Bis jetzt glaubte man, dass Zeit und Raum von selbst existierten, auch wenn es nichts anderes gab – keine Sonne, keine Erde, keine Sterne – während wir jetzt wissen, dass Zeit und Raum nicht das Gefäß des Universums sind, sondern überhaupt nicht existieren könnten, wenn es keinen Inhalt gäbe, nämlich keine Sonne, Erde und andere Himmelskörper.
Hendrik Antoon Lorentz war ein niederländischer Physiker, der sich 1902 den Nobelpreis für Physik mit Pieter Zeeman für die Entdeckung und theoretische Erklärung des Zeeman-Effekts teilte. Er leitete auch die Transformationsgleichungen ab, die Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie zugrunde liegen.
Nach der von der Nobelstiftung veröffentlichten Biografie „kann man mit Recht sagen, dass Lorentz von allen theoretischen Physikern als der führende Geist der Welt angesehen wurde, der das Unvollendete seiner Vorgänger vollendete und den Boden für die fruchtbare Aufnahme der neuen Ideen bereitete, die auf der Quantentheorie basierten." Er erhielt viele Ehrungen und Auszeichnungen, darunter ein Mandat als Vorsitzender des Internationalen Komitees für Geistige Zusammenarbeit, dem Vorläufer der UNESCO, zwischen 1925 und 1928.
Biografie
Frühen Leben
Hendrik Lorentz wurde in Arnhem, Gelderland, Niederlande, als Sohn von Gerrit Frederik Lorentz 1822–1893, ein wohlhabender Gärtner, und Geertruida van Ginkel 1826–1861 geboren. 1862 heiratete sein Vater nach dem Tod seiner Mutter Luberta Hupkes. Obwohl er protestantisch aufgezogen wurde, war er in religiösen Angelegenheiten ein Freidenker. Von 1866 bis 1869 besuchte er die „Hogere Burger School" in Arnhem, eine neue Art von öffentlicher Oberschule, die kürzlich von Johan Rudolph Thorbecke gegründet worden war. Seine Schulleistungen waren vorbildlich; nicht nur zeichnete er sich in den Naturwissenschaften und Mathematik aus, sondern auch in Englisch, Französisch und Deutsch. 1870 bestand er die damals für die Universitätszulassung erforderlichen Prüfungen in klassischen Sprachen.
Lorentz studierte Physik und Mathematik an der Universität Leiden, wo er stark vom Unterricht des Astronomie-Professors Frederik Kaiser beeinflusst wurde; sein Einfluss führte dazu, dass er Physiker wurde. Nach seinem Bachelor-Abschluss kehrte er 1871 nach Arnhem zurück, um Abendschulklassen in Mathematik zu unterrichten, setzte aber sein Studium in Leiden zusätzlich zu seiner Unterrichtstätigkeit fort. 1875 erwarb Lorentz unter Pieter Rijke einen Doktortitel für eine Dissertation mit dem Titel „Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht" Über die Theorie der Reflexion und Brechung von Licht, in der er die elektromagnetische Theorie von James Clerk Maxwell verfeinerte.
Karriere
Professor in Leiden
Am 17. November 1877, als er erst 24 Jahre alt war, wurde Hendrik Antoon Lorentz zum neu geschaffenen Lehrstuhl für theoretische Physik an der Universität Leiden ernannt. Die Position war zunächst Johan van der Waals angeboten worden, aber er nahm eine Position an der Universiteit van Amsterdam an. Am 25. Januar 1878 hielt Lorentz seine Antrittsvorlesung über „De moleculaire theoriën in de natuurkunde" Die Molekulartheorien in der Physik. 1881 wurde er Mitglied der Königlich Niederländischen Akademie der Künste und Wissenschaften.
In den ersten zwanzig Jahren in Leiden interessierte sich Lorentz hauptsächlich für die elektromagnetische Theorie von Elektrizität, Magnetismus und Licht. Danach erweiterte er seine Forschung auf ein viel breiteres Gebiet, während er sich weiterhin auf theoretische Physik konzentrierte. Lorentz trug wesentlich zu Bereichen bei, die von der Hydrodynamik bis zur allgemeinen Relativitätstheorie reichen. Seine wichtigsten Beiträge waren im Bereich des Elektromagnetismus, der Elektronentheorie und der Relativität.
Lorentz theoretisierte, dass Atome aus geladenen Teilchen bestehen könnten, und schlug vor, dass die Schwingungen dieser geladenen Teilchen die Quelle von Licht waren. Als ein Kollege und ehemaliger Student von Lorentz, Pieter Zeeman, 1896 den Zeeman-Effekt entdeckte, lieferte Lorentz seine theoretische Interpretation. Die experimentelle und theoretische Arbeit wurde 1902 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Lorentz' Name ist nun mit der Lorentz–Lorenz-Gleichung, der Lorentz-Kraft, der Lorentzverteilung und der Lorentz-Transformation verbunden.
Elektrodynamik und Relativität
1892 und 1895 arbeitete Lorentz daran, elektromagnetische Phänomene und die Ausbreitung von Licht in Bezugsrahmen zu beschreiben, die sich relativ zum postulierten Licht tragenden Äther bewegten. Er entdeckte, dass der Übergang von einem zu einem anderen Bezugsrahmen vereinfacht werden konnte, indem eine neue Zeitvariable verwendet wurde, die er Ortszeit nannte und die von der Universalzeit und dem betrachteten Ort abhing. Obwohl Lorentz keine detaillierte Interpretation der physikalischen Bedeutung der Ortszeit gab, konnte er damit die Aberration von Licht und das Ergebnis des Fizeau-Experiments erklären. 1900 und 1904 nannte Henri Poincaré Lorentz' Ortszeit dessen „genialste Idee" und veranschaulichte sie, indem er zeigte, dass Uhren in bewegten Systemen durch den Austausch von Lichtsignalen synchronisiert werden, die mit der gleichen Geschwindigkeit gegen und mit der Bewegung des Systems angenommen wird, siehe Einstein-Synchronisation und Relativität der Gleichzeitigkeit. 1892 schlug Lorentz, um das Michelson-Morley-Experiment zu erklären, auch vor, dass sich bewegende Körper in Bewegungsrichtung kontrahieren, siehe Längenkontraktion; George FitzGerald war bereits 1889 zu diesem Schluss gekommen.
1899 und erneut 1904 fügte Lorentz Zeitdilatation zu seinen Transformationen hinzu und veröffentlichte, was Poincaré 1905 als Lorentz-Transformationen benannte. Es war offenbar Lorentz unbekannt, dass Joseph Larmor 1897 identische Transformationen verwendet hatte, um umlaufende Elektronen zu beschreiben. Die Gleichungen von Larmor und Lorentz sehen etwas unterschiedlich aus, sind aber algebraisch gleichwertig mit denen, die Poincaré und Einstein 1905 präsentierten. Das Papier von Lorentz von 1904 enthält die kovariante Formulierung der Elektrodynamik, in der elektrodynamische Phänomene in verschiedenen Bezugsrahmen durch identische Gleichungen mit wohldefinierten Transformationseigenschaften beschrieben werden. Das Papier erkennt klar die Bedeutung dieser Formulierung, nämlich dass die Ergebnisse elektrodynamischer Experimente nicht von der relativen Bewegung des Bezugsrahmens abhängen. Das Papier von 1904 enthält eine ausführliche Diskussion über die Zunahme der Trägheitsmasse von sich schnell bewegenden Objekten in einem nutzlosen Versuch, den Impuls genau wie den Newtonschen Impuls aussehen zu lassen; es war auch ein Versuch, die Längenkontraktion als die Ansammlung von „Stoff" auf Masse zu erklären, die sie verlangsamt und kontrahiert.
Lorentz und spezielle Relativität
1905 würde Einstein viele der Konzepte, mathematischen Werkzeuge und Ergebnisse nutzen, die Lorentz diskutierte, um sein Papier mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper" zu schreiben, heute als spezielle Relativitätstheorie bekannt. Da Lorentz die Grundlagen für Einsteins Arbeit legte, wurde diese Theorie ursprünglich die Lorentz-Einstein-Theorie genannt.
1906 erhielt Lorentz' Elektronentheorie in seinen Vorlesungen an der Columbia University eine vollständige Behandlung, veröffentlicht unter dem Titel Die Elektronentheorie.
Die Massenzunahme war die erste Vorhersage von Lorentz und Einstein, die getestet wurde, aber einige Experimente von Kaufmann zeigten scheinbar eine leicht unterschiedliche Massenzunahme; dies führte Lorentz zu der berühmten Bemerkung, dass er „au bout de mon latin" „am Ende meines Lateins" = ratlos war. Die Bestätigung seiner Vorhersage musste bis 1908 und später warten, siehe Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente.
Lorentz veröffentlichte eine Serie von Papieren, die sich mit dem befassten, was er „Einsteins Relativitätsprinzip" nannte. Zum Beispiel 1909, 1910, 1914. In seinen 1906 gehaltenen Vorlesungen, die mit Ergänzungen 1909 im Buch „Die Elektronentheorie" veröffentlicht wurden, das 1915 aktualisiert wurde, sprach er bejahend von Einsteins Theorie:
Es wird durch das Gesagte klar, dass die Eindrücke, die die beiden Beobachter A0 und A erhalten, in jeder Hinsicht gleich wären. Es wäre unmöglich zu entscheiden, welcher von ihnen sich in Bezug auf den Äther bewegt oder stillsteht, und es gäbe keinen Grund, die von dem einen gemessenen Zeiten und Längen denen vorzuziehen, die vom anderen bestimmt werden, noch zu sagen, dass einer von ihnen im Besitz der „wahren" Zeiten oder der „wahren" Längen ist. Dies ist ein Punkt, auf den Einstein besonderen Wert gelegt hat, in einer Theorie, in der er von dem ausgeht, was er das Relativitätsprinzip nennt. Ich kann hier nicht von den vielen hochinteressanten Anwendungen sprechen, die Einstein aus diesem Prinzip gemacht hat. Seine Ergebnisse bezüglich elektromagnetischer und optischer Phänomene stimmen im Wesentlichen mit denen überein, die wir auf den vorherigen Seiten erhalten haben, wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass Einstein einfach postuliert, was wir mit einiger Schwierigkeit und nicht ganz zufriedenstellend aus den grundlegenden Gleichungen des elektromagnetischen Feldes abgeleitet haben. Dadurch kann er sich sicherlich anrechnen lassen, dass wir in dem negativen Ergebnis von Experimenten wie denen von Michelson, Rayleigh und Brace nicht eine zufällige Kompensation gegensätzlicher Effekte, sondern die Manifestation eines allgemeinen und grundlegenden Prinzips sehen. Es wäre ungerecht, nicht hinzuzufügen, dass Einsteins Theorie neben der faszinierenden Kühnheit ihres Ausgangspunkts noch einen weiteren markanten Vorteil gegenüber der meinen hat. Während mir nicht gelungen ist, für die Gleichungen, die sich auf bewegte Achsen beziehen, genau die gleiche Form zu erhalten wie für diejenigen, die für ein stationäres System gelten, hat Einstein dies durch ein System neuer Variablen erreicht, die sich leicht von denen unterscheiden, die ich eingeführt habe.
Obwohl Lorentz immer noch davon ausging, dass es einen nicht nachweisbaren Äther gibt, in dem ruhende Uhren die „wahre Zeit" anzeigen:
1909: Dennoch bin ich der Meinung, dass auch zugunsten der Form, in der ich die Theorie präsentiert habe, etwas gesagt werden kann. Ich kann den Äther, der der Sitz eines elektromagnetischen Feldes mit seiner Energie und seinen Schwingungen sein kann, nicht anders als mit einem gewissen Maße an Substantialität ausgestattet betrachten, so unterschiedlich er auch von der ganzen gewöhnlichen Materie sein mag.
1910: Vorausgesetzt, es gibt einen Äther, dann ist unter allen Systemen x, y, z, t eines dadurch ausgezeichnet, dass die Koordinatenachsen sowie die Uhren im Äther ruhen. Wenn man damit die Idee verbindet (die ich nur ungern aufgeben würde), dass Raum und Zeit völlig verschiedene Dinge sind und dass es eine „wahre Zeit" gibt (die Gleichzeitigkeit wäre also unabhängig vom Ort, in Übereinstimmung damit, dass wir die Idee unendlich großer Geschwindigkeiten haben können), dann kann man leicht sehen, dass diese wahre Zeit durch Uhren angezeigt werden sollte, die im Äther ruhen. Wenn das Relativitätsprinzip jedoch in der Natur allgemeine Gültigkeit hätte, würde man sich nicht in der Position befinden, zu bestimmen, ob das gerade verwendete Bezugssystem das bevorzugte ist. Dann kommt man zu denselben Ergebnissen, als würde man (nach Einstein und Minkowski) die Existenz des Äthers und der wahren Zeit leugnen und alle Bezugssysteme als gleich gültig ansehen. Welche dieser beiden Denkweisen man verfolgt, kann sicherlich dem Einzelnen überlassen werden.
Lorentz würdigte auch Poincarés Beiträge zur Relativität.
Tatsächlich habe ich für einige der physikalischen Größen, die in die Formeln eingehen, nicht die Transformation angegeben, die am besten passt. Das tat Poincaré und dann Herr Einstein und Minkowski. Es gelang mir nicht, die genaue Invarianz der Gleichungen zu erhalten. Poincaré hingegen erreichte eine perfekte Invarianz der elektromagnetischen Gleichungen und formulierte das „Relativitätspostulat", Begriffe, die er als erster verwendete. Lassen Sie uns hinzufügen, dass er, indem er die Mängel meiner Arbeit korrigierte, mir niemals Vorwürfe deswegen machte.
Lorentz und allgemeine Relativität
Lorentz war einer der wenigen Wissenschaftler, die Einsteins Suche nach allgemeiner Relativität von Anfang an unterstützten – er schrieb mehrere Forschungsarbeiten und diskutierte persönlich und schriftlich mit Einstein. Zum Beispiel versuchte er, Einsteins Formalismus mit Hamiltons Prinzip 1915 zu kombinieren und ihn auf koordinatenfreie Weise zu reformulieren 1916. Lorentz schrieb 1919:
Die totale Sonnenfinsternis vom 29. Mai führte zu einer auffallenden Bestätigung der neuen Theorie der universellen Anziehungskraft der Gravitation, die von Albert Einstein entwickelt wurde, und verstärkte somit die Überzeugung, dass die Definition dieser Theorie einer der wichtigsten Schritte ist, die jemals in der Naturwissenschaft unternommen wurden.
Lorentz und Quantenmechanik
Lorentz hielt im Herbst 1926 eine Serie von Vorlesungen an der Cornell University über die neue Quantenmechanik; in diesen präsentierte er Erwin Schrödinger's Wellenmechanik.
Bewertungen
Einstein schrieb über Lorentz:
1928: Die enorme Bedeutung seiner Arbeit bestand darin, dass sie die Grundlage für die Theorie der Atome und für die allgemeine und spezielle Relativitätstheorie bildet. Die spezielle Theorie war eine detailliere Darlegung jener Konzepte, die man in Lorentz' Forschung von 1895 findet.
1953: Für mich persönlich bedeutete er mehr als all die anderen, denen ich auf meinem Lebensweg begegnet bin.
Poincaré sagte 1902 von Lorentz' Theorie der Elektrodynamik:
Die befriedigendste Theorie ist die von Lorentz; sie ist unzweifelhaft die Theorie, die die bekannten Fakten am besten erklärt, diejenige, die das Beste zu
