電子統治著我們的世界，但在不久前，它們還只是一個概念。本月是荷蘭物理學家亨德里克·安東·洛倫茲提出的意義深遠且影響深遠的電子理論120週年。他的電子不僅僅是一個假設的基本粒子；它是雄心勃勃的自然理論的基石。如今，物理學家們已經習慣於這樣一種觀念，即對自然的完整描述可以從簡單而優美的方程式中產生，但在洛倫茲之前，這還是一種神秘的願景。
對於大多數物理學家來說，19世紀物理學令人難忘的頂峰是電場和磁場理論，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋於1864年對其進行了數學綜合。然後，一片朦朧籠罩，直到20世紀的相對論和量子理論的山脈刺破迷霧。這種模糊的民間歷史掩蓋了兩者之間的橋樑——它本身就是一項輝煌的成就，是透過英勇的勞動建造起來的。
為了設定背景，重要的是承認一種褻瀆神明的說法：麥克斯韋自己對他的方程式的闡述是一團糟。在他的著作中，你找不到學生們學習的“麥克斯韋方程組”那種簡潔、緊湊、優雅的結構。相反，你發現的是符號的洪流和文字與方程式的蔓延。麥克斯韋是一位非常謙遜的人，他並不認為自己正在創作適合鐫刻的時代詩篇。相反，他只是著手以數學形式總結當時關於電和磁的一切知識。在他的演示中，基本方程式與臨時的現象學混合在一起。
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洛倫茲的成就是提純麥克斯韋方程組的資訊——將訊號從噪聲中分離出來。訊號：四個方程，它們控制電場和磁場如何響應電荷及其運動，外加一個方程，它規定了這些場對電荷施加的力。噪聲：其他一切！
現在，人們有了明確的方程來描述具有特定質量和電荷的微小物體的行為。人們能否使用這些方程，從理想化的電荷“原子”開始，在新的基礎上重建對物質的描述？這就是洛倫茲電子理論的重擔。從他1892年的論文開始，洛倫茲和他的追隨者使用電子理論來解釋物質的一個又一個屬性——導電和導熱、介電行為、光的反射和折射等等。因此，他們為我們現在稱之為電子學和材料科學的學科奠定了基礎。1897年，約瑟夫·約翰·湯姆遜透過實驗證明電子確實存在。（可以說，電子是在1892年構思的，在1897年誕生的。）
洛倫茲1892年的論文大部分內容涉及一個誘人但並非沒有問題的想法，即電子的質量可能是其電荷的結果。運動的電荷會產生電場和磁場，這些場會抵抗變化並反作用於電子的運動。這種反作用力能否解釋電子的慣性——因此也解釋了它的質量？這種想法有著古老的歷史：亞里士多德想透過空氣的反作用力來解釋物質的慣性。洛倫茲的電磁質量的願景極具影響力。它激發了艱苦的技術工作，特別是洛倫茲本人和亨利·龐加萊的工作，這些工作預見了愛因斯坦狹義相對論的主要部分。
量子力學改變了遊戲規則，而認為僅靠電磁反作用力就能解釋電子質量的想法不再可行。然而，值得注意的是，我的同事和我已經成功地使用一個密切相關的想法解釋了質子、中子和其他強相互作用粒子的質量。這些粒子的慣性來自於電磁學的“大哥”量子色動力學的膠子場的反作用力。雖然希格斯玻色子有時被認為是賦予物質質量的粒子，但它對普通物質質量的貢獻實際上非常小。洛倫茲的美麗想法以現代形式解釋了大部分質量。
洛倫茲的電子理論雖然最終在細節上被取代，但卻是至關重要的。透過認識到正確的答案並提出正確的問題，他為相對論、量子理論和今天的物理學鋪平了道路。在他生命的最後，阿爾伯特·愛因斯坦為洛倫茲寫下了一篇令人難忘的悼詞：“對我個人而言，他在我一生旅程中遇到的人中比所有其他人都重要。”
本文以“電子的生日快樂”為標題發表在印刷版上。