Hendrik Lorentz

Dit artikel is in Hendrik deze versie opgenomen in de etalage.

Sjabloon:Nobelprijswinnaar Hendrik Antoon Lorentz (Arnhem, 18 juli 1853 - Haarlem, 4 februari 1928) was een van Nederlands grootste natuurkundigen en winnaar van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 1902. Hij ontving de Nobelprijs samen met Pieter Zeeman voor hun onderzoek naar de invloed van magnetisme op spectraallijnen: het Zeemaneffect. Lorentz deed vooral theoretisch onderzoek naar de elektromagnetische eigenschappen van materie: zijn elektronentheorie. Hij kwam tot de veronderstelling, dat de afmeting van voorwerpen beïnvloed wordt door hun snelheid (de Lorentzcontractie) evenals hun massa. Ook nam hij aan dat de lichtsnelheid de hoogst mogelijke snelheid is. Daarmee legde hij de basis voor de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein. Lorentz was de nestor van de natuurkundigen in zijn tijd: Einstein keek tegen hem op. De Lorentzkracht op een stroomvoerende draad of geleider in een magneetveld is naar hem vernoemd, evenals de Lorentz-Lorenz-formule voor de brekingsindex en de Lorentz-verdeling uit de statistiek.

Biografie

Jonge jaren

Lorentz kwam uit een familie van bemiddelde tuinders in Arnhem. Zijn vader was Gerrit Frederik Lorentz (1822 – 1893) en zijn moeder Geertruida van Ginkel (1826 – 1861). Na de dood van zijn moeder in 1861 hertrouwde zijn vader met Luberta Hupkes. Na afloop van de lagere school ging hij in 1866 meteen naar de derde klas van de nieuwe HBS aldaar. Hij had hoge cijfers, niet alleen voor exacte vakken, maar ook voor talen. Lorentz sprak vloeiend Engels, Frans en Duits, wat hem bij zijn vele internationale contacten goed van pas kwam. Met een HBS-diploma kon Lorentz niet naar de universiteit, dus deed hij staatsexamen in Latijn en Grieks, alvorens in 1870 aan de Rijksuniversiteit Leiden wis-, natuur- en sterrenkunde te gaan studeren bij onder meer de hoogleraren P. van Geer, P.L. Rijke en Frederik Kaiser. Al in 1872 keerde Lorentz naar zijn geboorteplaats terug om thuis verder te studeren. Tot 1878 gaf hij in Arnhem les aan de plaatselijke avondschool. Op 11 december 1875 promoveerde Lorentz op het proefschrift "Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht". Hierin verklaarde hij deze verschijnselen voor het eerst vanuit de elektromagnetische theorie van James Maxwell in de interpretatie van Helmholtz.

In 1881 trouwde Lorentz met Aletta Kaiser, een nicht van wijlen professor Kaiser en dochter van J.W. Kaiser, de directeur van het latere Rijksmuseum. Ze kregen twee dochters en een zoon. De oudste dochter Geertruida Luberta studeerde natuurkunde te Leiden, waar zij bij haar vader promoveerde in 1912.

Hoogleraar in Leiden

In 1877 beriep de Universiteit Utrecht hem als hoogleraar wiskunde, maar Lorentz sloeg dit aanbod af: hij dacht privaatdocent aan de universiteit van Leiden te kunnen worden. Door de nieuwe Wet op het Hoger Onderwijs werd naast de leerstoel van professor Rijke een tweede in de natuurkunde ingesteld. Omdat J.D. van der Waals zijn benoeming aan de Gemeente Universiteit van Amsterdam aannam, kwam Lorentz in aanmerking. Zo werd hij in 1878, als een van de eersten in Europa, tot hoogleraar in het nieuwe afzonderlijke vak theoretische natuurkunde benoemd aan de Rijksuniversiteit Leiden. Op 25 januari 1878 hield hij zijn inaugurele rede: "De moleculaire theorieën in de natuurkunde". Hij was toen pas 24 jaar oud. De rest van zijn leven zou hij aan deze universiteit verbonden blijven. Hij gaf colleges natuurkunde aan onder meer natuur- en geneeskundestudenten en schreef een aantal leerboeken. Ook richtte hij een laboratorium voor studenten in. Toen zijn collega experimentele natuurkunde Kamerlingh Onnes door zwakke gezondheid colleges moest opgeven, nam Lorentz die van hem over.

Van zijn vijfentwintig promovendi werden vooral Leonard Ornstein (promotie 1908 over Gibbs' statistische fysica) en Adriaan Fokker (promotie 1913 over Brownse beweging) bekend.

Einstein en Lorentz in Leiden.

Internationale erkenning

Vanaf 1900 werd hij internationaal bekend in de wetenschappelijke wereld. In 1902 won hij met Pieter Zeeman de Nobelprijs voor de Natuurkunde - zie onder. In 1906 gaf hij gastcolleges aan de Columbia University te New York, die in druk zeer bekend werden als The theory of Electrons and its applications to the problems of light and radiant heat. Later, in de jaren 20, deed hij op drie tournees diverse Amerikaanse universiteiten aan als gastdocent. Vanaf 1910 was hij organisator en voorzitter van baanbrekende Solvayconferenties over onder meer vroege kwantummechanica met Marie Curie, Albert Einstein, Max Planck, Ernest Rutherford en vele anderen. In 1923 aanvaardde hij de benoeming door de Volkenbond tot secretaris van de Commission internationale de cooperation intellectuelle, onder voorzitterschap van de Franse filosoof Henri Bergson. In 1925 werd Lorentz voorzitter. Hij zette zich in als verzoener voor het samenbrengen van onderzoekers uit de landen die elkaar na de Eerste Wereldoorlog boycotten. In Nederland werkte Lorentz in 1918 mee aan de oprichting van een voorloper van de Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek.

Maatschappelijk actief

Politiek was Lorentz actief binnen de Vrijzinnig Democratische Bond, terwijl de sociale kwestie en de volksopvoeding zijn levendige belangstelling hadden: in 1910 werd op zijn initiatief de eerste openbare bibliotheek van Leiden gesticht. Hij gaf graag populaire lezingen over natuurkunde voor belangstellenden.

Lorentz was voorzitter van de Onderwijsraad, afdeling hoger onderwijs van 1921 tot 1926, en drukte zijn stempel op de verdeling van leerstoelen en het nieuwe Academisch Statuut. Voor zijn internationale rol als verzoener was het voorzitterschap (1906-1921) van de sectie natuurkunde van de Akademie van Wetenschappen van belang.

Buitengewoon hoogleraar en conservator

In 1912 ging Lorentz vervroegd met emeritaat als gewoon hoogleraar. Hij werd conservator bij Teylers Stichting in Haarlem. Wel bleef hij, nu als buitengewoon hoogleraar, zijn "maandagochtendcolleges" geven in Leiden. Paul Ehrenfest volgde hem op als gewoon hoogleraar theoretische natuurkunde, en stichtte het instituut voor theoretische natuurkunde, dat nu het Instituut-Lorentz heet.

Vanaf 1920 trad Lorentz ook op als secretaris van de Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen te Haarlem.

Staatscommissie Zuiderzee

De naar Lorentz genoemde sluizen bij Kornwerderzand

Na zijn emeritaat werkte hij van 1918 tot 1926 mee aan plannen voor de drooglegging van de Zuiderzee. Hij stelde de golfvergelijking op, waarmee de waterhoogtes - en daarmee benodigde dijkhoogtes - na afsluiting door de Afsluitdijk voorspeld konden worden. Hij leidde de Staatscommissie Zuiderzee (ook wel "Commissie Lorentz" genoemd). Lorentz stelde voor het probleem van de waterhoogten op te lossen met numerieke wiskunde. De bewegingsvergelijkingen voor water moesten opgelost worden voor de geulen. Het werk van deze commissie is van grote betekenis geweest voor het waterloopkundig onderzoek in Nederland. Na voltooiing van de Afsluitdijk in 1933 bleken de voorspellingen van de commissie juist. De Lorentzsluizen zijn naar hem vernoemd.

Laatste jaren

Tot op het eind van zijn leven stelde Lorentz collega's niet teleur als deze benieuwd waren "wat Lorentz er van vond". Op 4 februari 1928 overleed hij op 75-jarige leeftijd aan een belroosinfectie met koortsaanvallen.

Werk

Hendrik Antoon Lorentz voor een collegebord met formules uit de algemene relativiteitstheorie

Licht en elektromagnetisme

In zijn promotieonderzoek toonde Lorentz voor het eerst aan dat de elektromagnetische theorie van James Maxwell de regels van lichtbreking en -terugkaatsing minstens zo goed kon verklaren als de rivaliserende theorie van Augustin-Jean Fresnel. Bovendien had de theorie van Maxwell het voordeel dat deze transversale golven toestond. Lorentz kon in 1875 de kleurschifting van het licht verklaren en in 1878 het verband tussen dichtheid van een stof en zijn brekingsindex: de Lorentz-Lorenz-formule.

Elektronentheorie

De oorspronkelijke wetten van Maxwell konden niet verklaren waarom stoffen zo sterk verschillen in hun optisch gedrag. Lorentz wel, door combinatie van zijn kennis van Maxwells werk en de moleculaire theorie van Boltzmann. Optische eigenschappen van stoffen voerde hij terug op elektrische eigenschappen van atomen en moleculen. Deze bevatten volgens Lorentz gelijke ladingsdragers, de elektronen, die harmonisch trillen door invallende straling. Aanvankelijk noemde Lorentz ze in aansluiting op de toen nieuwe scheikundige terminologie nog "ioonen". Lorentz omschreef ze als "uiterst kleine deeltjes, geladen met elektriciteit, die in geweldige aantallen binnen alle ponderabele stof aanwezig zijn, en door welker verdeling en beweging wij alle elektrische en optische verschijnselen die niet beperkt zijn tot de vrije ether trachten te verklaren."

In de theorie van Lorentz bevonden de elektronen en andere ladingsdragers zich in de overal eendere ether die in absolute rust verkeert. Voor de lichtvoortplanting door de ether gelden de wetten van Maxwell, en de ether en de geladen deeltjes werken op elkaar in via de Lorentzkracht.

Een van de voorspellingen van Lorentz was dat in een magnetisch veld de spectraallijnen van atomen zich zouden moeten splitsen. Deze splitsing werd in experimenteel werk van Pieter Zeeman inderdaad aangetroffen, en voor deze ontdekking ontvingen Lorentz en Zeeman in 1902 gezamenlijk de Nobelprijs "in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena" (vertaling: als blijk van erkenning voor de buitengewone dienst die zij verleenden door hun onderzoek naar de invloed van magnetisme op stralingsverschijnselen).

Lorentzcontractie

De manier waarop licht zich voortplant door de ether stond eind 19e eeuw zeer in de belangstelling. Men dacht dat de snelheid van het licht, als dat reist door dit veronderstelde medium, op de snel door de ether bewegende Aarde in verschillende richtingen een verschillende waarde zou hebben. Zoals bleek uit het interferometer-experiment van Albert Michelson en Edward Morley, was dit echter niet het geval. De lichtsnelheid bleek in alle richtingen precies gelijk te zijn. Dit betekende een paradigmaverschuiving, omdat daaruit bleek dat licht zich heel anders gedroeg dan geluid, waarover in die tijd al veel meer bekend was. Nog steeds is het gegeven dat de lichtsnelheid altijd constant is moeilijk te begrijpen en leidt het ogenschijnlijk tot de vreemdste paradoxen.

Lorentz ontwikkelde om dit experiment te begrijpen het begrip van lokale tijd. Hij stelde ook voor dat lichamen die de snelheid van het licht benaderen, zich samentrekken (korter worden). Dit wordt aangeduid met de term Lorentzcontractie. In de vergelijkingen van Maxwell diende op bepaalde plaatsen een factor $\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$ te worden toegevoegd, waarbij v de snelheid van het voorwerp is, en c de lichtsnelheid.

Lorentz zag de lokale tijd die hij ontwikkelde als een puur wiskundige manier om de natuurkundige experimenten te beschrijven. Met deze inzichten stond Lorentz echter aan de basis van de relativiteitstheorie, die ten volle door Albert Einstein werd ontwikkeld.

Erkenning en onderscheidingen

Inernationaal brak Lorentz door met zijn elektronentheorie en Lorentz-transformaties. De Franse wis- en natuurkundige Poincare schreef in 1902:

De meest bevredigende theorie is die van Lorentz, die zonder twijfel het best de bekende feiten verklaart... dankzij Lorentz zijn de resultaten van Fizeau voor de optica van bewegende lichamen, de wetten van normale en abnormale dispersie en van absorptie met elkaar in verband gebracht... Merk op hoe gemakkelijk het nieuwe Zeeman-verschijnsel werd opgenomen, en zelfs hielp bij de indeling van Faradays magnetische rotatie, die alle pogingen van Maxwell hadden weerstaan. (Poincaré 1902)

Lorentz wordt vaak de nestor van de Nederlandse natuurkunde genoemd. Het respect dat Lorentz genoot wordt treffend tot uitdrukking gebracht door O.W. Richardsons beschrijving van Lorentz' begrafenis in 1928:

De begrafenis vond plaats op vrijdag, 10 februari, in Haarlem. Klokslag 12 uur werden bij wijze van eerbetoon de telegraaf- en telefoondiensten in Nederland drie minuten stilgelegd. Sir Ernest Rutherford hield een toespraak namens de British Royal Society.

Lorentz was een vaderfiguur voor Albert Einstein. Deze verklaarde de later relatief beperkte roem van Lorentz als volgt:

De natuurkundigen van de jongere generatie zijn zich meestal niet meer ten volle bewust van de beslissende rol, die H.A. Lorentz speelde bij de vorming van de fundamentele ideeën van de theoretische natuurkunde. Dit wonderlijke feit berust hierop, dat de grondslag van Lorentz' ideeën hun zozeer vlees en bloed geworden is, dat zij nauwelijks nog in staat zijn zich voor te stellen hoe vermetel deze ideeën waren en hoever ze het natuurkundig fundament vereenvoudigden".

Albert Einstein (1953) schreef ook:

Voor mij betekende hij meer dan alle anderen die ik op mijn levensweg ontmoette.

Prijzen

Lorentz heeft zeer veel prijzen ontvangen voor zijn belangrijke werk. Met Pieter Zeeman ontving hij in 1902 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Hij werd in 1905 gekozen tot lid van de Royal Society, en hij ontving van dit Wetenschappelijk genootschap de Rumford Medal in 1908 en de Copley Medal in 1918.

De KNAW Lorentzmedaille wordt sinds 1927 om de vier jaar uitgereikt aan onderzoekers die uitzonderlijke prestaties hebben geleverd op het gebied van de natuurkunde. De Akademie heeft de Lorentzmedaille in 1925 ingesteld, bij gelegenheid van het gouden jubileum van de promotie van Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928). Lorentz was lid van de Akademie en vervulde er diverse bestuursfuncties.

Zie ook

• wetten van Maxwell
• relativiteitstheorie
• Lorentzcontractie
• Lorentzkracht
• Lorentztransformatie
• Lorentz-Lorenz-formule
• Lorentz-verdeling

Mediabestanden

Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina Hendrik Antoon Lorentz op Wikimedia Commons.