тогда как колебания в перпендикулярной плоскости дают две линии, смещённые на величину e H / 2 m c {\displaystyle eH/2mc} , где H {\displaystyle H} — напряжённость магнитного поля, e {\displaystyle e} и m {\displaystyle m} — заряд и масса «иона», c {\displaystyle c} — скорость света в вакууме.
Из своих данных Зееман смог получить знак заряда «иона» (отрицательный) и отношение e / m {\displaystyle e/m} , которое оказалось неожиданно большим и не позволяло ассоциировать «ион» с обычными ионами, свойства которых были известны из опытов по электролизу. Как выяснилось после экспериментов Дж. Дж. Томсона (1897), это отношение совпало с таковым для частиц в катодных лучах. Поскольку эти последние частицы вскоре получили название электронов, Лоренц с 1899 года в своих исследованиях стал использовать этот термин вместо слова «ион». Кроме того, он впервые оценил заряд и массу электрона по отдельности. Таким образом, результаты измерений расщепления спектральных линий и их теоретическая интерпретация дали первую оценку основных параметров электрона и способствовали принятию научным сообществом представлений об этих новых частицах. Иногда не без оснований утверждается, что Лоренц предсказал существование электрона. Хотя открытие эффекта Зеемана стало одним из высших достижений электронной теории, вскоре оно показало и её ограниченность. Уже в 1898 году были обнаружены отклонения от простой картины явления, построенной Лоренцем; новая ситуация получила название аномального (сложного) эффекта Зеемана. Учёный в течение многих лет пытался усовершенствовать свою теорию, чтобы объяснить новые данные, но потерпел неудачу. Загадка аномального эффекта Зеемана была разгадана только после открытия спина электрона и создания квантовой механики.
Электродинамика движущихся сред
Основные результаты
В физике XIX века проблема распространения света в движущемся теле была тесно связана с вопросом о механических свойствах светоносного эфира. Этот вопрос стал ещё более сложным после объединения оптики с электромагнетизмом. Впервые Лоренц обратился к оптике движущихся сред в 1886 году. Свойства эфира должны были, с одной стороны, объяснить отсутствие влияния движения Земли на оптические явления, наблюдаемые экспериментально, а с другой — дать трактовку аберрации света. Рассмотрев известные на тот момент теории полностью неподвижного и полностью увлекаемого движущимся телом эфира, Лоренц предложил промежуточный вариант — гипотезу о частичном увлечении эфира, характеризуемом френелевским коэффициентом увлечения k = 1 − 1 / n 2 {\displaystyle k=1-1/n^{2}} . Вместе с тем он склонялся к гипотезе неподвижного эфира Френеля, как наиболее простой для объяснения наблюдаемых явлений. Кроме того, он обнаружил ошибку в расчётах Альберта Майкельсона, касающихся первого варианта (1881) его знаменитого опыта. После исправления этой ошибки уже нельзя было сделать какое-либо однозначное заключение: требовался усовершенствованный эксперимент.
