在19世纪向20世纪交替的时候，物理学界尊H.A.洛仑兹为其领袖。那时也正是经典物理向现代物理转变的“世纪之交”c爱因斯坦称洛仑兹为物理学这两个时代之交替时期“最伟大和最崇高的人”。尔今又逢新的世纪之交，今年又是洛仑兹逝世70周年，不禁使我们想起，被认作世纪之交一伟人的洛仑兹，他的科学成就对于物理学转变到底产生怎样的作用，其博大胸怀和高尚品格是否别具交替时期的特殊魅力？

概述：从两个公式到“七座雕像”

洛仑兹（H.A.Lorentz），1853年生于荷兰的阿纳姆，1928年卒于荷兰的哈勒姆，其间长期在荷兰的莱顿大学担任教授职务、洛仑兹逝世后，荷兰的政府和人民为他在各地建造纪念雕像。而在阿纳姆某山坡上则树起一雕像群，共七座，排列次序为：C.惠更斯、A.J.菲涅耳、J.C.麦克斯韦、H.A.洛仑兹、M.普朗克、A.爱因斯坦、N.玻尔。洛仑兹居中，其一侧是三位20世纪之前的经典物理学家，另一侧是三位于20世纪初叶对物理学理论作出根本性突破的现代物理学家。此雕像群确切地显示了洛仑兹对于物理学转变起到承前启后、孕育其理论上根本性突破的促进作用

惠更斯提出了颇负盛名的光波动理论（1790年）以及光以太概念。菲涅耳则阐发了光波动理论，特别是从衍射和偏振两个方面丰富了光波的性质，定量地导出光的反射、折射定律（即菲涅耳公式）；此外还提出物体（例如地球）运动时部分地曳引以太的假说，并算出相应的曳引系数。至于麦克斯韦，乃是电磁场理论，即电动力学（1864年）的缔造者，由于他对经典场论的首创性贡献，致使牛顿力学的基本概念受到有力的冲击。他关于电磁波存在的预言和光是电磁波的论断，为日后的赫兹实验所证实（1887年）。

洛仑兹深受这几位物理学家的影响。他在求学时就接受光波动学说，年仅20岁，便设计实验寻找电磁波；连续电磁场及其波动性观念正是其科研工作的基本出发点。洛仑兹刻苦钻研麦克斯韦的晦涩难懂的著作，反复阅读《菲涅耳全集》；他钦佩麦克斯韦的场论造就，欣赏菲涅耳论述的简易，以及亥姆霍兹等人对麦克斯韦著作所作的比较清晰的诠释。洛仑兹参照菲涅耳和亥姆霍兹等人的方式，用以简化麦克斯韦的理论体系，并充实、拓展其物理涵义；他的电子论（1895年）成为更加全面、但更为简明的电磁场理论。故而爱因斯坦等人常常称其为麦克斯韦-洛仑兹电动力学；这实际上已为狭义相对论提供了理论雏形。再则，电子论还是洛仑兹将对麦克斯韦电磁场理论的研究结合以对物质的分子、原子理论的探讨的产物，他明确地预言一切有重物质的分子、原子都含有“电粒子”（1892年），这便是后来（1897年）汤姆孙所发现的电子。洛仑兹的这一创见，应看作是对物质微观结构认识的重大贡献，面对于后人进一步探讨关于分子、原子的崭新理论，自然不无启迪意义。可是，洛仑兹把电子的运动规律、物质之电磁性质的微观机制置于牛顿力学范畴，并囿于电磁场的波动性考虑，就不可能得出爱因斯坦、普朗克所提议的量子概念；他的电子论与基于量子概念的玻尔原子理论，当然有原则的区别。

洛仑兹的理论创造中有两个特别重要的、以其姓氏命名的公式 :一为运动电荷在磁场中受到的洛仑兹办公式（1895年），二为（匀速）运动参考系中的时间-空间坐标对于“静止以太”参考系中的时间-空间坐标的变换公式（1904年）。前者把带电粒子的运动与电磁场联系起来，乃是电子论中主要的动力学表述。后者被爱因斯坦改变成狭义相对论中的时空变换关系，并被他赋予了革命性涵义；人们便称其为洛仑兹变换式。这两个洛仑兹公式或可看成被命名者作为物理学转变时期的一个承前启后的关键人物之双重身份的标志；就是说，洛仑兹既是经典物理学家，同时也兼具现代物理学家的某些特征。因为洛仑兹的时空变换公式及其所依附的静止以太假说、洛仑兹的动体电动力学，实际上离狭义相对论只有一步之遥。洛仑兹力公式是揭示电磁运动真谛的“一把金钥匙”。电子论的成就使经典物理登峰造极，它提供的一系列“指导性原理”在19世纪末期以后的各科技领域中有效地应用，从而洛仑兹受到最高的嘉奖——与塞曼一起荣获1902年诺贝尔物理学奖。洛仑兹对正常塞曼效应的正确解释以及对电子荷质比的巧妙计算，带动了物理学界对电磁辐射和光波性质、光谱构成的广泛研究以及对电子乃至原子结构的认真探索；这些都是通向原子量子理论的阶梯。因此，电子论的创立和发展，为20世纪原子物理学的大踏步前进乃至带子理论的建树铺平了道路；而“电（粒）子”假设虽然并非量子概念，却确实已是量子理论崛起的一个信号。在经典物理的“峰巅”上出现革命和转变乃是大势所趋，尽管并非洛仑兹本人作出突破，但他造诣深厚、德高望重，被看作世纪之交的领袖人物，还是理所当然的。

辟径洞幽：穿越“不可穿越的智慧丛林”

麦克斯韦的理论曾被喻作“不可穿越的智慧丛林”，意指爱因斯坦所说的：“这理论的基本原理有一种异乎寻常的固有复杂性，使得它的根本特征无法淸楚地显示出来”。随着该理论的建立，法拉第提出的场概念已几乎取代了质点及其相互之间的超距作用的概念在经典物理中的主宰地位；但麦克斯韦没有把电磁场径直当作一种“基元实体”，而仅仅作为是有重（有质动力的）物质的连续性状态。当时普遍认为光波传播乃借助于想象的机械“以太”媒质，根据麦克斯韦关于电磁场的波动预言，倘若假设由以太负载电磁场，人们是容易理解的。麦克斯韦本人也倚重以太假说，并认可物质同样被以太所充斥，但又强调“物质是场的载体”；这便使人们在负载电磁场这一点上，把有重物质与以太混淆起来。在电动力学中有两组量：电场强度和磁感应强度；电位移矢量和磁场强度。前一组表示电磁场的强度；后一组描述物质的电磁性质，与物质受场激励而呈现的极化、磁化程度有关。如果认为物质负载场，那末对这两组货的解释就比较含糊，而麦氏理论之概念框架的基础也就显得不甚明了；于是一时间人们为之疑惑：是以太，还是物质，负载了电磁场？传播电磁波的以太须具备哪些力学性质？电动力学的概念框架立足于电磁场，抑或还须对其蒙上别的附带物？

麦克斯韦理论本来是内涵丰富、十分圆满的；惜乎缔造者英年早逝（1879年，是年48岁），否则或许会对其作出透彻明白的阐解和深入一步的讨论。洛仑兹和爱因斯坦的相继工作，弥补了这一缺憾。洛仑兹敏锐地感到，要穿越麦氏理论的“智慧丛林”，必须从考察其概念框架人手，如此方能辟径洞幽、“丛林探宝”。且把他所巧辟的蹊径简而言之 :负载电磁场的是静止以太，它与有重物质可彼此分离，即以太不受物质运动的曳引而保持绝对的静止，它除具有“静止”这种力学状态外再无别的力学性质；电磁场是以太的状态，可以呈现于没有物质的空虚空间；但电磁场由物质中的电粒子激发，那末场的变化当受制于电粒子所遵循的牛顿力学定律，反过来又会影响电粒子的运动状态，而物质的极化和磁化亦由与场相互影响的电粒子运动所引起。可见，洛仑兹电子论的概念框架清澈明晰，特别是电磁场作为一个独立的概念（相对于有重物质而言），从而可解开人们对于麦氏理论的上述疑惑，自然就促成了电动力学的一大决定性进展。并且，洛仑兹还将分立的电子作为与连续的电磁场几乎并列的另一个基本概念，便为20世纪30年代以后诸如量子电动力学等现代场论的研究展示了广阔的天地。

天赋极高的青年洛仑兹17岁考入莱顿大学，18岁起读到麦克斯韦的艰深著作，至22岁在自学博士学位课程以后，递交了用麦氏理论处理光在介质交界面上反射和折射问题的学位论文（1875年），其中他利用自己为麦氏理论澄清了的概念框架，用简单的方式推导了菲涅耳公式。文中并指出：“麦克斯韦理论比其他理论优越”，但“远非已达到最终形式，亟待进一步说明”；这正是他整个科学生涯以延扩电磁场理论为主旨的初衷。再则，洛仑兹已认定“光的一切效应与分子结构有关”，“分子中存在电运动”，因此必然要把电磁场理论与分子理论结合起来；这正是他为延扩场理论而设想的方案，亦即构思电子论的原始动机。1878年1月，洛仑兹作就任莱顿大学教授职位的学术演讲，其论题是“物理学中的分子理论”。他用玻尔兹曼分子运动理论解释了许多物理现象及其定律；并强调了他的一个重要观念 :对这许多物理现象及其定律（包括电、磁、光等领域）“更深入地理解有赖于对物质的分子、原子机制更全面的探究”。同年发表的另一篇论文论述了光与物质的相互作用，明确指出光是与物质中“带电的谐振微粒”作用，并相当肯定地把有质动力的普通物质与无质动力的以太加以区别。这“带电微粒对以太作用，不是使其运动，或压缩它，而是使其处在一种特殊状态，这种状态称为‘电场’或‘磁场’；反过来，以太唯有处在这种状态后才会对带电微粒产生（非超距）作用”。就是说，静止以太负载电磁场，有重物质的分子、原子包含带电微粒——二者构成一幅电磁作用和电磁运动的简洁图像。在尔后的年月里，洛仑兹在此基础上，提炼出明朗的电（粒）子概念，并构造出完整的电子论学说。从1892年起他发表一系列关于电子论的论文，其中涉及1895年提出的洛仑兹力公式。该公式定量地描述了电磁场与带电物体（宏观荷电体或微观荷电粒子）的相互作用，被人们当成电磁场理论的一条基本原理。

显然，洛仑兹对电磁场的波动性讨论注入了粒子性成分；电子概念的确立，促使对麦克斯韦的宏观电动力学的探讨深入到物质的微观结构层次。麦氏理论的别名不只是宏观电动力学，它还被称作静体电动力学，乃指若讨论介质中的电磁效应，介质是静止的。而洛仑兹等人进而导出了运动介质中电磁场的麦克斯韦方程组，实际上是对麦氏理论中的方程组引进了因介质运动面对应的添加项；由此出发，正可解释当时的一些运动介质实验中所发现的新的电磁现象。所以人们往往把电子论就看作是一种动体电动力学。

电子论反映了洛仑兹的哪几项创造性成果？择其要者，有四项。其一，简化了麦氏理论的概念框架和表述体系，特别是把电磁场确定为静止以太的独立状态；其二，预言电子存在；其三，建立动体电动力学；其四，导出以洛仑兹力公式等表示形式所描述的电荷运动规律。那末，洛仑兹是采用怎样的方法取得这些成果的？他的科学方法论，或可归纳成八个字 :分析-综合-提炼-拓展。这八个字虽不新奇，却饱含洛仑兹高超的洞察力和创新精神；藉此，洛仑兹得以穿越“智慧丛林”，使电子论达到19世纪经典物理的极高水准。这之前电磁学已有长足的进展，实验所披露的电磁效应层出不穷，其理论诠释纷纭各异，有关著作浩如烟海，其中包括尚未被普遍理解的麦氏学说。面对这样繁杂的工作背景，洛仑兹经过深刻细致的分析，做了大量艰苦卓绝的总结工作。他把与有重物质绞合起来的机械以太分解出来，去除其种种纷乱的力学性质；他从物质的分子、原子构造中解析出电（粒）子假设，由以追溯出所有电磁效应的同一起因。这一着是分析、是简化，也是提炼，使电磁场概念显得清脱平易，使电子概念终于脱颖而出。他用综合的方式，把这两种基本概念彼此并列；把电磁场运动规律和荷电粒子的力学运动规律同时兼顾；把电磁场理论和分子、原子理论相互结合；还把静体电动力学和动体电动力学融于一体。综合时推导出新的公式、总结出新的学说，这不单纯是综合和总结，还是拓展和提高，从而修整、创建成比麦氏理论更为圆满的电动力学体系。无怪乎爱因斯坦赞道：洛仑兹根据简化了的概念基础，“建立起关于当时已知的一切电磁现象，包括动体电动力学现象的完备理论”，像该理论“那样的统一、清晰和优美，在经验科学里是极少达到的”。当然洛仑兹的总结、修整和创建，还不是根本性的突破；但他创建这样优美的理论，毕竟为物理学革命开了先河。而上面归纳的八个字，或许正是交替时期、革命前夕，富于总结本领和修整能力的集大成学者的方法论特征。

（未完待续）