Hendrik Antoon Lorentz ( Lorenz , 18 de julio de 1853 - Lorenz , 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 de 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 del 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 del material, lo que resulta en índices de refracción anormales.
Según la biografía publicada por la Fundación Nobel , "bien puede decirse que Lorentz fue considerado por todos los físicos teóricos como el espíritu líder del mundo, que completó lo que sus predecesores dejaron inacabado y preparó el terreno para la fructífera recepción de las nuevas ideas basadas en la teoría cuántica ". [2] Recibió muchos otros honores y distinciones, incluido un período como presidente del Comité Internacional de Cooperación Intelectual , [3] el precursor de la UNESCO , entre 1925 y 1928. Fue el padre y asesor de doctorado de Geertruida de Haas-Lorentz .
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 y asistía regularmente a la misa católica en su iglesia francesa local. [4] De 1866 a 1869, asistió a la " Hogere Burgerschool " en Arnhem, un nuevo tipo de escuela secundaria pública recientemente establecida por Johan Rudolph Thorbecke . Sus resultados en la escuela fueron ejemplares; no solo sobresalió en 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. [5]
Lorentz estudió física y matemáticas en la Universidad de Leiden , donde recibió una fuerte influencia de la enseñanza del profesor de astronomía Frederik Kaiser ; fue su influencia la que lo llevó a convertirse en físico. Después de obtener una licenciatura , regresó a Arnhem en 1871 para enseñar clases nocturnas de matemáticas, 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 licht " (Sobre la teoría de la reflexión y la refracción de la luz), en la que refinó la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell . [5] [6]
El 17 de noviembre de 1877, con tan solo 24 años de edad, Lorentz fue designado para ocupar la recién creada cátedra de física teórica en la Universidad de Leiden . El puesto había sido ofrecido inicialmente a Johan van der Waals , pero él aceptó un puesto en la Universiteit van Amsterdam . [5] El 25 de enero de 1878, Lorentz pronunció su conferencia inaugural sobre " De moleculaire theoriën in de natuurkunde " (Las teorías moleculares en física). En 1881, se convirtió en miembro de la Real Academia de las Artes y las Ciencias de los Países Bajos . [7]
Durante los primeros veinte años que pasó en Leiden, Lorentz se interesó principalmente por la teoría electromagnética de la electricidad, el magnetismo y la luz. Después, amplió su investigación a un área mucho más amplia, aunque seguía centrándose en la física teórica. Lorentz realizó importantes contribuciones en campos que abarcaban desde la hidrodinámica hasta la relatividad general . Sus contribuciones más importantes fueron en el área del electromagnetismo, la teoría electrónica y la relatividad. [5]
Lorentz teorizó que los átomos podrían estar compuestos de partículas cargadas y sugirió que las oscilaciones de estas partículas cargadas eran la fuente de la 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 galardonado con el premio Nobel de Física en 1902. El nombre de Lorentz ahora se asocia con la ecuación de Lorentz-Lorenz , la fuerza de Lorentz , la distribución de Lorentz , el modelo del oscilador de Lorentz y la transformación de Lorentz .
En 1892 y 1895, Lorentz trabajó en la descripción de fenómenos electromagnéticos (la propagación de la luz) en sistemas de referencia que se mueven en relación con el éter luminífero postulado . [8] [9] Descubrió que la transición de un sistema de referencia a otro podía simplificarse utilizando una nueva variable de tiempo que llamó tiempo local y que dependía del tiempo universal y de la ubicación en consideración. Aunque Lorentz no dio una interpretación detallada del significado físico del tiempo local, con él pudo explicar la aberración de la luz y el resultado del experimento de Fizeau . En 1900 y 1904, Henri Poincaré llamó al tiempo local la "idea más ingeniosa" de Lorentz y lo ilustró mostrando que los relojes en sistemas móviles están sincronizados intercambiando señales de luz que se supone que viajan a la misma velocidad en contra y con el movimiento del sistema [10] [11] (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). [12]
En 1899 y nuevamente en 1904, Lorentz añadió la dilatación del tiempo a sus transformaciones y publicó lo que Poincaré en 1905 llamó transformaciones de Lorentz . [13] [14]
Al parecer, Lorentz desconocía que Joseph Larmor había utilizado transformaciones idénticas para describir 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. [15] 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 artículo 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 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 que la hace más lenta y contraída.
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En 1905, Einstein utilizaría muchos de los conceptos, herramientas matemáticas y resultados que Lorentz discutió para escribir su artículo titulado " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ", [16] conocido hoy como la teoría especial de la relatividad. Debido a que Lorentz sentó las bases para el trabajo de Einstein, esta teoría se llamó originalmente teoría de Lorentz-Einstein . [17]
En 1906, la teoría de los electrones de Lorentz recibió un tratamiento completo en sus conferencias en la Universidad de Columbia , publicadas bajo el título La teoría de los electrones.
El aumento de masa fue la primera predicción de Lorentz y Einstein que se puso a prueba, pero algunos experimentos de Kaufmann parecieron mostrar un aumento de masa ligeramente diferente; esto llevó a Lorentz a la famosa observación de que estaba "au bout de mon latin" ("al final de mi [conocimiento del] latín" = al borde de su ingenio) [18] 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 que trataban sobre lo que él llamó el "principio de relatividad de Einstein". Por ejemplo, en 1909, [19] [ verificación fallida ] 1910, [20] [21] 1914. [22] En sus conferencias de 1906 publicadas con añadidos en 1909 en el libro "La teoría de los electrones" (actualizado en 1915), habló afirmativamente de la teoría de Einstein: [19]
De lo que se ha dicho se desprende claramente que las impresiones recibidas por los dos observadores A0 y A serían en todos los aspectos iguales. Sería imposible decidir cuál de ellos se mueve o se queda quieto con respecto al éter, y no habría razón para preferir los tiempos y longitudes medidos por uno a los determinados por el otro, ni para decir que uno de ellos está en posesión de los tiempos "verdaderos" o de las longitudes "verdaderas". Este es un punto en el que Einstein ha puesto especial énfasis, en una teoría en la que parte de lo que él llama el principio de relatividad. No puedo hablar aquí de las muchas aplicaciones sumamente interesantes que Einstein ha hecho de este principio. Sus resultados sobre los fenómenos electromagnéticos y ópticos concuerdan en lo fundamental con los que hemos obtenido en las páginas anteriores, con la principal diferencia que Einstein se limita a postular lo que hemos deducido, con cierta dificultad y no del todo satisfactoriamente, de las ecuaciones fundamentales del campo electromagnético. Al hacerlo, puede ciertamente atribuirse el mérito de 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 fascinante audacia de su punto de partida, la teoría de Einstein tiene otra marcada ventaja sobre la mía. Mientras que yo no he sido capaz de obtener para las ecuaciones referidas a ejes móviles exactamente la misma forma que para las que se aplican a un sistema estacionario, Einstein lo ha logrado mediante un sistema de nuevas variables ligeramente diferentes de las que he introducido.
Aunque Lorentz todavía sostenía que existe un éter (indetectable) en el que los relojes en reposo indican el "tiempo verdadero":
1909: Sin embargo, creo que también se puede alegar algo a favor de la forma en que he presentado la teoría. No puedo dejar de considerar que el éter, que puede ser la sede de un campo electromagnético con su energía y sus vibraciones, está dotado de un cierto grado de sustancialidad, por diferente que sea de toda la materia ordinaria. [19]
1910: Siempre que haya un éter, entonces, en todos los sistemas x, y, z, t, se prefiere uno por el hecho de que los ejes de coordenadas, así como los relojes, descansan en el éter. Si uno conecta con esto la idea (que abandonaría sólo a regañadientes) de que el espacio y el tiempo son cosas completamente diferentes, y que existe un "tiempo verdadero" (la simultaneidad sería, por lo tanto, 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 debería estar indicado por relojes en reposo en el éter. Sin embargo, si el principio de relatividad tuviera validez general en la naturaleza, no estaríamos en condiciones de determinar si el sistema de referencia que acabamos de utilizar es el preferido. En ese caso, se llegaría a los mismos resultados que si (siguiendo a Einstein y Minkowski) negáramos la existencia del éter y del tiempo verdadero, y consideráramos que todos los sistemas de referencia son igualmente válidos. Sin duda, cada uno puede decidir cuál de estas dos formas de pensar sigue. [20]
Lorentz también dio crédito a las contribuciones de Poincaré a la relatividad. [23]
En efecto, para algunas magnitudes físicas que entran en las fórmulas, no indiqué la transformación que mejor convenía. Esto lo hicieron Poincaré y luego Einstein y Minkowski. No logré obtener la invariancia exacta de las ecuaciones. Poincaré, por el contrario, obtuvo una invariancia perfecta de las ecuaciones de la electrodinámica y formuló el "postulado de la relatividad", términos que fue el primero en emplear. Agreguemos que, al corregir las imperfecciones de mi trabajo, nunca me las reprochó.
Lorentz fue uno de los pocos científicos que apoyó la búsqueda de Einstein de la relatividad general desde el principio: escribió varios artículos de investigación y discutió con Einstein personalmente y por carta. [24] Por ejemplo, intentó combinar el formalismo de Einstein con el principio de Hamilton (1915), [25] y reformularlo de una manera libre de coordenadas (1916). [26] [27] Lorentz escribió en 1919: [28]
El eclipse total de sol del 29 de mayo supuso una sorprendente confirmación de la nueva teoría del poder de atracción universal de la gravitación desarrollada por Albert Einstein, y reforzó así la convicción de que la definición de esta teoría es uno de los pasos más importantes jamás dados en el ámbito de las ciencias naturales.
Lorentz dio una serie de conferencias en el otoño de 1926 en la Universidad de Cornell sobre la nueva mecánica cuántica ; en ellas presentó la mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger . [29]
En 1910, Lorentz decidió reorganizar su vida. Sus deberes de enseñanza y gestión en la Universidad de Leiden le estaban quitando demasiado tiempo, dejándole 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 en Haarlem . Siguió vinculado a la Universidad de Leiden como profesor externo, y sus "conferencias de los lunes por la mañana" sobre nuevos avances en física teórica pronto se convirtieron en legendarias. [5]
En un principio, Lorentz le pidió a Einstein que le sucediera como profesor de física teórica en Leiden. Sin embargo, Einstein no pudo aceptar porque acababa de aceptar un puesto en la ETH de Zúrich . Einstein no se arrepintió de ello, ya que la perspectiva de tener que ocupar el puesto de Lorentz le hacía estremecer. En su lugar, Lorentz nombró a Paul Ehrenfest como su sucesor en la cátedra de física teórica de la Universidad de Leiden, quien fundaría el Instituto de Física Teórica que se conocería más tarde como el Instituto Lorentz . [5]
Después de la Primera Guerra Mundial, Lorentz fue una de las fuerzas impulsoras de la fundación de la "Comité de Investigación Científica Aplicada de los Países Bajos", un comité que debía aprovechar el potencial científico reunido en la Real Academia de las Artes y las Ciencias de los Países Bajos (KNAW) para resolver problemas civiles como la escasez de alimentos que había resultado de la guerra. Lorentz fue nombrado presidente del comité. Sin embargo, a pesar de los mejores esfuerzos de muchos de los participantes, el comité cosechó poco éxito. La única excepción fue que finalmente resultó en la fundación de la TNO, la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada . [5]
El gobierno holandés también le pidió a Lorentz que presidiera un comité para calcular algunos de los efectos de la presa de control de inundaciones propuesta por Afsluitdijk (presa de recinto) sobre los niveles de agua en el Waddenzee . La ingeniería hidráulica era principalmente una ciencia empírica en ese momento, pero la perturbación del flujo de marea causado por el Afsluitdijk era tan inédita que no se podía confiar en las reglas empíricas. Originalmente, se suponía que Lorentz solo tendría un papel de coordinador en el comité, pero rápidamente se hizo evidente que Lorentz era el único físico que tenía alguna tracción fundamental en el problema. En el período de 1918 a 1926, Lorentz invirtió una gran parte de su tiempo en el problema. [30] 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 cuasi unidimensional del flujo de agua en el Waddenzee . El Afsluitdijk se terminó de construir en 1932 y las predicciones de Lorentz y su comité resultaron ser notablemente precisas. [31] [5] Uno de los dos juegos de esclusas del Afsluitdijk recibió su nombre.
En 1881, Lorentz se casó con Aletta Catharina Kaiser. Su padre era J. W. Kaiser, profesor de la Academia de Bellas Artes y director del museo que más tarde se convertiría en el famoso Rijksmuseum (Galería Nacional). También fue el diseñador de los primeros sellos postales de los Países Bajos.
De este matrimonio nacieron dos hijas y un hijo.
La hija mayor, la Dra. Geertruida Luberta Lorentz , era física. Se casó con el profesor Wander Johannes de Haas , quien era el director del Laboratorio Criogénico de la Universidad de Leiden. [32]
En enero de 1928, Lorentz enfermó gravemente y murió poco después, el 4 de febrero. [5] El respeto que se le tenía en los Países Bajos se hace evidente en la descripción que Owen Willans Richardson hizo de su funeral:
El funeral se celebró en Haarlem al mediodía del viernes 10 de febrero. A las doce en punto, los servicios de telégrafo y teléfono estatales de Holanda se suspendieron durante tres minutos como homenaje al hombre más grande que los Países Bajos han producido en nuestro tiempo. Asistieron al funeral muchos colegas y físicos distinguidos de países extranjeros. El presidente, Sir Ernest Rutherford , representó a la Royal Society y pronunció un discurso de agradecimiento junto a la tumba.
—O . W. Richardson [33]
Imágenes 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 el Grote Markt, Haarlem , desde Zijlstraat hasta Smedestraat, y luego de regreso a través de Grote Houtstraat hacia Barteljorisstraat, en el camino hacia "Algemene Begraafplaats" en Kleverlaan (cementerio del norte de Haarlem), se ha digitalizado en YouTube . [34] Entre otros, asistieron al funeral Albert Einstein y Marie Curie . [35]
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 las ciencias naturales florecieron en los Países Bajos. [5]
Richardson describe a Lorentz como:
Hombre de notables facultades intelectuales. Aunque estaba inmerso en su propia investigación del momento, siempre parecía tener a su alcance las ramificaciones que se extendían a todos los rincones del universo. La singular claridad de sus escritos es un reflejo sorprendente de sus maravillosas facultades en este sentido. Poseía y empleaba con éxito la vivacidad mental necesaria para seguir el curso de la discusión, la perspicacia necesaria para extraer las afirmaciones que iluminan las verdaderas dificultades y la sabiduría para conducir la discusión por cauces fructíferos, y lo hacía con tanta habilidad que el proceso era apenas perceptible. [33]
MJ Klein (1967) escribió sobre la reputación de Lorentz en la década de 1920:
Durante muchos años, los físicos siempre habían estado ansiosos por "escuchar lo que Lorentz diría al respecto" cuando se proponía una nueva teoría, e, incluso a los setenta y dos años, no los decepcionó. [36]
Einstein escribió sobre Lorentz:
1928: La enorme importancia de su obra consistió en que constituye la base de la teoría de los átomos y de las teorías de la relatividad general y especial. La teoría especial fue una exposición más detallada de los conceptos que se encuentran en la investigación de Lorentz de 1895. [37]
1953: Para mí personalmente significó más que todos los demás que he conocido en el camino de mi vida. [38]
Poincaré (1902) dijo de la teoría de la electrodinámica de Lorentz: [39]
La teoría más satisfactoria es la de Lorentz; es, sin duda, la que mejor explica los hechos conocidos, la que pone de relieve el mayor número de relaciones conocidas. Es gracias a Lorentz que los resultados de Fizeau sobre la óptica de los cuerpos en movimiento, las leyes de la dispersión normal y anormal y las de la absorción están relacionados entre sí. Observemos con qué facilidad encontró su lugar el nuevo fenómeno de Zeeman , 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: [40]
El principal mérito de Lorentz será haber demostrado que las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo también admiten un grupo de transformaciones que les permite retomar la misma forma cuando se realiza una transición de un sistema de referencia a otro. Este grupo difiere fundamentalmente del grupo anterior en lo que respecta a las transformaciones del espacio y del tiempo.
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 estatus de Lorentz en ese momento: [41]
A cada instante se oía a los veinte físicos de distintos países hablar de la mecánica cuántica, que contrastaban con la mecánica antigua. Ahora bien, ¿qué era la mecánica antigua? ¿La de Newton, la que reinaba todavía sin oposición a finales del siglo XIX? No, era la mecánica de Lorentz, la que trataba del principio de la relatividad; la que, hace apenas cinco años, parecía ser el culmen de la audacia.
Además del premio Nobel , Lorentz recibió numerosos honores por su destacada labor. Fue elegido miembro extranjero de la Royal Society (ForMemRS) en 1905. [ 1] La Sociedad le otorgó su Medalla Rumford en 1908 y su Medalla Copley en 1918. Fue elegido miembro honorario de la Sociedad Química de los Países Bajos en 1912. [42] Fue miembro internacional de la Sociedad Filosófica Estadounidense , la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos y la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias . [43] [44] [45]
Aunque creció en círculos protestantes, era un librepensador en materia religiosa; asistía regularmente a la iglesia francesa local para mejorar su francés.
Mme. Curie uit París; ...profe. dr. A. Einstein en Berlín;
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