mini|Hendrik Antoon Lorentz (1902) mini|Das Grab von Hendrik Antoon Lorentz und seiner Ehefrau Aletta auf dem Friedhof Kleverlaan in Haarlem
Hendrik Antoon Lorentz (* 18. Juli 1853 in Arnhem; † 4. Februar 1928 in Haarlem) war ein niederländischer theoretischer Physiker, der 1902 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Lorentz legte mit seinen Untersuchungen zur Elektrodynamik bewegter Körper die Grundlagen und Vorläufertheorien, auf denen die spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins aufgebaut wurde. Begriffe wie Lorentz-Kraft und Lorentz-Transformation wurden nach ihm benannt.
Aufgrund der Ähnlichkeit des Namens wird er in Fragen der Benennung häufig mit dem dänischen Physiker Ludvig Lorenz verwechselt, nach dem beispielsweise die Lorenz-Eichung und die Lorenz-Mie-Theorie benannt wurden. Der Lorenz-Attraktor ist nach dem amerikanischen Meteorologen Edward N. Lorenz benannt.
Leben Hendrik Antoon Lorentz wurde am 18. Juli 1853 als Sohn von Gerrit Frederik Lorentz, einem wohlhabenden Gärtner, und Geertruida van Ginkel in Arnheim geboren. Nach dem frühen Tod seiner Mutter heiratete sein Vater 1862 Luberta Hupkes. Hendrik Antoon Lorentz war auf der Schule stets Klassenbester, neigte zur Beschäftigung mit Mathematik und Physik, lernte aber auch leicht Sprachen. Obwohl protestantisch erzogen, war er schon als Jugendlicher ein Freigeist. Er ging 1870 an die Universität Leiden, wo Frederik Kaiser sein Lehrer in theoretischer Astronomie war und Pieter Leonard Rijke in Physik, und schloss im November 1871 seine Studien in Mathematik und Physik mit dem Kandidatenexamen ab (entsprechend einem Bachelor-Abschluss). 1872 kehrte er wieder in seine Heimatstadt zurück. Dort fand er eine Anstellung als Lehrer für Abendkurse an der Oberschule, die er besucht hatte. Während dieser Zeit fertigte er seine Doktorarbeit über Beugung und Brechung von Licht an und promovierte 1875 im Alter von 22 Jahren. Er besetzte 1878 als Professor für theoretische Physik einen eigens für ihn eingerichteten Lehrstuhl an der Universität Leiden, der er Zeit seines Lebens treu blieb. 1899/1900 amtierte er als Rektor der Universität.
Zwischen Lorentz und dem Göttinger Physiker Emil Wiechert bestand eine jahrelange Freundschaft. Lorentz hat Wiechert in mehreren Briefen die Entwicklung des Relativitätsprinzips erläutert und damit einen wichtigen Beitrag zur Geschichte der einsteinschen Theorie geliefert. Der Briefwechsel zwischen Lorentz und Wiechert wurde von Wilfried Schröder in Arch. hist. ex. Sci 1984 veröffentlicht.
Lorentz heiratete 1881 Aletta Catharina Kaiser, deren Vater Johann Wilhelm Kaiser (1813–1900) Professor an der Akademie der Schönen Künste und Direktor des Rijksmuseums in Amsterdam war. Sie hatten zwei Töchter und einen Sohn. Seine älteste Tochter Geertruida Luberta Lorentz studierte ebenfalls Physik und war mit Wander Johannes de Haas verheiratet.
Leistungen mini|Hendrik Antoon Lorentz, gemalt von Menso Kamerlingh Onnes (1916) Hendrik Antoon Lorentz gilt als führende Persönlichkeit der theoretischen Physik seiner Zeit, der die elektromagnetische Theorie des Lichtes sowie die Elektronentheorie der Materie entwickelte und auch eine widerspruchsfreie Theorie der Elektrizität, des Magnetismus und des Lichts formulierte.
Er beschäftigte sich schon zu Beginn seines wissenschaftlichen Schaffens mit der Erweiterung der maxwellschen Theorie der Elektrizität und des Lichts. So führte er bereits in seiner Doktorarbeit neue Konzepte ein und seine weiteren Arbeiten auf diesem Gebiet revolutionierten die Vorstellungen von der Natur der Materie. 1878 veröffentlichte er eine Untersuchung über den Zusammenhang der Geschwindigkeit des Lichts und der Dichte und Zusammensetzung des Durchgangsmediums.
Ein Schwerpunkt von Lorentz’ Arbeit war die Bewegung elektrisch geladener Teilchen. So postulierte er das Konzept des Elektrons als Träger elektrischer Ladung und konnte damit das Verhalten des Lichts beim Durchgang durch transparente Körper erklären.
Für die Erklärung des Zeeman-Effekts teilten sich Lorentz und der niederländische Physiker Pieter Zeeman 1902 den Nobelpreis für Physik als Anerkennung „des außerordentlichen Verdienstes, das sie sich durch ihre Untersuchungen über den Einfluss des Magnetismus auf die Strahlungsphänomene erworben haben“Nobelpreisauszeichnung 1902 und ihrer „bahnbrechenden Arbeiten über den Zusammenhang zwischen optischen und elektromagnetischen Erscheinungen“.Nobel Presentation Speech Lorentz argumentierte in der Nobelrede ganz im Sinne seiner Äthervorstellungen, weshalb er einleitend auch gleich feststellt:
Die Accademia dei Lincei nahm ihn 1902 als auswärtiges Mitglied auf. 1903 wurde Lorentz als korrespondierendes Mitglied in die Académie des sciences in Paris (seit November 1910 associé étranger) sowie die Accademia delle Scienze di Torino (auswärtiges Mitglied ab 1922) und 1905 in die Königlich Preußische Akademie der Wissenschaften aufgenommen. 1906 wurde er Mitglied der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen und der National Academy of Sciences. 1908 hielt er einen Plenarvortrag auf dem Internationalen Mathematikerkongress in Rom (). 1910 wurde er korrespondierendes und 1925 Ehrenmitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften. 1912 wurde er in die American Academy of Arts and Sciences, 1919 in die Königliche Akademie von Belgien, 1920 zum Ehrenmitglied (Honorary Fellow) der Royal Society of Edinburgh und 1922 zum auswärtigen Mitglied der Accademia Nazionale delle Scienze gewählt.
Lorentz wurde 1919 zum Leiter des Komitees ernannt, das im Rahmen der Planung des Abschlussdeichs der Zuiderzee dessen Auswirkungen auf die Gezeiten an der Nordseeküste und allgemein auf den Wasserspiegel in der Umgebung berechnen sollte. Insbesondere war unklar wie stark man die Deiche am Wattenmeer erhöhen musste mit Schätzungen von 15 cm bis 4 m. Die Maßnahmen waren notwendig, da es zuletzt 1916 zu katastrophalen Überschwemmungen gekommen war. Lorentz war zu Beginn seiner Untersuchung schon im Ruhestand (nur einmal in der Woche Montags fuhr er nach Leiden um eine Vorlesung über theoretische Physik zu halten) und schreckte anfangs vor der komplexen Aufgabe zurück. Wider Erwarten gelang es ihm aber das Problem so weit zu vereinfachen, dass Jo Thijsse (1893–1984) als menschlicher Rechner (Computer standen noch nicht zur Verfügung) die Kalkulation ausführen konnte. Lorentz hatte sich anfangs zwar auch an der numerischen Berechnung versucht, gab aber nach einigen Fehlern auf und überließ das Thijsse. Auch für diesen lag die numerische Berechnung an der Grenze des damals Machbaren. Die Fertigstellung des Abschlussdeichs (1933) erlebte Lorentz nicht mehr. Eines der Sperrwerke an der Zuiderzee trägt seinen Namen.The Zuiderzee project, Lorentz-Institut Universität Leiden Lorentz war 1918 bis 1926 in dem Projekt involviert und die ausgeführten theoretischen Berechnungen wurden durch jahrzehntelange Praxis nach dem Bau der Deiche bestätigt.
Lorentz war in der Internationalen Kommission für geistige Zusammenarbeit, einem Gremium des Völkerbundes, ab 1926 der Vorsitzende als Nachfolger von Henri Bergson.
Nach Hendrik Antoon Lorentz sind ein Mondkrater und der Asteroid (29208) Halorentz benannt. Die Lorentzsluizen, ein Tidesperrwerk im Abschlussdeich des IJsselmeers, wurden ebenfalls zu Ehren von Lorentz benannt.
Relativitätstheorie Von Lorentz zu Einstein
Im Rahmen seiner Elektronentheorie entwickelte Lorentz das Konzept eines vollständig ruhenden Äthers, der von der Materie unbeeinflusst blieb. In diesem Modell war die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle, da diese ausschließlich in Bezug zum Äther konstant war. Letzteres müsste allerdings dazu führen, dass relativ zum Äther bewegte Materie dem Licht entgegen- bzw. davonläuft („Ätherwind“). Dieser Effekt konnte jedoch experimentell nicht nachgewiesen werden (z. B. das Michelson-Morley-Experiment). Deshalb führte Lorentz 1892 die Annahme ein, dass bewegte Materie im Äther verkürzt wird (wobei dieselbe Hypothese 1889 von George Francis FitzGerald vorgeschlagen wurde). Die FitzGerald-Lorentzsche Kontraktionshypothese (Lorentzkontraktion) war für sich alleine jedoch ungenügend, um alle negativen Ätherwindexperimente zu erklären, weswegen Lorentz in mehreren Arbeiten (1892, 1895, 1899, 1904) die Lorentz-Transformation entwickelte, wobei nicht nur die Längen, sondern auch die Zeitkoordinaten von der Position der bewegten Materie im Äther abhängig wurden („Ortszeit“). Diese war für Lorentz vorerst eine reine Hilfsvariable ohne physikalischen Gehalt, doch Henri Poincaré konnte 1900 zeigen, dass die Ortszeit genau dann entsteht, wenn bewegte Beobachter im Äther ihre Uhren mit Lichtsignalen synchronisieren. Poincaré war es auch, der die lorentzsche Theorie 1905 mathematisch vervollständigte.
Die lorentzsche Elektrodynamik bildete nun die Grundlage, auf der Albert Einstein die Spezielle Relativitätstheorie errichten konnte. Einstein (der die Arbeiten von Lorentz allerdings nur bis 1895 kannte) entfernte die grundlegende Asymmetrie in der lorentzschen Theorie: Einerseits gab es mit dem ruhenden Äther ein „absolutes“ bzw. bevorzugtes Bezugssystem, andererseits sprachen alle Experimente für die Gültigkeit des Relativitätsprinzips, was in der lorentzschen Äthertheorie nur mit Hilfshypothesen kompensiert werden konnte. Einstein erkannte nun, dass man nur die wesentliche Erkenntnis von Lorentz, nämlich die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Quelle, mit dem Relativitätsprinzip kombinieren müsse, um eine widerspruchsfreie Elektrodynamik bewegter Körper zu konstruieren. Einstein schrieb 1912:
Für einen „ruhenden“ Äther war somit kein Platz mehr. Wesentlich war dabei die Erkenntnis, dass es keine „wahre“ Zeit im Gegensatz zur „Ortszeit“ gibt, sondern jede Zeit in den verschiedenen Inertialsystemen als Zeit schlechthin angesehen werden kann. D. h., obwohl die lorentzsche Äthertheorie und die Spezielle Relativitätstheorie die Lorentz-Transformation gemeinsam haben und somit experimentell nicht unterschieden werden können, setzte sich das klare und durchsichtige Konzept von Einsteins Theorie bereits in den ersten Jahren nach 1905 gegenüber der mit Hilfshypothesen durchsetzten Theorie von Lorentz und Poincaré durch. Dessen ungeachtet werden die wesentlichen Leistungen von Lorentz für die Vorbereitung der Relativitätstheorie weiterhin gewürdigt, was sich darin zeigt, dass bedeutende Begriffe der Relativitätstheorie (wie Lorentz-Transformation, Lorentz-Kontraktion, Lorentz-Invarianz etc.) weiterhin seinen Namen tragen.
Stellung zur speziellen Relativitätstheorie Nach Einstein und Poincaré brachte auch Lorentz 1906 (veröffentlicht 1909) seine Theorie auf einen Stand, auf dem sie in allen Belangen experimentell äquivalent zur Relativitätstheorie wurde. Dabei gab Lorentz zu, dass Einsteins Relativitätsprinzip eine große Errungenschaft sei, mit welcher viele Ergebnisse der Theorie sehr einfach gewonnen werden können, während Lorentz dieselben Ergebnisse nur durch umständliche Ableitungen aus der elektromagnetischen Theorie gewinnen konnte. Trotzdem hielt Lorentz an der Idee eines absoluten Äthers und einer absoluten Gleichzeitigkeit fest und behauptete, dass das Postulat der Lichtkonstanz möglicherweise eine zu große Einschränkung für die Forschung darstellen könnte. Doch eine scharfe Kritik an der Relativitätstheorie (außer diesen vorsichtig formulierten Bemerkungen) wurde von Lorentz niemals geübt – denn da seine Theorie und die Relativitätstheorie experimentell nicht unterscheidbar sind, sei es seiner Meinung nach bloße „Geschmackssache“, zu welcher der beiden Theorien man sich bekennt. In seinen Veröffentlichungen behandelte er beide Auffassungen durchaus gleichberechtigt, und zeigte ein tiefes Verständnis für die Kinematik der Relativitätstheorie. So demonstrierte er die Widerspruchsfreiheit der Symmetrie der relativistischen Effekte in Vorlesungen zwischen 1910 und 1912 (veröffentlicht 1929):