Hendrik Antoon Lorentz – einfach erklärt

Bedeutung und wissenschaftlicher Kern

Hendrik Antoon Lorentz (* 18. Juli 1853 in Arnhem; † 4. Februar 1928 in Haarlem) war ein niederländischer theoretischer Physiker und Nobelpreisträger von 1902. Er gehört zu den wichtigsten Physikern der Zeit um 1900, weil seine Arbeiten zur Elektrodynamik bewegter Körper wichtige Grundlagen für Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie lieferten. Nach ihm benannt sind unter anderem die Lorentz-Kraft, die Lorentz-Transformation, die Lorentz-Kontraktion und die Lorentz-Invarianz.

Sein Hauptgebiet war die Verbindung von Elektrizität, Magnetismus und Licht. Er entwickelte die elektromagnetische Theorie des Lichtes weiter, formulierte eine Elektronentheorie der Materie und suchte nach einer widerspruchsfreien Theorie, die elektrische, magnetische und optische Erscheinungen gemeinsam erklärt. Ein zentraler Gedanke war dabei, dass elektrisch geladene Teilchen eine wichtige Rolle für die Eigenschaften der Materie und für die Ausbreitung von Licht spielen.

Leben und akademische Laufbahn

Lorentz wurde als Sohn von Gerrit Frederik Lorentz und Geertruida van Ginkel geboren. Nach dem frühen Tod seiner Mutter heiratete sein Vater 1862 Luberta Hupkes. In der Schule war Lorentz stets Klassenbester; besonders stark interessierte er sich für Mathematik und Physik, lernte aber auch leicht Sprachen. Obwohl er protestantisch erzogen wurde, galt er schon als Jugendlicher als Freigeist.

1870 begann er an der Universität Leiden zu studieren. Zu seinen Lehrern gehörten Frederik Kaiser in theoretischer Astronomie und Pieter Leonard Rijke in Physik. Im November 1871 schloss er Mathematik und Physik mit dem Kandidatenexamen ab, das einem Bachelor-Abschluss entspricht. 1872 kehrte er nach Arnhem zurück und arbeitete als Lehrer für Abendkurse an seiner früheren Oberschule. Gleichzeitig schrieb er seine Doktorarbeit über Beugung und Brechung von Licht und promovierte 1875 im Alter von 22 Jahren.

1878 erhielt Lorentz an der Universität Leiden einen eigens für ihn eingerichteten Lehrstuhl für theoretische Physik. Leiden blieb seine wissenschaftliche Heimat; 1899/1900 war er Rektor der Universität. 1881 heiratete er Aletta Catharina Kaiser. Das Paar hatte zwei Töchter und einen Sohn. Seine älteste Tochter Geertruida Luberta Lorentz studierte ebenfalls Physik und war mit Wander Johannes de Haas verheiratet.

Forschung, Nobelpreis und praktische Arbeiten

Lorentz erweiterte schon früh die maxwellsche Theorie der Elektrizität und des Lichts. Bereits in seiner Doktorarbeit führte er neue Konzepte ein. 1878 veröffentlichte er eine Untersuchung über den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des Lichts und der Dichte und Zusammensetzung des Mediums, durch das Licht läuft.

Ein Schwerpunkt seiner Arbeit war die Bewegung elektrisch geladener Teilchen. Lorentz postulierte das Elektron als Träger elektrischer Ladung. Mit diesem Konzept konnte er erklären, wie Licht sich beim Durchgang durch transparente Körper verhält. Seine Arbeiten veränderten damit die Vorstellungen von der Natur der Materie.

1902 erhielt Lorentz zusammen mit Pieter Zeeman den Nobelpreis für Physik. Ausgezeichnet wurden ihre Untersuchungen über den Einfluss des Magnetismus auf Strahlungsphänomene und ihre Arbeiten zum Zusammenhang zwischen optischen und elektromagnetischen Erscheinungen. In seiner Nobelrede argumentierte Lorentz noch im Rahmen seiner Äthervorstellungen und sagte sinngemäß, er werde wenig über wägbare Materie, aber viel über Äther und Elektronen sprechen.

Neben seiner theoretischen Physik übernahm Lorentz auch praktische wissenschaftliche Aufgaben. 1919 wurde er Leiter eines Komitees, das im Rahmen der Planung des Abschlussdeichs der Zuiderzee berechnen sollte, wie der Deich die Gezeiten an der Nordseeküste und den Wasserspiegel in der Umgebung beeinflussen würde. Unklar war besonders, wie stark die Deiche am Wattenmeer erhöht werden mussten; die Schätzungen reichten von 15 cm bis 4 m. Lorentz vereinfachte das schwierige Problem so weit, dass Jo Thijsse die numerischen Rechnungen ausführen konnte. Lorentz war von 1918 bis 1926 in das Projekt eingebunden. Die Fertigstellung des Abschlussdeichs 1933 erlebte er nicht mehr, doch die späteren Erfahrungen bestätigten die theoretischen Berechnungen über Jahrzehnte hinweg.

Von der Äthertheorie zur speziellen Relativität

In seiner Elektronentheorie ging Lorentz von einem vollständig ruhenden Äther aus. Der Äther war damals als Trägermedium für elektromagnetische Vorgänge gedacht. In Lorentz’ Modell war die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle, weil sie nur in Bezug auf den Äther konstant sein sollte. Wenn Materie sich relativ zum Äther bewegt, müsste sie dem Licht entgegen- oder davonlaufen; dieser erwartete Effekt wurde als „Ätherwind“ bezeichnet. Experimente wie das Michelson-Morley-Experiment konnten einen solchen Ätherwind jedoch nicht nachweisen.

Um dieses Problem zu erklären, nahm Lorentz 1892 an, dass bewegte Materie im Äther verkürzt wird. Dieselbe Hypothese hatte George Francis FitzGerald 1889 vorgeschlagen. Diese FitzGerald-Lorentzsche Kontraktionshypothese, später Lorentzkontraktion genannt, reichte allein aber nicht aus, um alle negativen Ätherwindexperimente zu erklären. Deshalb entwickelte Lorentz in Arbeiten von 1892, 1895, 1899 und 1904 die Lorentz-Transformation. Dabei hängen nicht nur Längen, sondern auch Zeitkoordinaten von der Position bewegter Materie im Äther ab. Die dabei eingeführte „Ortszeit“ war für Lorentz zunächst nur eine Hilfsgröße ohne physikalischen Gehalt.

Henri Poincaré zeigte 1900, dass diese Ortszeit entsteht, wenn bewegte Beobachter im Äther ihre Uhren mit Lichtsignalen synchronisieren. 1905 vervollständigte Poincaré die lorentzsche Theorie mathematisch. Albert Einstein konnte auf dieser Grundlage die spezielle Relativitätstheorie entwickeln. Einstein verband die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Quelle mit dem Relativitätsprinzip, also der Annahme, dass die grundlegenden Naturgesetze in allen gleichförmig bewegten Bezugssystemen gleich gelten. Damit war kein ruhender Äther als bevorzugtes Bezugssystem mehr nötig.

Wichtig war die neue Deutung der Zeit: Es gibt keine „wahre“ Zeit im Gegensatz zur „Ortszeit“. Jede Zeit in einem Inertialsystem, also in einem gleichförmig bewegten Bezugssystem ohne Beschleunigung, kann als wirkliche Zeit gelten. Obwohl die lorentzsche Äthertheorie und die spezielle Relativitätstheorie dieselbe Lorentz-Transformation verwenden und experimentell nicht unterschieden werden können, setzte sich Einsteins klareres Konzept nach 1905 durch.

Lorentz’ Haltung zur Relativitätstheorie

Lorentz brachte seine eigene Theorie 1906, veröffentlicht 1909, auf einen Stand, auf dem sie experimentell in allen Punkten der speziellen Relativitätstheorie entsprach. Er erkannte an, dass Einsteins Relativitätsprinzip eine große Errungenschaft war, weil sich damit viele Ergebnisse einfach gewinnen ließen, während er selbst sie aus der elektromagnetischen Theorie umständlicher ableiten musste. Trotzdem hielt Lorentz an der Vorstellung eines absoluten Äthers und einer absoluten Gleichzeitigkeit fest. Eine scharfe Kritik an Einsteins Theorie übte er aber nicht. Da beide Theorien experimentell nicht unterscheidbar seien, betrachtete er die Entscheidung zwischen ihnen als „Geschmackssache“.

Lorentz verstand die Kinematik der Relativitätstheorie, also die Beschreibung von Raum, Zeit und Bewegung, sehr gut. In Vorlesungen zwischen 1910 und 1912 erklärte er scheinbare Paradoxien wie die gegenseitige Längenkontraktion und Zeitdilatation. Längenkontraktion bedeutet, dass ein bewegter Maßstab kürzer gemessen wird; Zeitdilatation bedeutet, dass eine bewegte Uhr langsamer geht. Der scheinbare Widerspruch löst sich auf, wenn man berücksichtigt, dass Gleichzeitigkeit in verschiedenen Bezugssystemen unterschiedlich beurteilt wird. 1913 behandelte Lorentz außerdem das sogenannte Uhrenparadoxon oder Zwillingsparadoxon: Eine Uhr, die sich entfernt und zurückkehrt, geht gegenüber einer zurückgebliebenen Uhr nach.

Auch gegenüber der allgemeinen Relativitätstheorie war Lorentz unterstützend. 1915 versuchte er, Einsteins damalige „Entwurf-Theorie“ mit dem Hamiltonschen Prinzip zu verbinden. Nach Einsteins Vollendung der allgemeinen Relativitätstheorie gratulierte Lorentz ihm und veröffentlichte 1916–1917 Arbeiten, die zur weiteren Entwicklung beitrugen. Er wollte die allgemeine Relativitätstheorie als Erster koordinatenfrei und geometrisch formulieren, was ihm jedoch nicht vollständig gelang.

Lorentz blieb dennoch bei seiner Vorstellung eines ruhenden Äthers. Einstein antwortete ihm, man könne zwar das Gravitationsfeld der allgemeinen Relativitätstheorie als Äther bezeichnen, aber nicht als stofflichen Äther der klassischen Physik mit eigenem Bewegungszustand. Dieser neue Ätherbegriff setzte sich in der modernen Physik nicht durch.

Verhältnis zu Einstein und Schriften

Lorentz und Einstein schätzten einander stark. Lorentz würdigte Einsteins Leistungen und schlug ihn 1912 als Nachfolger für seinen Lehrstuhl an der Universität Leiden vor. Einstein sah in Lorentz eine väterliche Figur und schrieb 1909, er bewundere ihn wie keinen anderen. 1928 betonte Einstein, Lorentz’ Arbeit bilde eine Grundlage der Theorie der Atome sowie der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie. 1954 erklärte Einstein, Lorentz habe den Schritt zur speziellen Relativitätstheorie wohl deshalb nicht gemacht, weil es für ihn psychologisch unmöglich gewesen sei, auf den Äther als materielles Ding zu verzichten.

Lorentz selbst stellte klar, dass Einstein der Begründer der Relativitätstheorie sei. In einem Brief von 1914 schrieb er, er habe die Notwendigkeit einer allgemeineren Theorie gespürt, die Einstein und in geringerem Maße Poincaré formuliert hätten. 1928 sagte er, seine Zeittransformation sei nur eine heuristische Arbeitshypothese gewesen; die Relativitätstheorie sei allein Einsteins Arbeit.

Zu Lorentz’ wichtigen Veröffentlichungen gehören unter anderem seine Dissertation „Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht“ von 1875, „Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern“ von 1895, „Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light“ von 1904, „Das Relativitätsprinzip“ von 1914 und „The theory of electrons and its applications to the phenomena of light and radiant heat“ von 1916. Nach seinem Tod erschienen unter anderem die „Collected Papers“ in 9 Bänden von 1934 bis 1939. 1907 gab Lorentz außerdem die Abhandlungen von Christian Doppler für Ostwalds Klassiker heraus.