Hendrik Lorentz

Hendrik Antoon Lorentz (18. heinäkuuta 1853 – 4. helmikuuta 1928) oli hollantilainen fyysikko, joka kehitti muun muassa Lorentzin muunnoksen, joka on keskeinen erityisessä suhteellisuusteoriassa. Hän sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1902 yhdessä Pieter Zeemanin kanssa Zeemanin ilmiön löytämisestä ja selittämisestä. Ilmiö liittyy sähkömagneettisen säteilyn spektriviivojen jakautumiseen magneettikentän vaikutuksesta.
Elämä.
Nuoruus.
Hendrik Lorentz syntyi Arnhemissa Alankomaissa vuonna 1853. Hänen vanhempansa olivat lastentarhan omistaja Gerrit Frederik Lorentz ja Geertruida van Ginkel. Geertuida-äiti kuoli Hendrikin ollessa nelivuotias. Hänen isänsä meni naimisiin Luberta Hupkesin kanssa vuonna 1862.
Peruskoulussa oli tuolloin opetusta aamuisin, päivisin sekä iltaisin, jolloin opetus oli vapaamuotoisempaa. Tämän ansiosta Lorentzilla oli valmiudet siirtyä suoraan kolmannelle vuosiluokalle, kun Arnhemin ensimmäinen lukio vuonna 1866 avattiin. Viidennen vuosiluokan ja vuoden klassisten kielten opiskelun jälkeen Lorentz aloitti 1870 opinnot Leidenin yliopistossa.
Opiskeluvuodet.
Lorentz suoritti 1871 kandidaatin tutkinnon matematiikasta ja fysiikasta. Hän palasi seuraavana vuonna Arnhemiin opettamaan matematiikkaa iltapäiväkursseilla. Samaan aikaan hän valmisteli väitöskirjaansa, "Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht", valon heijastumisesta ja taittumisesta. Tohtoriksi Lorentz valmistui 22-vuotiaana vuonna 1875. Hänen väitöskirjaansa ohjasi Pieter Rijken, ja se täsmensi James Clerk Maxwellin teoriaa sähkömagneettisesta säteilystä.
Professorina Leidenissä.
Lorentz nimitettiin 1878 Leidenin yliopiston teoreettisen fysiikan professoriksi. Virka oli perustettu nimenomaan häntä varten. Lorentz sai urallaan useita kutsuja ulkomaalaisista yliopistoista, mutta hän pysyi uskollisena yliopistolleen.
Lorentz käsitteli vuonna 1878 pitämässään virkaanastujaispuheessa fysiikan molekyyliteorioita. Lorentz ei ollut ensimmäisinä vuosinaan kovinkaan tuottelias, sillä vuosina 1878–1892 hän julkaisi keskimäärin yhden tutkimuksen vuodessa. Tuona aikana hän kirjoitti myös kaksi oppikirjaa, joita molempia luettiin paljon.
Leidenin yliopiston professorina Lorentz keskittyi ensimmäiset 20 vuotta sähkömagneettisen säteilyn teoriaan pyrkien selittämään säteilyn, sähkön ja magnetismin välisen yhteyden. Myöhemmin hän laajensi teoreettista tutkimustaan monille muille alueille, mutta hänen suurimmat teoriansa ja saavutuksensa ovat sähkömagnetismin, elektronien teorian ja suhteellisuuden alalta.
Vuonna 1912 Lorentz jäi eläkkeelle virastaan Leidenin yliopistossa ja vastaanotti kaksoisviran Hollannin tiedeakatemian, Hollandsche Maatschappij der Wetenschappenin sihteerinä ja Teylerin museon kuraattorina Haarlemissa. Hän jatkoi kuitenkin ylimääräisen professorin virassa Leidenissä pitäen edelleen kuuluisiksi tulleita maanantaiaamun luentojaan. Lorentz jatkoi luentojen pitämistä elämänsä loppuun asti.
Myöhemmät vuodet.
Lorentzin jäätyä varhaiselle eläkkeelle Leidenin yliopiston professorin virasta hänen seuraajakseen nimitettiin Paul Ehrenfest. Ehrenfestin perustama teoreettisen fysiikan instituutti nimettiin myöhemmin Lorentz-instituutiksi. Fysiikan Nobel-palkinnon lisäksi Lorentzille myönnettiin monia muitakin kunnianosoituksia, kuten 1908 Rumford-mitali ja 1918 Copley-mitali. Hänet myös valittiin Royal Societyn jäseneksi vuonna 1905.
Lorentz tunnetaan erityisesti teoreettisena fyysikkona, mutta hän vaikutti myös kokeellisen fysiikan alalla. Hollannin hallituksen pyynnöstä hän teki mittauksia työryhmänsä kanssa vuodet 1918–1926 Afsluitdijkin alueelle rakennettavaa patoa varten. Virtaustekniikka oli tuohon aikaan hyvin empiirinen tiede, mutta vuoroveden aiheuttamat häiriöt Afsluitdijkilla olivat niin ennustamattomia, ettei empiirisiin sääntöihin voitu luottaa. Lorentz selvitti kuitenkin ongelman numeerisesti. Afsluitdijkin pato valmistui Lorentzin kuoleman jälkeen vuonna 1933, ja hänen tekemänsä laskelmat osoittautuivat tarkoiksi.
Perhe.
Lorentz meni 1881 naimisiin Aletta Catharina Kaiserin kanssa. Aletta oli amsterdamilaisen taidekoulun professori ja hollantilaisen postimerkkien suunnittelijan Johann Wilhelm Kaiserin tytär. Aletta ja Hendrik Lorentz saivat kaksi tytärtä ja yhden pojan. Vanhimmasta tyttärestä Geertruida de Haas-Lorentzista tuli isänsä tapaan fyysikko, joka meni naimisiin fyysikko Wander Johannes de Haasin kanssa.
Tutkimukset.
Elektronit ja valo.
Lorentz teoretisoi, että atomit saattaisivat koostua varatuista hiukkasista ja ehdotti, että näiden varattujen hiukkasten värähtely saa aikaan sähkömagneettista säteilyä. Vuonna 1896 Pieter Zeeman, kollega ja Lorentzin oppilas, osoitti teorian kokeellisesti paikkansapitäväksi. Vain muutama vuosi myöhemmin vuonna 1902 heidät palkittiin fysiikan Nobel-palkinnolla tästä merkittävästä työstä.
Suhteellisuus.
Yrittäessään selittää Michelsonin–Morleyn koetta 1895 Lorentz arvioi, että liikkuvat kappaleet kutistuvat liikkeensä suunnassa. Samantapaisen väitteen oli aiemmin esittänyt jo George FitzGerald. Lorentz kehitti käsitteen paikallinen aika, mitä Henri Poincaré piti suurenmoisena ajatuksena. Poincaré osoitti vuonna 1900, kuinka eri koordinaatistoissa liikkuvat kellot voidaan synkronisoida samaan aikaan käyttäen valosignaalia, jonka oletetaan kulkevan aina samalla nopeudella riippumatta koordinaatiston nopeudesta. Poincaré myös nimesi Lorentzin 1899 julkaisemat ja 1904 täydentämät muunnokset Lorentzin muunnoksiksi. Lorentz oli ilmeisesti tietämätön Joseph Larmorin 1897 julkaisemasta atomia kiertävien elektronien aikadilataation ennustavasta muunnoksesta, joka oli identtinen Lorentzin muunnoksen kanssa. Myöhemmin Poincaré ja Albert Einstein esittivät yhtälöt, jotka nykyään tunnetaan erityisenä suhteellisuusteoriana. Erityisen suhteellisuusteorian yhtälöt ovat algebrallisesti yhtenevät Larmorin ja Lorentzin yhtälöiden kanssa.