第三十一回 洛伦兹出身卑贱，做科研立地顶天
一提起“洛伦兹”之名，很多人立马就会两眼放光，急切地说：“哦，我知道！”但是，伙计别急，咱先得搞搞清楚，看看你说的那个洛伦兹与本回主角是不是同一个人。在著名科学家中，有好几位叫洛伦兹的人，不但普通人会被搞糊涂，而且科学界常闹出乌龙。君若不信，咱就来简单地梳理一下。
从出生地来看，至少有荷兰的洛伦兹、美国的洛伦兹、奥地利的洛伦兹和丹麦的洛伦兹等，而本回主角是荷兰的那个洛伦兹。
从年龄来看，至少有1829年出生的老洛伦兹、1853年出生的大洛伦兹、1903年出生的中洛伦兹和1917年出生的小洛伦兹，而本回主角则是大洛伦兹。
从学科领域看，至少有物理学家洛伦兹、气象学家洛伦兹和统计学家洛伦兹，而本回主角则是物理学家洛伦兹。伙计，别以为这样就说清楚了，其实还早着呢，因为在著名的物理学家中就有两位洛伦兹，而且他们是小同行，都在揭示电磁波传播速度方面做出过重大贡献。他们才是最容易被张冠李戴的，他俩甚至曾在同一著名物理期刊的同一期上发表过同一领域的两篇论文！
另外，即使“洛伦兹方程”的命名者也至少有两位洛伦兹！
算了，甭绕弯子了，咱就直说了吧。本回主角就是1853年7月18日生于荷兰阿纳姆的亨德里克·安东·洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz）。他是在从经典物理学到近代物理学的发展过程中起承上启下作用的科学巨擘，也是电子论的创立者。他填补了经典电磁理论与相对论之间的鸿沟，导出了爱因斯坦狭义相对论的基础变换方程（即洛伦兹变换）。总之，他既是经典物理学的关门者，也是现代物理学的开拓者。至今，在许多物理著作中，仍常见其身影，比如洛伦兹公式、洛伦兹力、洛伦兹分布、洛伦兹方程等。哦，差点忘了，他还获得过1902年的诺贝尔物理学奖呢。
洛伦兹出生那年，他的祖国还真是喜事连连，因为在这一年荷兰诞生了多位名人，比如艺术界有著名画家凡·高，科学界有著名物理学家昂内斯（超导现象的发现者）。此外，这一年还有多位国际名人也陪伴洛伦兹一起来到了人间，比如瑞典著名画家拉森、德国著名科学家和诺贝尔化学奖得主奥斯特瓦尔德、中国著名思想家严复等。仍然是这一年，多个国家都发生了影响历史的重要事件。比如，在中国，太平军攻克并定都南京，随后便开始北伐；在俄国，沙皇下令侵占库页岛；在日本，发生了黑船事件，从此日本打开国门，走上了现代化之路；在欧洲，爆发了拿破仑之后规模最大的克里米亚战争，奥斯曼帝国、英国、法国、撒丁王国等先后向俄国宣战，最终以俄国战败而告终。
洛伦兹的祖先来自德国莱茵兰地区，大多以务农为生。他的父亲是一个小人物，主业为幼儿园的男“阿姨”，同时种有一片水果苗圃。他的生母的命很苦，她虽与前夫育有三子，可很快便有两子夭折，接着前夫也去世了。于是，她只好带着仅存的幼子改嫁给了洛伦兹的生父。可更惨的是，在生下洛伦兹后仅仅7年，她也去世了。两年后，洛伦兹便开始与继母等一起生活。换句话说，幼年时的洛伦兹所面临的第一个严峻挑战便是怀着对生母的深深眷恋，与各种各样的亲人和睦相处，比如同母异父的哥哥、同父异母的弟弟和妹妹、突然到来的继母以及被艰难生活折磨得够呛的父亲等。这样的相处还是在衣食堪忧的情况下进行的，其艰难程度可想而知。生父能不能公平地对待各个孩子，继母会不会偏心，自己会不会误解亲人或被他们误解，出现误解时又该如何处理……总之，问题很多，且每个问题都很棘手。幸好洛伦兹的继母很善良，她不但一视同仁地精心照顾这些孩子，而且培养了洛伦兹的一项惊人本领——超强的融合能力。随后的事实表明，洛伦兹的这项本领在学习、生活和科研等方面发挥了不可替代的重要作用，他的成功在很大程度上也有赖于适时地将这本领发挥成应变能力、借鉴能力和适应能力，用达尔文进化论的专业术语来说就是顺应能力。总之，洛伦兹的童年并未因其生母的过早离世而受到太大的影响。他对继母的感情也很深，以至他在成年后竟为自己的大女儿取了与继母一样的名字，以示感恩。
6岁时，洛伦兹进入当地的一所小学读书。他不但学到了常规的小学知识，还额外接触到了数学和物理学等方面的高深知识。这主要得益于该校的创始人蒂默先生，因为他热心科普，还出版过几本物理教材，经常给洛伦兹等优秀学生“开小灶”。事实证明，这一点非常重要，因为他在洛伦兹的幼小心灵里激发出了洛伦兹对科学的好奇心并进而转化成对科学的激情。
13岁时，洛伦兹进入阿纳姆高等中学，又很幸运地碰到了一批优秀老师，学到了不少重要的思考方法。一位出版过多部物理学著作的老师范德斯塔特更是洛伦兹的贵人，他不但将后者在小学期间被激发的科学热情锁定在了物理学领域，而且使洛伦兹决定从此献身物理学。他还对洛伦兹随后的学习、生活和工作提供了长期的、多方面的、直接和间接的帮助。在中学期间，除了自然科学外，记忆力出众的洛伦兹还对历史和文学很感兴趣。他读过关于荷兰和英国历史的众多著作，还读过许多经典小说，尤其喜欢狄更斯等人的作品。洛伦兹的超强融合能力首先在学习外语方面显现了神威。他迅速掌握了英语、法语、德语、希腊语与拉丁语等多种语言。即使面对一门新的语言，他也能很快根据上下文，推断出相应的语法结构。这当然得益于他的语言天赋，但更得益于他超强的融合能力。他找到了各种语言之间的某种结构共性，然后将自己所熟悉的这种共性推广到新语种，并注意把握其个性。其实，这便是如今所谓的智能翻译的核心，即把语法、语义和常识等层面连成有机的整体，实现语句在不同层面上的转换。
洛伦兹超强的融合能力还体现在他的性格的转变上。少年时的洛伦兹并不善交际，甚至还有点腼腆。即使在亲人面前，他也少言寡语。但在成年后，他的性格发生了翻天覆地的变化，他甚至变成了有名的“铁嘴”。面对各方面的人员，哪怕是敌对国家的科学家，他也能很快找到大家的利益共同点，然后以此为基础，把各方完美地团结在一起。同行们都很喜欢他，召开物理学界重要的国际会议时几乎每次都请他当大会主席。这不仅因为他精通多种语言（当然，这一点确实很重要，其实外语能力对科学家走向世界来说绝对是必要的），而且因为他能准确地理解发言者的意图，更因为他还是一位辩论高手，可轻松驾驭最为混乱的辩论。他曾幽默地说道：“即使不吃‘物理饭’，单凭我的嘴也完全能养活全家人。”他在成为经典物理学的代言人后，不得不面对现代物理学的挑战，面对经典物理即将“崩盘”的局面，面对自己的地位和荣誉即将受到重大影响的境况，他自嘲地说道：“唉，要是我能在‘崩盘’前死掉就好了，眼不见心不烦嘛！”当然，他也在积极应对这种局面，很快就取得了重大成就，否则就不能说他是“现代物理学的敲门人”了。
17岁时，洛伦兹考入了荷兰最古老的学府——莱顿大学。在此期间，他不但遇到了众多名师，而且在那位中学老师的介绍下认识了该校的天文学教授凯泽，并与他结成了忘年交。后者甚至将自己的侄女介绍给洛伦兹，成全了一桩美好姻缘。此乃后话，这里暂且按下不表。在大学期间，洛伦兹通过课堂和自学等渠道接触到了当时经典物理学的几个高深理论，比如麦克斯韦的电磁理论、亥姆霍兹的能量守恒理论、法拉第的电子场理论、赫兹的电磁波理论以及菲涅耳的相关理论等。洛伦兹竟给自己确立了一个超级目标：将这些高深理论融合起来！妈呀，这在当时简直就是痴人说梦。不过，洛伦兹就是洛伦兹，他努力将此梦想变为现实，同时也并未影响正常学业。他只用了短短一年时间就学完了大学的所有课程，并闪电般地通过了硕士学位考试。1872年2月，他离开学校，回家准备博士入学考试。
回家后，洛伦兹便开始一门心思研究麦克斯韦的理论。为了有条件做实验，他便在当地的一所学校做了兼职老师。后来，洛伦兹回忆说，他的这段经历可能是他一生中最重要的经历，因为他做出了当时最大胆的设想，即把光解释为电磁现象。洛伦兹于1873年通过了博士入学考试，于1875年12月11日以《论光反射与折射的理论》为题，顺利通过了答辩，获得了博士学位。这篇博士论文正是对他那大胆设想的验证，他基于麦克斯韦理论，圆满地解释了光的反射和折射现象，从而为实现自己的梦想向前迈出了第一步。当然，这一步还有另一个重要收获，那就是他于1878年1月25日被母校聘为理论物理学教授，而获得这一职位又是那位贵人让贤的结果。从此，他便在莱顿大学待了35年，并在这里取得了主要的物理学成就。
成为教授后，洛伦兹的性格变得开朗和自信了，“铁嘴功”更是突飞猛进。他一登上讲台便激情四射、口若悬河。尽管备课要花费很多时间和精力，但他很喜欢教学，也深受学生喜欢，被认为“具有一种特质，既和善又单纯，还在无形中与学生们保持了恰到好处的距离”。后来，他的讲义被编成多本教材，反复重印，并被译成数种文字在若干大学里广泛使用。再后来，课堂演讲已挡不住他的热情了。于是，他开始面向公众普及物理学的相关知识。由于他能将复杂的问题讲得很简单、清晰，所以他的演讲备受欢迎。大家都非常佩服他的渊博学问，惊叹他的高明技巧，赞赏他的精炼语言，夸赞他的风趣幽默。这时的洛伦兹主要活跃在国内的学术圈，很少在国外发表论著，甚至极力避免接触外界。看来，他的“铁嘴功”还得再“闭关修炼”一番。果然，后来他“出关”时就能“侃”遍全球无敌手了。
27岁时，洛伦兹结识了凯泽的侄女。双方一见钟情，闪电般地订了婚，然后在翌年年初喜结连理。婚后，二人生育了两子两女。可惜长子夭折，不过长女很有出息，还成了洛伦兹的学生，继承父业从事物理研究。正是从长女的口中，后人才知道了洛伦兹的生活片断。她说：父亲喜欢挑战难题，而且总能轻松应对；他没有其他天才人物的古怪行为，更无书生酸气；他是一位习惯良好、性格谨慎的学者；他也擅长社交，在雪茄和美酒中总能表现出过人的幽默与交谈天赋。当然，成家立业后的洛伦兹并没忘记自己的梦想，一直在努力迈出第二步，虽然这确实很难。1879年，洛伦兹继续沿着他的博士论文的思路，向前迈出了小小的第二步。为啥这里要说是“小小的第二步”呢？因为，一来洛伦兹仍只是在“解剖麻雀”，即通过分子学说来研究光的物质特性，揭示光的传播速度、折射率与介质密度的关系；二来类似的结论在10年前已由另一位洛伦兹（即本回开头提到的那位老洛伦兹）给出过了。为了同时纪念这两位洛伦兹，如今该结果被称为洛伦兹-洛伦兹方程。
洛伦兹实现梦想的关键第三步是在1892年迈出的。这次他虽未最终实现梦想，但已不再是“解剖麻雀”了，而是开始考虑一般情况。此时，最典型的成果便是中学生耳熟能详的那个洛伦兹力，即运动电荷在磁场中所受到的作用力。该力的方向可由左手定则来确定，即将左手掌摊平，让磁感线穿过掌心，用四指表示正电荷的运动方向，则与四指垂直的大拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向。关于该力大小的表示方法，有两个版本：对中学生来说，该力的大小为带电粒子的电荷量、速度和磁感应强度三者的乘积；对大学生来说，则有更完整的表述，还要再加上“带电粒子的电荷量与电场强度之积”，这是因为在中学阶段没考虑电场部分。
最终使洛伦兹的梦想成为现实的是他在1895年迈出的第四步。这时，经典物理学的高峰理论终于被融成一体，成为经典物理学的统一基础理论，即电子论。该理论认为，一切物质的分子中都含有电子，它就是形成阴极射线的粒子。于是，物理学家便可用“物质由带电粒子构成”的假设来解释当时已发现的各种物理现象，把“电磁波与物质相互作用”归结为“电磁波与物质中电子的相互作用”。但是，该理论是否正确，如何验证呢？别急，洛伦兹胸有成竹地用该理论预言了“原子光谱磁致分裂现象”，即如今所说的塞曼效应。一年后，该现象果然被他的学生塞曼用实验证实了！
洛伦兹的电子论把经典物理学推上了最高峰，他本人也因此成为了经典物理学史上最后一位巨人。至此，经典物理学已达到相当完美和成熟的地步，以至当时不少物理学家踌躇满志，甚至认为物理学大厦已经落成，今后物理学家们没事可干了，只需把各种数据测得更精确就行了。然而，大家高兴得太早了，因为有人很快就发现了“经典物理学无法解释”的许多怪现象，特别是光电效应、原子光谱和原子的稳定性等实验事实更接二连三地把经典理论逼进了死角，使经典物理学突然陷入危机，刚建成的经典物理学大厦摇摇欲坠。
人们都说天塌了有高个子顶着，如今经典物理的“天”可真要塌了，于是刚刚成为一代物理学巨擘的洛伦兹就必须顶着了。咋顶呢？当然是老办法，那就是在更大范围内进行“融合”！已经“知天命”的洛伦兹明白，这次新的“高峰融合”不可能由自己一人完成，况且像什么相对论、量子理论等新的“高峰”还在不断涌现，所以，必须立即开始培养后起之秀。于是，爱因斯坦和薛定谔等青年才俊很快进入了洛伦兹的法眼，成为重点培养对象。每当有人前来拜访并寻求帮助时，洛伦兹总是平等相待，从不以权威姿态把任何观点强加于人。洛伦兹为人热诚谦虚，也深受青年理论物理学家们尊敬。爱因斯坦坦称“自己一生中受洛伦兹的影响最大”，甚至崇拜他是“智慧与应变的奇迹”。
作为经典物理学的代表人物，洛伦兹却完全是以科学的态度来对待现代物理学的各种新挑战的。他始终认为“物理学研究的目的是寻求简单且能说明所有现象的基本原理”，所以，他绝不偏袒自己的已有成就。比如，他最早承认量子假说与自己的电子论假说存在深刻的对立。他独立提出了长度收缩的假说，认为相对运动的物体在其运动方向上的长度将缩短，而且给出了长度收缩的准确公式。1899年，他又研究了惯性系之间坐标和时间的变换问题，发现电子与速度有关。1904年，他发表了著名的洛伦兹变换公式，揭示了质量与速度的关系，并指出光速是物体相对于以太运动的速度的极限。正是洛伦兹变换帮助爱因斯坦创立了狭义相对论。后来，爱因斯坦继承了洛伦兹的“融合”思想，进一步创立了广义相对论，甚至试图建立所谓的“统一场论”，要将整个物质世界和谐地统一起来，要全面融合自然界的所有4种基本相互作用（即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用）。
无论是生活还是工作，洛伦兹始终以开放的心态，以“能融天下难融之事”的精神来对待万事万物。他不仅在学术上富有成就，在人品上也赢得了同时代人的敬重。1928年2月4日，洛伦兹因病去世，享年74岁。爱因斯坦在洛伦兹的葬礼上致悼词时说：“他是我们这个时代最伟大、最高尚的人。”