Een heer in de natuurkunde

Trouw, 08-06-1999

Een heer in de natuurkunde

Welke Nederlanders hebben zo’n grote invloed gehad op de twintigste eeuw dat na hen de wereld niet meer dezelfde was? Broemd, berucht of onderschat, wie veroorzaakte een wending in onze levenswijze, markeerde een doorbraak in ons denken? Met het eind van de eeuw in zicht blikt Podium iedere dinsdag terug op invloedrijke landgenoten in de afgelopen honderd jaar.

Toen Lorentz in februari 1928 overleed, heerste in Nederland nationale rouw. Zijn begrafenis in Haarlem werd bijgewoond door wetenschappelijke kopstukken, vertegenwoordigers van de regering en leden van het Koninklijk Huis. Als eerbetoon werd de telegraafdienst voor enkele minuten stilgelegd. Enkele jaren ervoor was Lorentz uitgebreid gehuldigd ter gelegenheid van zijn 50-jarig doctoraat in de natuurkunde. Prominenten als minister Colijn, Madame Curie en Einstein staken er de loftrompet.
Nu, aan het eind van de eeuw, beseffen zelfs natuurkundigen nauwelijks hoe belangrijk de rol van Lorentz in de ontwikkeling van de natuurkunde is geweest. De reden hiervoor is wellicht dat zijn bijdragen zo volkomen in de moderne natuurkunde zijn ingebed. Maar tijdens de huldiging van 1925 was Einstein zeer uitgesproken: “De enorme betekenis van zijn werk ligt hierin dat het de basis vormt voor de atoomtheorie en voor de relativiteitstheorie, die in feite een uitwerking is van de concepten die Lorentz in 1895 publiceerde.”

Hendrik Antoon Lorentz werd op 18 juli 1853 in Arnhem geboren, de stad die hem in 1931 eerde met een statig monument in het Sonsbeekpark. Na een leraarschap in Arnhem werd hij in 1878 (op 24-jarige leeftijd) hoogleraar theoretische natuurkunde aan de universiteit van Leiden. Omstreeks 1912 werd hij curator van het ‘Fysisch Kabinet van de Teyler’s Stichting’, een betrekking die hem meer tijd liet voor zijn wetenschappelijk onderzoek. Hij bleef echter tot het eind van z’n leven als buitengewoon hoogleraar aan Leiden verbonden waar hij iedere maandagochtend een college verzorgde over recente ontwikkelingen in de natuurkunde.
Lorentz was een heer in de natuurkunde. Meer nog dan zijn uiterst heldere geest wordt zijn karakter geprezen als bedachtzaam, mild, ironisch, hulpvaardig, open en gastvrij. Zo stond hij erom bekend om -ondanks zijn drukke agenda- gasten met een sigaar en een glas wijn te onthalen voor een goed gesprek. Einstein -ook een sigarenliefhebber- omschreef hem als ‘een levend kunstwerk’.
Ook de natuurkunde van een eeuw geleden had iets voornaams. De macroscopische natuur werd adequaat beschreven door wiskundige formules met de wetten van Newton en Maxwell als kroonjuwelen. Het was de tijd dat dingen hetzij deeltjes hetzij golven waren; dat elektromagnetische golven gedragen werden door de ether; dat alles in principe berekenbaar was; en dat tijd en plaats nog gescheiden begrippen waren. Kortom: when girls were girls and men were men.
Dat Lorentz die klassieke fysica beheerste blijkt bijvoorbeeld uit het feit dat hij in 1918 de wetenschappelijke verantwoording op zich nam voor de Zuiderzeewerken. Een kernvraag betrof de invloed van de afsluiting van de Zuiderzee op het getij in de Waddenzee. Nadat de afsluitdijk in 1933 gedicht was, bleken Lorentz’ berekeningen correcte voorspellingen.
Zijn belangrijkste werk echter lag op een heel ander gebied: een theorie te vinden die elektriciteit, magnetisme en licht zou verenigen. Want hoewel de wetten van Maxwell elektromagnetische straling (waaronder licht) beschrijven als het resultaat van trillingen van elektrisch geladen deeltjes, bleef het duister welke ladingen verantwoordelijk waren voor de opwekking van licht. Daar algemeen werd aangenomen dat elektrische stroom bestond uit (het transport van) geladen deeltjes, veronderstelde Lorentz dat ook atomen uit geladen deeltjes moesten bestaan en dat de trillingen van die ladinkjes (elektronen) binnen het atoom de bron waren van licht. Indien deze electrontheorie waar was, zou een sterk magnetische veld een (Lorentz-)kracht uitoefenen op de elektronen en zo de golflengte van het licht moeten beïnvloeden. Toen Pieter Zeeman, destijds een assistent van Lorentz in Leiden, in 1896 dit verschijnsel (het Zeeman-effect) waarnam, werd Lorentz’ electrontheorie bevestigd. In 1902 ontving Lorentz hiervoor samen met Zeeman de Nobelprijs.
De electrontheorie kon echter de negatieve uitkomsten van het zogeheten Michelson-Morley experiment niet verklaren. Dit was een poging om de snelheid van de Aarde door de veronderstelde ether te meten door vergelijking van de lichtsnelheid in de bewegingsrichting van de Aarde en loodrecht erop. De lichtsnelheid bleek namelijk steeds hetzelfde. Lorentz veronderstelde toen een verkorting van de lengte in de richting van de snelheid: de Lorentz-Fitzgerald contractie. Zo’n verkorting zou de verwachte kleinere lichtsnelheid namelijk maskeren. De Ier Fitzgerald was enkele jaren ervoor op het zelfde idee gekomen, maar had het nooit gepubliceerd, waarop Lorentz, heer die hij was, aandrong op de dubbele naamgeving. In 1904 werkte Lorentz de contractie verder uit tot de Lorentztransformaties; wiskundige formules die de massatoename, lengteverkorting en tijdsvertraging beschrijven die karakteristiek zijn voor een snel bewegend lichaam en die de basis vormen voor Einsteins relativiteitstheorie.
Voor Lorentz waren deze formules mathematische hulpstukken om onverklaarde verschijnselen in te passen in de klassieke natuurkunde. Einstein had het lef om er reële fysische betekenis aan te hechten en om te breken met de ether als drager van elektromagnetische golven. En hoewel Lorentz de relativiteitstheorie volledig begreep, heeft hij nooit afscheid kunnen nemen van zijn geliefde klassieke natuurkunde.

copyright © Het Inzicht / Jos Wassink, 1999