Hendrik Antoon Lorentz: de spil van een generatie

Hendrik Antoon Lorentz gold rond 1900 als misschien wel de grootste natuurkundige van zijn tijd. Zo werd in de vormende jaren van de speciale relativiteitstheorie ook wel gesproken van de Lorentz-Einsteintheorie. Het idee dat hij een ‘klassiek fysicus’ was die niet met zijn tijd mee kon komen is dan ook ongepast, ziet natuurkundepromovendus Robert van Leeuwen in twee biografieën.

Hoewel door collega’s en historici tientallen artikelen zijn geschreven over met name zijn natuurkundige prestaties, ontbrak het tot voor kort aan een uitputtende levensbeschrijving van Hendrik Antoon Lorentz, de eerste hoogleraar theoretische fysica van Nederland. In de herfst van 2019 was het dubbel raak. Van de hand van Anne Kox, emeritus hoogleraar geschiedenis van de natuurwetenschappen aan de Universiteit van Amsterdam en eerder al bezorger van Lorentz’ wetenschappelijke correspondentie in twee delen, verscheen een langverwachte biografie. Bijna tegelijkertijd werd vanuit Leiden een biografie gepresenteerd door Dirk van Delft, bijzonder hoogleraar materieel erfgoed van de natuurwetenschappen en directeur van het Rijksmuseum Boerhaave, en Frits Berends, emeritus hoogleraar theoretische fysica.

Anno 1900 gold Lorentz als misschien wel de grootste natuurkundige van zijn tijd. De biografieën van Kox, Van Delft en Berends geven een inkijk in het leven en werk van de beroemde fysicus, die op natuurkundig gebied bijdroeg aan zowat alle specialismen van zijn tijd en daarnaast een centrale plaats innam in de internationale natuurkundige gemeenschap. Maar misschien nog belangrijker is dat Lorentz werkte in een periode van revolutionaire veranderingen in de natuurkunde. De boeken schetsen een genuanceerd beeld van hoe ook die grote omwentelingen voortkwamen uit decennialange wetenschappelijke arbeid en samenwerking.

Een congres van bijna mythische proporties

Wie een studie natuurkunde begint, loopt grote kans om bij een van de introductievakken de officiële foto van het eerste Solvay-congres in Brussel in 1911 getoond te krijgen. Op deze bijeenkomst – een van de eerste in haar soort – kwam een select gezelschap natuurkundigen samen om ideeën uit te wisselen over de toestand van hun vakgebied. Hendrik Lorentz was voorzitter van de vijfdaagse bijeenkomst. Het congres vond plaats in een bijzondere periode in de geschiedenis van de natuurkunde. In de eerste decennia van de twintigste eeuw werden de theorieën ontwikkeld die tot op de dag van vandaag de kaders vormen van de moderne fysica. In 1905 publiceerde Albert Einstein zijn speciale relativiteitstheorie, die binnen enkele jaren redelijk algemeen geaccepteerd raakte, en in 1915 zou zijn algemene relativiteitstheorie volgen. In deze periode kwam ook de kwantumfysica tot stand: met name daarmee was men gedurende het eerste Solvay-congres volop bezig. Zoals Anne Kox opmerkt heeft het congres ‘in de historische literatuur bijna mythische proporties aangenomen’, en is de congresfoto symbool komen te staan voor de vooruitgang van de natuurkunde uit die periode. Afgaand op de concrete resultaten van het congres is dat zonder meer terecht, voegt Kox er direct aan toe.

Het gevolg van dergelijke symboliek is dat de nadruk komt te liggen op de doorbraken en de grote namen, terwijl grote verschuivingen in de wetenschap vaak het resultaat zijn van een meer geleidelijke ontwikkeling. Mede daarom is het waardevol het werk van Lorentz te beschouwen. Zijn belangrijkste bijdragen leverde hij weliswaar vlak voor het tijdperk vol grote veranderingen, maar hij was ook nog volop actief in de periode die nu als de wetenschappelijke revolutie bekendstaat. Hoewel hij dus in hedendaagse termen hoofdzakelijk een ‘klassieke fysicus’ is, speelde hij zowel door zijn wetenschappelijk werk als door zijn persoonlijkheid een belangrijke rol in de natuurkunde van de vroege twintigste eeuw.

De geleidelijke overgang naar een nieuwe natuurkunde

De natuurkundige loopbaan van Lorentz omspant grofweg de periode van 1873, toen hij als twintigjarige doctoraalstudent in Arnhem thuis bij zijn ouders aan zijn proefschrift begon, tot 1927, toen hij vlak voor zijn overlijden zijn laatste voordrachten hield. In de eerste helft van zijn carrière leverde Lorentz zeer invloedrijke bijdragen aan onderzoek naar de structuur van materie. Vertrekpunt was het elektromagnetisme, de overkoepelende theorie van elektrische en magnetische verschijnselen. In 1873 was de nieuwste formulering van dit onderzoeksgebied wiskundig vormgegeven door de Schot James Clerk Maxwell. Maxwell voorspelde het bestaan van elektromagnetische golven. Deze golven, waaronder ook zichtbaar licht, zijn verantwoordelijk voor de elektrische en magnetische krachten die we waarnemen tussen geladen deeltjes. Lorentz’ dissertatie uit 1875 was het startschot van een decennialang onderzoeksprogramma om de theorie van het elektromagnetisme een systematische basis op microscopisch niveau te geven.

Dat programma was gestoeld op twee uitgangspunten. Ten eerste dat de materie om ons heen bestaat uit atomen, waarvan sommige elektrisch geladen zijn, en ten tweede dat de ‘ether’, het medium waarin elektromagnetische golven zich voortplanten, gescheiden is van deze materie. Vanuit deze veronderstellingen werkte Lorentz als hoogleraar in Leiden gedurende vele jaren de elektromagnetische theorie verder uit. Hierbij ging hij uit van het idee dat moleculen geladen deeltjes bevatten die, als ze in trilling worden gebracht, straling uitzenden. Toen de experimentator Pieter Zeeman in 1896 liet zien dat het spectrum van de straling die stoffen uitzenden verandert onder invloed van een magnetisch veld, gaf Lorentz een theoretische verklaring op basis van zijn trillende geladen deeltjes. In 1902 kregen Zeeman en Lorentz hiervoor de Nobelprijs. Niet lang na Zeemans experimenten doken soortgelijke geladen deeltjes op in het onderzoek van de Engelsman J.J. Thomson en kregen ze de naam ‘elektronen’.

Delen van Lorentz’ benadering zijn sterk verwant aan de speciale relativiteitstheorie van Einstein uit 1905. Dit geldt met name voor de aandacht die Lorentz in zijn onderzoek had voor elektromagnetische verschijnselen in objecten die ten opzichte van elkaar bewegen. Om deze consistent te kunnen beschrijven formuleerde Lorentz – voor het eerst in 1895, en ook in de definitieve versie van zijn elektronentheorie uit 1904 – een zogenaamde ‘transformatie’, waarmee hij natuurkundige verschijnselen in een bewegend systeem kon herleiden tot verschijnselen in een stilstaand systeem. Ook Einsteins speciale relativiteitstheorie kwam voort uit de wens om elektromagnetische verschijnselen in bewegende lichamen consistent te beschrijven. Einsteins theorie bevatte dezelfde transformaties als die van Lorentz (die onder de noemer ‘lorentztransformaties’ nog altijd alomtegenwoordig zijn in de natuurkunde). Wiskundig en qua empirische voorspellingen zijn beide benaderingen equivalent. Door de fundamentele aannames die Einstein doet zijn de conceptuele implicaties van zijn theorie echter totaal anders. Lorentz zou Einsteins visie daarom nooit volledig accepteren.

De tweede grote omwenteling in de natuurkunde van de vroege twintigste eeuw was de ontwikkeling van de kwantumtheorie. Centraal hierin staat de kwantumhypothese: het idee dat energie in straling alleen kan worden uitgewisseld via discrete energiepakketjes (‘kwanta’). Met deze aanname kon een experimenteel correcte stralingswet worden afgeleid voor zogenaamde ‘zwarte lichamen’: objecten die warmtestraling uitzenden als je ze verhit, maar zelf alle straling absorberen. De kwantumhypothese was in 1900 als wiskundig hulpmiddel gepostuleerd door de Duitse natuurkundige Max Planck, en Einstein had in 1905 betoogd dat deze lichtkwanta daadwerkelijk fysische realiteit hadden. Uiteindelijk zou de ‘oude’ natuurkunde in de loop van de jaren twintig en dertig geleidelijk plaatsmaken voor de kwantumnatuurkunde die we in de basis nu nog steeds gebruiken.

Een klassieke fysicus?

Beide biografieën bespreken deze ontwikkelingen in de natuurkunde, en Lorentz’ rol hierin. De biografen nuanceren danig het idee dat een wetenschappelijke revolutie een scherpe conceptuele verschuiving is, weg van de oude natuurkunde die niet langer voldoet. Dit is met name het geval in de biografie van Kox, die trefzeker de grote lijn zoekt. In de biografie van Berends en Van Delft, die veel meer historische details en uitweidingen bevat, is het zo nu en dan een uitdaging om een grote lijn te ontwaren.

Maar hoe blijkt dan dat de wetenschappelijke omwentelingen misschien niet zo drastisch verliepen als de mythe het wil? In het geval van Einsteins baanbrekende speciale relativiteitstheorie zagen we al dat deze in mathematisch opzicht eenzelfde lijn volgde als Lorentz’ elektronentheorie. Einsteins visie won snel terrein, maar voor de betrokkenen was het niet direct een aardverschuiving: in de eerste paar vormende jaren werd ook wel gesproken over de ‘Lorentz-Einsteintheorie’.

Voor de kwantumnatuurkunde wordt eveneens duidelijk dat deze, in de woorden van Kox, voortkwam uit een ‘aaneenschakeling van theoretische en experimentele ontwikkelingen’. Lorentz droeg hier onder andere aan bij door in 1908 via een fundamentele analyse te laten zien dat de oude natuurkunde niet voldeed om de nieuwe experimenteel bevestigde stralingswet te verklaren. En hoewel Lorentz later bleef worstelen met de begripsmatige aspecten van de nieuwe kwantumtheorie, mengde hij zich wel inhoudelijk in de discussie. Tot een jaar voor zijn dood in 1928 bleef hij de ontwikkelingen volgen en er in zijn befaamde Leidse ‘maandagochtendcolleges’ aandacht aan besteden.

Lorentz speelde ook een belangrijke rol bij de introductie van Einsteins algemene relativiteitstheorie in 1915. Niet alleen door er uitvoerig over te publiceren en er inhoudelijke discussies over te voeren met Einstein, al dan niet samen met zijn opvolger in Leiden, Paul Ehrenfest, maar ook door er voor een groter publiek over te schrijven, en in Leiden een academische cursus over algemene relativiteit te geven – vermoedelijk de eerste ter wereld. Vooral de stafleden kwamen luisteren, schrijft Kox: Lorentz’ kristalheldere uiteenzettingen waren een betere introductie op de theorie dan Einsteins soms verwarrende artikelen.

Daarnaast was Lorentz’ vroegere werk op het gebied van elektromagnetisme van cruciale waarde voor de latere vernieuwingen. In een lezing in 1953 ter ere van zijn honderdste geboortedag benadrukte Einstein dat Lorentz’ werk essentieel was geweest in de ontwikkeling van de basisideeën van de theoretische fysica. De nieuwe natuurkundige generatie, zo stelde hij, had zich ‘deze kernideeën zozeer eigen gemaakt (…), dat zij nauwelijks meer in staat zijn de durf achter deze denkbeelden en de daardoor teweeggebrachte vereenvoudiging van het natuurkundig fundament volledig tot zich te laten doordringen’. In een rede bij Lorentz’ overlijden stelde Einstein onomwonden dat het werk van de Nederlander ‘de basis vormt voor de atoomtheorie en voor de speciale en algemene relativiteitstheorie’. Al met al lijkt het dus niet zinvol om Lorentz aan te duiden als een ‘klassieke fysicus’, al was het maar omdat daarmee het beeld ontstaat van een wetenschapper die niet mee kon met zijn tijd en de gedateerde, oude natuurkunde bleef aanhangen.

Een afstandelijke vaderfiguur

We keren weer even terug naar het eerste Solvay-congres in Brussel in 1911. Lorentz, die tot aan het einde van de negentiende eeuw voornamelijk in Nederland had gewerkt, was inmiddels een man van statuur in de internationale wetenschap die met regelmaat sprak op congressen of als gastdocent aan buitenlandse universiteiten. Zijn voorzitterschap van de kleinschalige bijeenkomst vol gerenommeerde fysici maakte grote indruk. Deelnemer Marcel Brillouin beschrijft in een terugblik:

[D]e heer Lorentz volgde alles, onderbrak de spreker indien nodig als diens wat moeilijk te begrijpen exposé sommigen onder ons leek te ontgaan, en reproduceerde de essentie, gefilterd door zijn heldere intellect, in de twee nationale talen van de andere congresgangers.

Zijn voorzitterschap, tactvol en gericht op inhoudelijke samenwerking, is exemplarisch voor de rol die Lorentz bekleedde in de internationale wetenschappelijke gemeenschap, met name toen die na de Eerste Wereldoorlog sterk verdeeld raakte. Tot aan zijn dood zou de ‘verzoener’ Lorentz verwoede inspanningen leveren om Duitse wetenschappers opnieuw te betrekken bij internationale wetenschappelijke samenwerking, in weerwil van uitsluiting door Belgische en Franse collega’s.

Lees ook ‘De harde werkelijkheid’ van Frans W. Saris over Paul Ehrenfest en Tatjana Afanasjeva. De ondergang van de grote natuurkundige wordt al te makkelijk toegeschreven aan het stuklopen van zijn huwelijk. Maar Denken is verrukkelijk laat zien hoe precies die persoonlijke crisis samenviel met een wereldcrisis en een crisis in de natuurkunde.

Als docent lag Lorentz deze verbindende rol minder goed. Hij stond bekend om zijn tot in de puntjes verzorgde voordrachten, maar liet weinig ruimte voor tegenspraak. In de woorden van zijn doctoraalstudent Adriaan Fokker: ‘Vriendelijk, behulpzaam, maar hij wist je niet te raken, hij liet je je gang gaan. Zo maak je geen school.’ Onder Lorentz’ opvolger Paul Ehrenfest veranderde dit drastisch: bij hem was juist alles gericht op interactie, discussie en persoonlijk contact. Lorentz was bemoedigend, maar niet emotioneel, en altijd een beetje afstandelijk. Een vaderfiguur, misschien nog wel het meest voor Ehrenfest zelf.

Heldere intelligentie en serene gelijkmoedigheid

De latere jaren van Lorentz’ leven kenmerken zich door een ratjetoe aan activiteiten en verplichtingen in binnen- en buitenland. Al in 1909 aanvaardde hij een betrekking als curator van het natuurkundig laboratorium van de Teylers Stichting in Haarlem, waar hij geen onderwijslast had en zelf experimenten hoopte te kunnen doen. Het plan was dat hij dit tot 1914 zou combineren met het hoogleraarschap in Leiden, om daarna bijzonder hoogleraar te worden, maar vanwege Lorentz’ drukke bestaan gebeurde dit uiteindelijk al in 1911. De rest van zijn leven zou hij verbonden blijven aan het Teylers. Op zijn activiteiten in Haarlem, en de vraag of die hebben opgeleverd wat ervan verwacht werd, gaan Berends en Van Delft veel uitvoeriger in dan Kox.

Wat buiten kijf staat is dat Lorentz niet altijd in staat was om zich in te zetten voor het Teylers. In de nasleep van het eerste Solvay-congres werd hij in 1912 voorzitter van het nieuw opgerichte Institut International de Physique Solvay, dat zich door het verstrekken van beurzen en het organiseren van verdere Solvay-congressen ten doel stelde om de kennis van natuurverschijnselen te vergroten en verdiepen. Tot aan zijn dood bleef Lorentz voorzitter van de daaropvolgende vier Solvay-congressen. In 1923 werd hij bovendien lid van de niet lang daarvoor opgerichte Internationale Commissie voor Intellectuele Samenwerking van de Volkenbond, een voorloper van UNESCO. Ook dat bleek een tijdrovende positie, zeker toen hij in 1926 voorzitter werd.

Binnen onze landsgrenzen leverde Lorentz een zeer tot de verbeelding sprekende maatschappelijke bijdrage door zich vanaf 1918 maar liefst acht jaar lang in te spannen voor de Staatscommissie Zuiderzee. Deze commissie had als opdracht om wetenschappelijk te onderzoeken wat het gevolg was van de afsluiting van de Zuiderzee voor de waterstanden in de Waddenzee. Met name bij stormvloed was de vraag of dit tot overstromingsgevaar zou leiden. De oplossing van dit vraagstuk was geen sinecure en Lorentz pakte het zoals altijd grondig aan – het noopte hem onder andere tot de samenvoeging van twee gescheiden benaderingen in de stromingsleer. Zoals Kox opmerkt is dit een blijvende innovatie gebleken in dit onderzoeksgebied, die ook van belang was bij de constructie van de Deltawerken jaren later.

Tussen 1918 en 1926 heeft Lorentz vermoedelijk netto een jaar van zijn leven besteed aan werk voor de Staatscommissie. Daarmee werd volgens Einstein de fysica een slechte dienst bewezen, want voor zijn vakgenoten bleef Lorentz eerst en vooral natuurkundige. Na zijn dood in 1928 werd Lorentz in binnen- en buitenland herdacht: fysici als Planck, Sommerfeld, Schrödinger en Eddington stuurden condoleances, en aan het graf in Haarlem spraken naast Einstein onder meer Paul Ehrenfest, de Nieuw-Zeelands-Britse natuurkundige Paul Rutherford en de Fransman Paul Langevin. Lorentz wordt meermaals getypeerd als ‘vader’ van de natuurkundige gemeenschap. Op de begrafenis werd zijn rol in de overgang van de klassieke naar de moderne natuurkunde wellicht het best weergegeven door Gilbert Murray, zijn opvolger bij de Volkenbond-commissie:

Gedurende dat proces, van het eerste tot het laatste stadium, ontwikkelend, in zich opnemend, combinerend, coördinerend, zelf een bron van nieuwe suggesties en een voortdurende aanmoediging voor de ideeën van anderen, presideerde de heldere intelligentie en de serene gelijkmoedigheid van Hendrik Antoon Lorentz.