Hendrik Antoon Lorentz

Hendrik Antoon Lorentz
Hendrik Antoon Lorentz, gemalt von Menso Kamerlingh Onnes

Hendrik Antoon Lorentz (* 18. Juli 1853 in Arnheim; † 4. Februar 1928 in Haarlem) war ein niederländischer Mathematiker und Physiker. Lorentz legte die mathematischen Grundlagen, 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 häufig mit dem dänischen Physiker Ludvig Lorenz verwechselt, nach dem beispielsweise Lorenz-Eichung und Lorenz-Mie-Theorie benannt wurden.

Inhaltsverzeichnis

Leben

Hendrik Antoon Lorentz wurde am 18. Juli 1853 als Sohn von Gerrit Frederik Lorentz und seiner Mutter Geertruida van Ginkel in Arnheim geboren. Nach dem Tod seiner Mutter heiratete sein Vater 1862 Luberta Hupkes. Hendrik Antoon Lorentz ging 1870 an die Universität Leiden, schloss 1871 seine Studien in Mathematik und Physik ab und kehrte 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. Zwischen Lorentz und dem Göttinger Physiker Emil Wiechert bestand eine jahrelange Freundschaft. Lorentz hat Wiechert in mehreren Briefen die Entwicklung des Relativitätsprinzips erläutert und einen wichtigen Beitrag damit 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 Dr. Geertruida Luberta Lorentz studierte ebenfalls Physik und war mit Wander Johannes de Haas verheiratet.

Leistungen

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 von Elektrizität, Magnetismus und Licht 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 von Licht 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 von elektrischen Ladungen und konnte damit das Verhalten von Licht 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“[1] und ihrer „bahnbrechenden Arbeiten über den Zusammenhang zwischen optischen und elektromagnetischen Erscheinungen“[2]. Lorentz argumentierte in der Nobelrede ganz im Sinne seiner Äthervorstellungen, weshalb er einleitend auch gleich feststellt:

„Über die wägbare Materie werde ich sehr wenig zu sagen haben, dafür aber umso mehr über den Äther und Elektronen. - (Freie Übersetzung des engl. Originaltextes[3])“

1908 hielt er einen Plenarvortrag auf dem Internationalen Mathematikerkongress in Rom (Le partage de l'énergie entre la matière pondérable et l'éther).

Lorentz wurde 1919 zum Leiter des Komitees ernannt, das im Rahmen der Planung der Zuiderzeewerke die Auswirkungen der Eindeichungsmaßnahmen auf den Wasserspiegel untersuchen sollte. Seine in den folgenden acht Jahren ausgeführten theoretischen Berechnungen wurden durch jahrzehntelange Praxis nach dem Bau der Deiche bestätigt.

Nach Hendrik Antoon Lorentz ist ein Mondkrater benannt.

Relativitätstheorie

Von Lorentz zu Einstein

→ Hauptartikel: Lorentzsche Äthertheorie

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 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:[4]

„Es ist allgemein bekannt, dass auf das Relativitätsprinzip allein eine Theorie der Transformationsgesetze von Raum und Zeit nicht gegründet werden kann. Es hängt dies bekanntlich mit der Relativität der Begriffe „Gleichzeitigkeit“ und „Gestalt bewegter Körper“ zusammen. Um diese Lücke auszufüllen, führte ich das der H. A. Lorentzschen Theorie des ruhenden Lichtäthers entlehnte Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ein, das ebenso wie das Relativitätsprinzip eine physikalische Voraussetzung enthält, die nur durch die einschlägigen Erfahrungen gerechtfertigt erschien (Versuche von Fizeau, Rowland usw.).“

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.[5] In seinen Veröffentlichungen behandelte er beide Auffassungen durchaus gleichberechtigt, und zeigte ein tiefes Verständnis für die Kinematik der Relativitätstheorie.[6] So demonstrierte er die Widerspruchsfreiheit der Symmetrie der relativistischen Effekte in Vorlesungen zwischen 1910-12 (veröffentlicht 1929):[7]

„Das Verhalten der Maßstäbe und Uhren, ihre Verkürzungen, bzw. ihr Langsamergehen bei der Translationsbewegung gibt bei oberflächlicher Betrachtung zu einem merkwürdigen Paradoxon Anlaß, das sich aber bei genauerem Zusehen widerlegen läßt.“

Beispielsweise können zwei relativ zueinander bewegte Beobachter behaupten, dass die Maßstäbe des jeweils anderen kürzer sind. Die Beurteilung der Stablänge beruht nun darauf, dass die Enden der Stäbe gleichzeitig gemessen werden. Wenn berücksichtigt wird, dass die Beurteilung der Gleichzeitigkeit in jedem System unterschiedlich ausfällt, und man genau berücksichtigt, wo und wann im jeweiligen System die Messungen der Endpunkte durchgeführt werden, fällt laut Lorentz der Widerspruch fort. Dasselbe gilt für die Zeitdilatation: Wenn jeder behauptet, dass die Uhr des jeweils anderen langsamer geht, so ist das deswegen möglich, weil zur Messung der Dilatation einer bewegten Uhr immer zwei synchrone, ruhende Uhren benötigt werden. Jedoch aufgrund der Relativität der Gleichzeitigkeit können die Uhren aus Sicht des anderen Systems keinesfalls als synchron gelten. Somit können beide Paradoxien im Sinne der Relativitätstheorie leicht aufgelöst werden und in weiteren Vorlesungen (gehalten 1913, veröffentlicht 1914), konnte Lorentz, wie vor ihm bereits Paul Langevin (1911) und Max von Laue (1913), das sogenannte Uhrenparadoxon (Zwillingsparadoxon) auflösen.[8] Er zeigte, dass eine Uhr die sich vom Ursprungsort entfernt und dann wieder zurückkehrt, gegenüber einer zurückgebliebenen Uhr nachgeht, wobei auch die Sicht der bewegten Uhr mit Hilfe des Doppler-Effektes dargestellt werden konnte.

Stellung zur allgemeinen Relativitätstheorie

Darüber hinaus war Lorentz einer der wenigen, die Einstein bei seiner Arbeit unterstützten, eine allgemeine Relativitätstheorie zu formulieren. So veröffentlichte Lorentz 1915 eine Arbeit, in welcher er versuchte die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Einsteinsche "Entwurf-Theorie" mit dem Hamiltonschen Prinzip zur verbinden. Und nachdem Einstein schließlich die allgemeine Relativitätstheorie vollendet hatte, gratulierte ihm Lorentz, und veröffentlichte eine Reihe von Arbeiten (1916-1917), welche wichtige Beiträge zur weiteren Entwicklung der Theorie beinhalten. So war Lorentz der Erste, der die allgemeine Relativitätstheorie auf eine koordinatenfreie, geometrische Weise formulieren wollte, was ihm allerdings nicht vollständig gelang.[9][10]

Trotz allem blieb Lorentz weiterhin bei seiner Vorstellung eines ruhenden Äthers, und meinte in einem Brief an Einstein, dass ein solcher Äther durchaus mit der allgemeinen Relativitätstheorie verträglich sei. In seiner Antwort erklärte Einstein, dass man zwar das Gravitationsfeld der allgemeinen Relativitätstheorie als Äther bezeichnen könne, dieser sei jedoch kein stofflicher Äther der klassischen Physik, der einen Bewegungszustand besitze. Einstein führte dies weiter in einigen semi-populären Arbeiten, wie z.b. einer Rede 1920 zu Ehren von Lorentz in Leiden. Da der Ausdruck "Äther" bei Einstein lediglich als eine andere Bezeichnung für das Gravitationsfeld der allgemeinen Relativitätstheorie diente, konnte sich dieser Begriff in der modernen Physik nicht durchsetzen.[11]

Lorentz und Einstein

Lorentz und Einstein photographiert von Paul Ehrenfest vor seinem Haus in Leiden

Lorentz und Einstein hegten von Beginn an eine große Wertschätzung füreinander, wie nicht nur aus den veröffentlichten Arbeiten, sonder auch aus ihrer intensiven Korrespondenz zu ersehen ist. So würdigte Lorentz die großen Leistungen Einsteins und schlug ihn 1912 als Nachfolger für seinen Lehrstuhl an der Universität Leiden vor. Umgekehrt erblickte Einstein in Lorentz geradezu eine väterliche Figur. Er schrieb über Lorentz:

„1909: Ich bewundere diesem Mann wie keinen anderen, ich möchte sagen, ich liebe ihn.[12]
1928: Die enorme Bedeutung seiner Arbeit liegt darin, dass sie die Grundlage der Theorie der Atome und der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie bildet. Die spezielle Theorie war eine detailliertere Darlegung der Ideen, die sich in Lorentz' Forschungen von 1895 finden.[13]
1954: Dass er diesen Schritt zur speziellen Relativitätstheorie nicht machte lag einfach darin, dass es für ihn psychologisch unmöglich war, auf die Realität des Äthers als eines materiellen Dinges (Trägers des elektromagnetischen Feldes) zu verzichten. Wer diese Zeit miterlebt hat, begreift es.[14]“

Und Lorentz ließ keinen Zweifel daran, dass Einstein der Begründer der Relativitätstheorie ist:

„1914 (Brief an Einstein): Ich spürte die Notwendigkeit einer allgemeineren Theorie, die ich später [1904] zu entwickeln versuchte und die Sie (und in geringerem Masse Poincaré) formulierten.[15]
1928: Ich betrachtete meine Zeittransformation nur als eine heuristische Arbeitshypothese. Die Relativitätstheorie ist also allein Einsteins Arbeit. Und es kann keinen Zweifel geben, dass er sie gefunden hätte, selbst wenn die Arbeit all seiner Vorgänger zur Theorie dieses Gebietes überhaupt nicht getan worden wäre. Seine Arbeit ist in diesem Sinne unabhängig von den vorherigen Theorien.[16]“

Werke

 Wikisource: Hendrik Antoon Lorentz – Quellen und Volltexte
 Wikisource: Hendrik Lorentz – Quellen und Volltexte (Englisch)
  • Lorentz, Hendrik Antoon: Deux Memoirs de Henri Poincaré sur la Physique Mathematique. In: Acta Mathematica. 38, 1915/1921, S. 293–308. doi:10.1007/BF02392073. Nachdruck in Poincaré, Oeuvres tome XI, S. 247–261.
  • Lorentz, Hendrik Antoon: Die Relativitätstheorie für gleichförmige Translationen. In: Vorlesungen über theoretische Physik an der Universität (1910-1912) Leiden., 4. Leipzig: Akad. Verl.-Ges 1929
Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Science, Amsterdam

Literatur

  • Fölsing, Albrecht: Albert Einstein. Eine Biographie. Frankfurt am Main: Suhrkamp 1993/1995, ISBN 3518389904
  • Janssen, M.: H. A. Lorentz's Attempt to Give a Coordinate-free Formulation of the General. Theory of Relativity.. In: Studies in the History of General Relativity, S. 344-363, Boston: Birkhäuser 1992, ISBN 0817634797
  • Kostro, L.: An outline of the history of Einstein's relativistic ether concept. In: Jean Eisenstaedt & Anne J. Kox (Hrsg.): Studies in the history of general relativity, 3, S. 260-280, Boston-Basel-Berlin: Birkäuser 1992, ISBN 0817634797
  • Kox, A.J.: Einstein, Lorentz, Leiden and general relativity. In: Class. Quantum Grav.. 10, 1993, S. 187. doi:10.1088/0264-9381/10/S/020.
  • Miller, Arthur I.: Albert Einstein’s special theory of relativity. Emergence (1905) and early interpretation (1905–1911). Reading: Addison–Wesley 1981, ISBN 0-201-04679-2
  • Pais, Abraham: „Raffiniert ist der Herrgott …“: Albert Einstein, eine wissenschaftliche Biographie. Heidelberg: Spektrum 1982/2000, ISBN 3827405297
  • Quirin Engasser (Hrsg.): Grosse Männer der Weltgeschichte. 1000 Biographien in Wort und Bild. Neuer Kaiser Verlag, Klagenfurt 1987, ISBN 3-7043-3065-5, S. 279

Einzelnachweise

  1. ↑ Nobelpreisauszeichnung 1902
  2. ↑ Nobel Presentation Speech
  3. ↑ Nobelrede, Stockholm am 11. Dezember 1902, In seiner lesenswerten Rede gebraucht Lorentz das Wort Äther insgesamt 44 Mal).
  4. ↑ Einstein, Albert: Relativität und Gravitation. Erwiderung auf eine Bemerkung von M. Abraham. In: Annalen der Physik. 343, Nr. 10, 1912, S. 1059–1064.
  5. ↑ Lorentz 1914
  6. ↑ Miller 1981
  7. ↑ Lorentz 1929.
  8. ↑ Lorentz 1914
  9. ↑ Kox 1993
  10. ↑ Janssen 1992
  11. ↑ Kostro 1992
  12. ↑ Fölsing, p. 246. Brief an Jakob Laub.
  13. ↑ Pais, p. 168
  14. ↑ Fölsing, p. 251
  15. ↑ Pais, p. 168. Brief an Einstein.
  16. ↑ I considered my time transformation only as a heuristic working hypothesis. So the theory of relativity is really solely Einstein's work. And there can be no doubt that he would have conceived it even if the work of all his predecessors in the theory of this field had not been done at all. His work is in this respect independent of the previous theories. Lorentz 1928

Siehe auch

Weblinks

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