HENDRIK LORENTZ
& PIETER ZEEMAN

Durante o século XIX, Hendrik Lorentz (1853-1928) esclareceu importantes relações entre eletricidade, magnetismo e luz. Em 1892, apresentou sua teoria do elétron, que postulava a existência de partículas eletricamente carregadas na matéria — os elétrons — responsáveis pela condução da corrente elétrica e cujas oscilações dariam origem à luz.

Lorentz foi mentor de Pieter Zeeman (1865-1943), que, em 1896, investigou como a luz emitida por uma substância era afetada pela presença de um campo magnético. Como cada elemento químico possui um espectro característico de linhas com comprimentos de onda bem definidos, ele observou que, sob a influência de um campo magnético, essas linhas se dividiam em várias outras.

Esse fenômeno, posteriormente denominado efeito Zeeman, foi explicado pela teoria do elétron proposta por Lorentz, fornecendo uma importante confirmação experimental de seu modelo.

Pela relevância de suas contribuições para a compreensão da interação entre a matéria, a eletricidade, o magnetismo e a luz, os dois físicos neerlandeses foram laureados com o Prêmio Nobel de Física de 1902.

Hendrik Antoon Lorentz nasceu em Arnhem, na Holanda, em 18 de julho de 1853. Era filho de Gerrit Frederik Lorentz, proprietário de uma creche, e de Geertruida van Ginkel. Quando tinha quatro anos, perdeu a mãe e, em 1862, seu pai casou-se com Luberta Hupkes.

Na época, o ensino fundamental não se limitava aos períodos da manhã e da tarde. Havia também aulas noturnas, organizadas de forma mais flexível, em certo sentido semelhantes ao que mais tarde seria conhecido como método Dalton.

Quando a primeira escola secundária (H.B.S.) foi inaugurada em Arnhem, em 1866, o talentoso Hendrik Lorentz estava apto a ingressar diretamente no terceiro ano. Após o 5º ano e um ano de estudo de clássicos, ingressou na Universidade de Leiden em 1870, onde obteve o título de Bacharel em Ciências.

Formou-se em matemática e física em 1871 e retornou a Arnhem em 1872 para lecionar em um curso noturno, preparando simultaneamente sua tese de doutorado sobre a reflexão e refração da luz.

Em 1875, com apenas 22 anos, obteve o título de doutor e, somente três anos depois, foi nomeado para a recém-criada Cátedra de Física Teórica da Universidade de Leiden. Apesar de inúmeros convites para cátedras no exterior, sempre permaneceu fiel à sua Alma Mater.

A partir de 1912, quando assumiu uma dupla função em Haarlem como curador do Gabinete de Física de Teyler e secretário da Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen (Sociedade Holandesa de Ciências), continuou em Leiden como professor extraordinário, ministrando suas famosas aulas de segunda-feira pela manhã até o fim da vida.

Os visionários diretores da Fundação Teyler permitiram, assim, que Lorentz se libertasse das obrigações acadêmicas rotineiras e pudesse dedicar ainda mais tempo às questões mais profundas da física teórica.

Recebeu, ao longo da carreira, uma impressionante quantidade de honrarias e distinções internacionais. Presidia congressos científicos com extraordinária habilidade, graças à sua personalidade conciliadora e ao domínio de diversos idiomas.

Até sua morte, foi presidente de todos os congressos Solvay e, em 1923, foi eleito membro do Comitê Internacional de Cooperação Intelectual da Liga das Nações. Desse comitê, composto por apenas sete dos mais eminentes intelectuais do mundo, tornou-se presidente em 1925.

Graças ao prestígio que desfrutava nos círculos governamentais neerlandeses, Lorentz conseguiu convencê-los da importância da ciência para o desenvolvimento nacional. Desse esforço surgiram os primeiros passos que levariam à criação da organização hoje conhecida pela sigla TNO (sigla em holandês para Pesquisa Científica Aplicada).

Lorentz era conhecido por seu extraordinário carisma. Generoso e genuinamente interessado pelas pessoas, conquistava tanto os grandes líderes científicos de sua época quanto aqueles que apenas tinham a oportunidade de conhecê-lo.

Em 1881, casou-se com Aletta Catharina Kaiser, cujo pai, J.W. Kaiser, professor da Academia de Belas Artes, era o diretor do museu que mais tarde se tornou o renomado Rijksmuseum (Galeria Nacional) de Amsterdã, e o designer dos primeiros selos postais da Holanda.

Desse casamento nasceram duas filhas e um filho. A filha mais velha, Dra. Geertruida Luberta Lorentz, tornou-se física e casou-se com o Professor W.J. de Haas, diretor do Laboratório Criogênico (Laboratório Kamerlingh Onnes) da Universidade de Leiden.

Lorentz faleceu em Haarlem, em 4 de fevereiro de 1928, aos 74 anos.

Desde o início de seu trabalho científico, Lorentz assumiu como tarefa estender a teoria da eletricidade e da luz de James Clerk Maxwell. Já em sua tese de doutoramento, analisou os fenômenos de reflexão e refração da luz a partir deste ponto de vista, então bastante novo. Seu trabalho fundamental nas áreas de óptica e eletricidade revolucionou as concepções contemporâneas da natureza da matéria.

Em 1878, publicou um ensaio sobre a relação entre a velocidade da luz em um meio e a densidade e composição deste. A fórmula resultante, proposta quase simultaneamente pelo físico dinamarquês Lorenz, ficou conhecida como fórmula de Lorenz-Lorentz.

Ele também deu contribuições fundamentais para o estudo dos fenômenos dos corpos em movimento. Em um extenso tratado sobre a aberração da luz e os problemas decorrentes dela, ele seguiu a hipótese de A.J. Fresnel sobre a existência de um éter imóvel, que penetra todos os corpos. Essa hipótese tornou-se a base de sua teoria dos fenômenos elétricos e ópticos em corpos em movimento.

De Lorentz deriva a concepção do elétron; sua visão de que essa minúscula partícula eletricamente carregada desempenha um papel durante os fenômenos eletromagnéticos na matéria ponderável possibilitou a aplicação da teoria molecular à teoria da eletricidade e a explicação do comportamento das ondas de luz que atravessam corpos transparentes em movimento.

As chamadas transformações de Lorentz (1904) baseavam-se no fato de que as forças eletromagnéticas entre cargas sofrem pequenas alterações devido ao movimento, resultando em uma ligeira contração dos corpos na direção do movimento. Elas explicavam o resultado nulo do experimento de Michelson e Morley, preservando a hipótese da existência do éter luminífero.

Embora originalmente formuladas no contexto da hipótese do éter, as transformações de Lorentz tornaram-se um dos pilares matemáticos da teoria da relatividade restrita, apresentada por Albert Einstein em 1905.

O conjunto de suas pesquisas estabeleceu as bases da física moderna. Seus estudos sobre eletromagnetismo, estrutura da matéria e corpos em movimento influenciaram profundamente o desenvolvimento da relatividade e da mecânica quântica, consolidando Hendrik Lorentz como um dos maiores físicos teóricos da virada do século XX.

Em 1919, foi nomeado presidente do comitê encarregado de estudar os movimentos da água do mar que poderiam ocorrer durante e após a drenagem do Zuiderzee, na Holanda, uma das maiores obras de todos os tempos na engenharia hidráulica. Seus cálculos teóricos, resultado de oito anos de trabalho pioneiro, foram confirmados na prática de maneira impressionante e, desde então, têm sido de valor permanente para a ciência da hidráulica.

Pieter Zeeman nasceu em 25 de maio de 1865 em Zonnemaire, um pequeno vilarejo na ilha de Schouwen, na província da Zelândia, nos Países Baixos (Holanda). Ele era filho do clérigo local Catharinus Forandinus Zeeman e de sua esposa, nascida Wilhelmina Worst.

Após concluir o ensino secundário em Zierikzee, principal cidade da ilha, foi para Delft, onde permaneceu dois anos estudando línguas clássicas, requisito exigido na época para o ingresso na universidade.

Ao instalar-se na casa do Dr. J.W. Lely, diretor da escola de gramática, Zeeman entrou em um ambiente que foi benéfico para o desenvolvimento de seus talentos científicos.

Foi também ali que ele entrou em contato com Kamerlingh Onnes, que era doze anos mais velho que ele e a quem impressionou consideravelmente por seu vasto conhecimento literário, que incluía o domínio de obras como "O Calor de Maxwell", e sua paixão por realizar experimentos. Essa convivência lançou as bases para uma frutífera amizade entre os dois cientistas.

Zeeman ingressou na Universidade de Leiden em 1885 e tornou-se aluno de Kamerlingh Onnes, em mecânica, e de Hendrik Lorentz, em física teórica. Este último viria a compartilhar o Prêmio Nobel com ele.

Uma de suas primeiras conquistas ocorreu em 1890, quando foi nomeado assistente de Hendrik Lorentz. A função lhe permitiu participar de um amplo programa de pesquisas que incluía o estudo do efeito Kerr, fenômeno no qual a luz refletida por um material magnetizado sofre uma pequena alteração em sua polarização.

Esses estudos despertaram seu interesse pela interação entre a luz e os campos magnéticos e serviram de base para as pesquisas que culminariam, alguns anos depois, na descoberta do efeito Zeeman.

Obteve o doutorado em 1893, após o qual partiu para o instituto de F. Kohlrausch em Estrasburgo, onde, durante um semestre, trabalhou com o físico alemão Emil Cohn. Retornou a Leiden em 1894 e tornou-se privaat-docent (professor particular) de 1895 a 1897.

Em 1897, um ano após sua grande descoberta do desdobramento magnético das linhas espectrais, foi convidado a lecionar na Universidade de Amsterdã; em 1900, foi nomeado Professor Extraordinário.

Em 1908, Van der Waals atingiu a idade de aposentadoria de 70 anos e Zeeman foi escolhido como seu sucessor, atuando simultaneamente como Diretor do Laboratório de Física.

Em 1923, um novo laboratório foi colocado à sua disposição, com destaque para um bloco de concreto pesando um quarto de milhão de quilos, erguido suspenso do chão, como uma plataforma adequada para experimentos livres de vibração.

O instituto é hoje conhecido como Laboratório Zeeman da Universidade de Amsterdã. Muitos cientistas mundialmente famosos visitaram Zeeman lá ou trabalharam com ele por algum tempo.

Ele permaneceu nessa dupla função por 35 anos - recusando em diversas ocasiões convites para ocupar uma cátedra no exterior – até que, em 1935, teve que se aposentar devido à idade.

Professor talentoso e de temperamento afável, era muito estimado por seus alunos. Entre eles estava C. J. Bakker, que se tornou Diretor-Geral do CERN entre 1955 e sua morte prematura, em um acidente aéreo, em 1960. Outro destaque entre seus colaboradores foram Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck, que em 1925 formularam o conceito de spin do elétron.

Zeeman foi doutor honoris causa pelas universidades de Göttingen, Oxford, Filadélfia, Estrasburgo, Liège, Ghent, Glasgow, Bruxelas e Paris. Foi também membro ou membro honorário de diversas academias científicas, incluindo a raríssima distinção de Associado Estrangeiro da Academia de Ciências de Paris.

Foi, ainda, membro e presidente da Comissão Internacional de Pesos e Medidas, em Paris. Nomeado membro da Real Academia de Ciências de Amsterdã em 1898, atuou como Secretário da Seção de Matemática e Física de 1912 a 1920.

Entre outras distinções, destacam-se a Medalha Rumford da Royal Society de Londres, o Prêmio Wilde da Academia de Ciências de Paris, o Prêmio Baumgartner da Academia de Ciências de Viena, a Medalha Matteucci da Sociedade Italiana de Ciências, a Medalha Franklin do Instituto Franklin da Filadélfia e a Medalha Henry Draper da Academia Nacional de Ciências de Washington. Ele também foi nomeado Cavaleiro da Ordem de Orange-Nassau e Comendador da Ordem do Leão dos Países Baixos.

Fora de sua área de estudo, ele demonstrava grande interesse por literatura e teatro. Anfitrião afável, adorava convidar seus colaboradores e alunos para jantar em sua casa, evento precedido por uma palestra erudita em seu escritório e seguido por uma reunião familiar.

Pieter Zeeman casou-se com Johanna Elisabeth Lebret em 1895; tiveram um filho e três filhas. Durante o último ano de sua carreira acadêmica, teve problemas de saúde e faleceu em 9 de outubro de 1943, após um breve período de enfermidade.

O talento de Zeeman para as ciências naturais tornou-se evidente pela primeira vez em 1883, quando, enquanto ainda frequentava a escola secundária, fez uma descrição detalhada e um desenho de uma aurora boreal - então claramente observada no seu país - que foi publicada na Nature. O editor elogiou as observações meticulosas do “Professor Zeeman no seu observatório em Zonnemaire”.

O foco principal das investigações de Zeeman sempre foram os fenômenos ópticos. Seu primeiro tratado, Mesures relatives du phénomène de Kerr (“Medidas relativas ao fenômeno de Kerr”), escrito em 1892, foi premiado com a Medalha de Ouro da Sociedade Holandesa de Ciências, em Haarlem. Sua tese de doutorado aborda o mesmo assunto.

Em Estrasburgo, estudou a propagação e a absorção de ondas elétricas em fluidos. Seu trabalho principal, no entanto, foi o estudo da influência do magnetismo na natureza da radiação luminosa, iniciado no verão de 1896, que constituiu uma continuação lógica de sua investigação sobre o efeito Kerr.

A descoberta do chamado efeito Zeeman, pela qual ele recebeu o Prêmio Nobel, foi comunicada à Real Academia de Ciências de Amsterdã - por meio de H. Kamerlingh Onnes (1896) e J.D. van der Waals (1897) - na forma de artigos intitulados Over den Invloed eener Magnetisatie op den Aard van het door een Stof uitgezonden Licht (“Sobre a influência da magnetização na natureza da luz emitida por uma substância”) e Over Doubletten en Tripletten in the Spectrum teweegbring door Uitwendige Magnetische Krachten (“Sobre dupletos e tripletos no espectro causados por forças magnéticas externas”) I, II e III.

As traduções para o inglês desses artigos foram publicadas na The Philosophical Magazine; do primeiro artigo, uma versão em francês apareceu nos Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles, e em versão resumida em alemão nas Negotiations of the Physical Society de Berlim.

A importância da descoberta fica evidente pelo fato de que, de uma só vez, o fenômeno não apenas confirmou as conclusões teóricas de Lorentz a respeito do estado de polarização da luz emitida pelas chamas, mas também demonstrou a natureza negativa das partículas oscilantes, bem como a inesperada alta relação entre sua carga e massa (e/m).

Assim, quando, no ano seguinte, J.J. Thomson descobriu a existência de elétrons livres na forma de raios catódicos, a identidade entre elétrons e partículas de luz oscilantes pôde ser estabelecida a partir da natureza negativa e da relação e/m das partículas.

O crescente número de observações feitas por outros pesquisadores sobre os efeitos do uso de diversas substâncias como emissores de luz - nem todas explicáveis pela teoria original de Lorentz (o chamado efeito Zeeman anômalo só pôde ser adequadamente explicado posteriormente, com o advento da teoria atômica de Neils Bohr, da mecânica quântica ondulatória e do conceito de spin do elétron) - foi compilado por ele em seu livro Researches in Magneto-Optics (Londres, 1913, tradução alemã em 1914).

O efeito Zeeman não apenas lançou muita luz sobre o mecanismo da radiação luminosa e sobre a natureza da matéria e da eletricidade, mas sua imensa importância reside no fato de que, ainda hoje, oferece o meio definitivo para revelar a estrutura interna do átomo e a natureza e o comportamento de seus componentes. Ele ainda serve como teste final em qualquer nova teoria do átomo.

Já em sua segunda comunicação, Zeeman expressou a opinião de que a existência aceita de fortes campos magnéticos na superfície do Sol poderia ser verificada, uma vez que estes deveriam alterar as linhas espectrais derivadas do corpo celeste. É típico de Zeeman estender conceitos físicos ao domínio dos fenômenos celestes.

Em uma carta enviada a ele (1908), o astrônomo G.E. Hale, diretor do Observatório Mount Wilson, corroborou essa opinião por meio de fotografias que indicavam que, nos vórtices solares, as linhas espectrais de fato pareciam ser afetadas por campos magnéticos. Até mesmo a previsão teórica referente à provável inter-relação entre as direções de polarização e as dos campos magnéticos foi posteriormente confirmada por Hale.

No que diz respeito às atividades de Zeeman fora do campo do desdobramento magnético de linhas espectrais, deve-se mencionar primeiramente seu trabalho sobre o efeito Doppler em óptica e em raios canais (testes de laboratório). Um segundo campo de estudo foi o da propagação da luz em meios em movimento (justificativa da existência do termo de Lorentz no coeficiente de arrasto de Fresnel).

Outras investigações incluíram a influência do momento magnético do núcleo na estrutura hiperfina das linhas espectrais. Ele também obteve sucesso, com J. de Gier, na descoberta de diversos novos isótopos (38Ar, 64Ni, entre outros) por meio do espectrógrafo de massa parabólico de Thomson.

A predileção de Zeeman por testar leis fundamentais também se refletiu em seus experimentos de alta precisão. Entre eles, destacou-se a verificação da equivalência entre as massas gravitacional e inercial, realizada com um grau de precisão extraordinário para a época.

Ao longo de sua carreira, Zeeman consolidou-se como um dos principais físicos experimentais de sua geração. Seus estudos sobre a interação entre luz e campos magnéticos abriram novos caminhos para a física atômica, a espectroscopia e a astrofísica, deixando um legado científico que permanece relevante até os dias atuais.