הפיזיקאי שהבין
את האור

השנה היא 1853. האופרה "לה-טרוויאטה" מוצגת לראשונה בוונציה; ארצות הברית רוכשת שטחים ממקסיקו עם תום המלחמה ביניהן; בריטניה משגשגת תחת שלטונה של המלכה ויקטוריה, ובהולנד מושל קרוב-רחוק שלה, המלך וילם השלישי. שם, בעיר ארנהם שתעמוד לימים במרכזו של קרב איתנים במלחמת העולם השנייה, נולד הנדריק אנטון לורנץ (Lorentz), בן למשפחה פרוטסטנטית לא אדוקה, שעודדה מחשבה חופשית. כשהיה בן ארבע בלבד הלכה אימו לעולמה, ואביו נישא בשנית קצת לאחר מכן.

הנדריק היה נער מבריק בכל קנה מידה. בלימודיו התיכוניים, שבתקופה ההיא נמשכו גם בשעות אחר הצהריים והערב, הוא הצטיין בכל תחום אפשרי והיה התלמיד הבולט בכיתה בתחום הלימודים הקלאסיים. לו היה חי בימינו היה כדאי כנראה לרשום אותו לתוכנית נוער שוחר מדע, שכן בגיל 17 הוא כבר נרשם ללימודי פיזיקה ומתמטיקה באוניברסיטת ליידן. נדרשה לו שנה אחת בלבד להשלים את התואר הראשון.

חוקר מבריק בכל קנה מידה, שהצטיין בכל תחום אפשרי. לורנץ | איור: מיכל ברקהיים

מדובר בתחום מחקר שהחל לקרום עור וגידים עם פרסומן של ארבע משוואות מקסוול – משוואות היסוד המתארות את הקשרים המתמטיים בין מטענים, זרמים ושדות חשמליים ומגנטיים, ואולי המסקנה המשמעותית ביותר מהן הייתה שהאור מבוסס על תנודות חשמליות. טענתו החדשנית של לורנץ הייתה שהחומר מורכב בין השאר מאטומים בעלי מטען חשמלי, ועל כן התנהגותם מוכתבת על ידי משוואות מקסוול. מכאן הסיק לורנץ שהמשוואות צריכות להסביר גם את תכונות ההחזרה והשבירה של האור שבאות לידי ביטוי במפגש שלו עם חומר.

תואר ראשון בשנה, דוקטור בגיל 22, משרה אקדמית בגיל 25. הנדריק לורנץ | צילום: SCIENCE PHOTO LIBRARY

כוכב עולה

שלוש שנים לאחר שסיים את הדוקטורט, התמנה לפרופסור לפיזיקה עיונית באוניברסיטת ליידן, משרה חדשה שנוצרה במיוחד עבורו. פיזיקאי עיוני (תיאורטי) עוסק בפיתוח תורות וכלים מתמטיים ותפיסתיים לצורך הסבר של ממצאים, בעוד פיזיקאי ניסויי עוסק בביצוע המדידות בפועל, הגם שלעיתים הוא ינסה להסביר את הממצאים בעצמו. לורנץ המשיך את מחקרו פורץ הדרך על יחסי הגומלין בין אור לחומר. בפרט הוא עסק בקשר שבין מקדם השבירה של חומר, כלומר מה שגורם לאור להאט את תנועתו בתוך מים, מנסרה מזכוכית שקופה, או בכל תווך אחר שאיננו רִיק, לבין התגובה שלו לשדה חשמלי חיצוני שפועל עליו – תכונה שקרויה התקטבות. כמעט עשור לפני שפרסם את מסקנותיו, פרסם המתמטיקאי הדֶני לודוויג לורנץ את רעיונותיו באותו נושא בדיוק, וכך נולדה משוואה עם השם המשעשע "משוואת לורנץ-לורנץ".

בערך באותו הזמן נישא הנדריק לאלטה קתרינה לבית קייזר. בשנים הבאות הוא התעמק יותר ויותר בחקר האלקטרומגנטיות, והיה חלוץ בפיתוח הרעיון החדשני לזמנו, שלפיו שדות מגנטיים וחשמליים נובעים מתנודות של חלקיקים טעונים במטען חשמלי בתוך החומר. ואכן, בשלהי המאה ה-19 הוכיח הפיזיקאי האנגלי ג'יי ג'יי תומסון (Thomson) כי אכן יש חלקיקים כאלה, וכך גילה את האלקטרונים. זו כנראה הראיה הניצחת לכישוריו של לורנץ בראיית הנולד ובפיתוח הסברים לתופעות מדעיות.

תובנות מרשימות מאוד. הנוסחה של כוח לורנץ מעל שתיים ממשוואות מקסוול במאמר של לורנץ מ-1892 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

כמו רבים מהפיזיקאים הגדולים, גם לורנץ טיפח דור חדש של תלמידים מבריקים. בשנת 1896 גילה תלמידו לשעבר פיטר זֵימן (Zeeman) אפקט ייחודי שמתרחש במהלך פעולת גומלין בין חומר לשדה מגנטי. בדרך כלל כשאור פוגע בחומר, חלק מהאור נבלע והאנרגיה שלו עוברת לחומר. לכן הצבעים שנראה אחרי פעולת הגומלין הזאת הם כל הצבעים פרט לאלה שנבלעו.

במעבדה אפשר למצוא את ספקטרום הבליעה של חומר מסוים, כלומר את עוצמתו של כל צבע בקרן האור אחרי שעברה בחומר. הצבעים שלא יופיעו הם אלה שנבלעו. זימן מצא כי קיומו של השדה המגנטי שנלווה לשדה החשמלי הפועל על חומר בשעה שהאור עובר דרכו, גורם לכך שייעלמו צבעים שכנים לאלה שהיו אמורים להיבלע אלמלא כן.

לתכונה הזו יש שימושים רבים. למשל, כאשר אסטרונומים מעוניינים לבחון את ההרכב הכימי בשכבות החיצוניות של כוכבים, הם חוקרים את ספקטרום הקרינה שנפלטת מהם. על פי הצבעים שייעדרו מהספקטרום, כלומר קווי הבליעה, אפשר ללמוד אילו יסודות בלעו אותם ואילו עירורים אנרגטיים התרחשו. כך אפשר לסווג את הכוכבים מבחינת החומרים המרכיבים את חלקם החיצוני, ואף לחשב את הטמפרטורה של פני השטח שלהם.

מכניקת הקוונטים פותחה רק במחצית שנות ה-20, כך שהבנת התופעות היסודיות של יחסי הגומלין בין אור לחומר התבססה על תצפיות בלבד, וההסברים שניתנו להן לא התבססו על תיאוריה מתמטית סדורה. לכן, כשבוחנים בדיעבד את עבודתו המדעית של לורנץ וזוכרים כמה מצומצם היה הידע הקודם שעליו היה יכול להתבסס, תובנותיו העמוקות מרשימות שבעתיים.

הסבר מדעי לאחת התופעות החשובות בטבע: הקווים השחורים הם ספקטרום הבליעה של השמש (למעלה) וכוכבים נוספים, המרמז על הרכבם הכימי | מקור: DAVID PARKER / SCIENCE PHOTO LIBRARY

"משמעותי יותר מכל האנשים במסע חיי"

1905 היא כנראה השנה המפורסמת והחשובה ביותר לפיזיקה המודרנית – שנת הפלאות של אלברט איינשטיין, שבה פרסם לראשונה את תורת היחסות הפרטית ואת מסקנותיו לגבי האפקט הפוטואלקטרי. לא רבים מודעים לכך שלולא היסודות המתמטיים האיתנים שהניח לורנץ, תורת היחסות לא הייתה יכולה להתקיים. במרוצת השנים הקדיש לורנץ מאמץ ניכר לחקר המכניקה שעומדת מאחורי השדה האלקטרומגנטי. הוא עמד על כך שתנועה של חלקיק בעל מטען חשמלי מושפעת לא רק משדות חשמליים אלא גם משדות מגנטיים, בתנאי שמהירותו גבוהה מאוד וקרובה למהירות האור. השילוב בין הכוח החשמלי למגנטי נקרא כיום כוח לורנץ.

לורנץ ניסה למצוא את הקשרים המתמטיים שצריכים להתקיים בין שתי מערכות ייחוס שנעות האחת ביחס לשנייה בקו ישר ובמהירויות גבוהות מאוד. התברר שזו אינה משימה פשוטה כלל, שכן היא דורשת גיאומטריה לא טריוויאלית. לורנץ הצליח לנסח את הקשר הזה, שנקרא גם הוא על שמו: טרנספורמציית לורנץ. כשאיינשטיין גיבש את תורת היחסות הפרטית, שעוסקת במערכות כאלה בדיוק, טרנספורמציית לורנץ הייתה הכלי המושלם עבורו להשלמת התיאור המתמטי הנדרש – והשאר היסטוריה.

טרנספורמציה שסללה את הדרך ליחסות. איינשטיין (משמאל) עם לורנץ בפגישה בליידן, 1921 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

ב-1912 החליט לורנץ שהוא מעוניין לשנות כיוון בחייו, אולי כחלק ממשבר גיל 60. הוא פרש מתפקידיו הקבועים בליידן, ועבר לתפקיד מזכיר החברה ההולנדית למדעים. בשלב מסוים אף רתם את כישוריו לתכנון סכר אפסלוטדייק (Afsluitdijk) בהולנד, וביצע חישובים שימושיים בהידרודינמיקה עבור הפרויקט.

יש הרואים בלורנץ את נושא הדגל של "תור הזהב השני של המדע ההולנדי", ויש בכך אמת רבה: תור הזהב הראשון התרחש בתקופתם של כריסטיאן הויגנס (Huygens), אנטוני ון-לוונהוק (Leeuwenhoek), וילברורד סנל (Snell) והנס ליפרסהיי (Lippershey), במאות ה-16 וה-17. תור הזהב השני מתייחס לראשית המאה ה-20, תקופת פעילותם של לורנץ, זֵימן, יאקובוס ון 'ט הוף (Hoff) ויוהנס ון-דר-ואלס (Waals), שהוציאו מתחת ידיהם תגליות ותיאוריות משנות עולם.

בערוב ימיו זכה לורנץ בשלל פרסים ואותות הוקרה. נאמר עליו שהיה אדם בעל קסם אישי רב, נדיב ושופע סקרנות ומקוריות. הוא לא הפסיק לנשום מדע עד הרגע האחרון, ושנתיים לפני מותו עוד הספיק להציג את רעיונותיה החדשניים של מכניקת הקוונטים שזה מקרוב באה לעולם.

לורנץ הלך לעולמו בפברואר 1928 ממחלה קשה. ביום שבו הובא למנוחת עולמים הושבתו כל קווי הטלפון בהולנד למשך שלוש דקות, ודממו לזכר יקיר האומה ההולנדית. בתו חרטרודה דה-האז לורנץ, פיזיקאית אף היא, שאביה אף היה המנחה שלה בעבודת הדוקטורט, התמחתה בחקר התנועה הבראונית – התנועה האקראית של חלקיקים בתוך זורם. היא נישאה לפיזיקאי וונדר יוהנס דה האז (de Haas), שנודע בזכות התופעה המגנטית הקוונטית הקרויה כיום אפקט דה האז-ון אלפן.

שנים רבות אחרי מותו של לורנץ, אמר עליו איינשטיין: "עבורי באופן אישי, לורנץ היה משמעותי יותר מכל האנשים שפגשתי במהלך מסע חיי". ובמילים המעטות האלה הוא תמצת אישיות גדולה ויחידה במינה.