Совершить задуманное ему не удалось. Прошло пятнадцать лет, прежде чем это сделал Герц.

Лоренц работал над докторской диссертацией около четырех лет. Университетская библиотека охотно позволила ему увезти с собой в Арнем журналы со статьями Максвелла.

Лоренцу было двадцать лет, когда вышел Максвелловский «Трактат об электричестве и магнетизме». Позже Лоренц писал: «Его «Трактат об электричестве и магнетизме» произвел на меня, пожалуй, одно из самых сильных впечатлений в жизни. Толкование света как электромагнитного явления превзошло все, что я до тех пор знал. Но книга Максвелла была не из легких! Написанная в годы, когда идеи ученого еще не получили окончательной формулировки, она не представляла законченного целого и не давала ответа на многие вопросы».

Академик А. Ф. Иоффе вспоминал, что Лоренц рассказывал ему о том, что, ознакомившись с уравнениями Максвелла, не мог понять их физического смысла. «Но понемногу, — писал Иоффе, — электромагнитное поле стало облекаться для Лоренца в живые образы, стало для него физической реальностью, не нуждающейся в эластичных трубках Фарадея и максвелловских пружинках. Тогда его внимание обратилось к источникам электрического поля — к зарядам».

Лоренц защитил докторскую диссертацию 11 декабря 1875 года с высшим отличием. Диссертация была очень актуальной. Название — «К теории отражения и преломления». Его содержание поразило лейденских профессоров. В ней было показано, что теория упругого эфира противоречит ряду опытов, в частности она не может объяснить, почему в некоторых явлениях не возникают продольные волны эфира. Он доказал, что эти трудности исчезают, если стать на точку зрения Максвелла и считать, что эфир обладает только электромагнитными свойствами.

Планк, много позже, оценил диссертацию Лоренца как существенный вклад в замену упругого эфира электромагнитным эфиром.

После защиты диссертации Лоренц возвратился в Арнем и продолжал работать учителем вечерней школы. Это давало ему средства к жизни и возможность отдавать дневное время занятиям наукой.

Через некоторое время Лоренца пригласили занять кафедру теоретической физики Лейденского университета. 25 января 1878 года он произнес традиционную вступительную речь на тему «Молекулярные теории в физике». По традиции это была научно-популярная лекция. В ней в доступной для широкой публики форме были изложены идеи Максвелла, Больцмана, Ван-дер-Ваальса и других выдающихся ученых того времени.

В 1881 году Лоренц женился на Алетте Кейзер, ставшей идеальной подругой работяги-ученого.

В это время Лоренц уже заложил основу своей замечательной электронной теории, ставшей значительным продвижением вперед по сравнению с теорией Максвелла, на которую она опиралась.

Теория Максвелла была феноменологической теорией. Это значит, что в нее, как и в механику Ньютона, входили некоторые постоянные величины. Значения этих величин должны быть определены из опыта.

Лоренц стремился создать (и создал) теорию, позволяющую вычислить значения этих постоянных «из первых принципов», то есть из опытных фактов и нескольких фундаментальных величин, играющих основную роль во многих не связанных между собой областях науки.

Впервые он достиг этой цели в 1880 году, получив соотношение между преломляющей способностью вещества и его плотностью. Этот результат явился первым плодом его пятилетних раздумий о том, каким образом возникают электрические и магнитные поля, входящие в теорию Максвелла. Лоренц пришел к заключению о том, что эти поля порождаются веществом. Но как?

Великим шагом Лоренца было предположение о том, что все вещества, точнее — молекулы всех веществ — состоят из частиц, обладающих электрическими зарядами. Эти заряды равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому каждая молекула электрически нейтральна. В проводниках электричества одни заряды могут двигаться относительно других. Так возникает электрический ток. В некоторых случаях в телах может нарушаться компенсация положительного и отрицательного заряда. Они смещаются в пространстве и между зарядами возникает электрическое поле. Заряды, движущиеся с постоянной скоростью, эквиваленты электрическому току и образуют в окружающем пространстве магнитное поле.

При ускорении или замедлении электрических зарядов возникают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Электромагнитное поле, постоянное или меняющееся со временем, и электромагнитные волны влияют на поведение частиц, воздействуя на присущие им электрические заряды.

На этой основе была получена формула, выражающая связь между преломляющей способностью вещества и его плотностью. Она известна под названием формулы Лоренц-Лоренца. Ее название связано с тем, что эту формулу несколько раньше, но совершенно из других соображений получил датский физик с идентичной фамилией Л. В. Лоренц.

В связи с тем, что по-голландски фамилия Лоренц пишется с глухим «т» (Lorentz), эту формулу писали по-русски так: формула Лоренц-Лорентца. Но со временем фонетические соображения возобладали, и теперь пишут — формула Лоренц-Лоренца.

Г. А. Лоренц говорил об этом совпадении: «Открытие одной и той же формулы в одно и то же время двумя учеными, носящими почти одну и ту же фамилию, является очень интересным случаем с точки зрения теории вероятности».

В 1881 году Г. А. Лоренц был избран членом Королевской академии наук в Амстердаме. Высокая честь для начинающего ученого. Члены академии правильно оценили возможности молодого физика.

Лоренц разрабатывал электронную теорию тридцать лет, шлифуя ее идейные основы и извлекая из нее следствия, поддающиеся проверке опытом.

Мы уже знаем, что первый толчок к самостоятельной научной работе Лоренц получил, читая новаторские статьи Максвелла. Он осознал значение идей Максвелла, сравнивая их с трудами Френеля и Фарадея. Лоренц предпочел упругому эфиру Френеля эфир Фарадея-Максвелла, лишенный механических свойств, являющийся переносчиком электрических и магнитных взаимодействий и электромагнитных волн.

Фарадей и Максвелл не ставили вопросов о структуре вещества. Вещество в теории Максвелла обладает лишь двумя характеристиками — диэлектрической и магнитной индукциями. Они связаны соответственно с электрической и магнитной проницаемостями, величинами, определяемыми из опыта.

Лоренц с самого начала представил себе вещество, состоящим из частиц, погруженных в неподвижный эфир. Эфир является сплошным, поэтому он проникает внутрь частиц. При этом частицы, двигаясь, не увлекают за собой эфира. Эфир неподвижен.

Таким образом Лоренц объединил представление о неподвижном эфире и движущихся частицах с электромагнитными полями Фарадея и электромагнитными волнами Максвелла.

Каждая частица несет свой заряд и неразрывно связана с ним. (В то время не были известны нейтральные — не имеющие заряда — частицы. Их открыли много позже.) При перемещении частицы — считал Лоренц, — с нею движется ее заряд. Электрическое и магнитное поля действуют на заряды. Это действие проявляется возникновением сил, приводящих в движение заряды, а они увлекают за собой частицы.

Лоренц вывел простую формулу, позволяющую вычислять эти силы. Они играют главную роль в работе электрических моторов и телевизионных трубок, новейших генераторов электрического тока и в движении космических частиц. Их используют в ускорителях частиц и в лазерах на свободных электронах.

Когда говорят «сила Лоренца», имеют в виду силы, порождаемые действием электромагнитных полей на движущиеся заряды, силы, определяющие движение свободных частиц или тел, содержащих движущиеся заряды.

Вплоть до 1895 года Лоренц считал эфир абсолютно неподвижным, как бы сопоставляя его с абсолютным пространством Ньютона. Но в 1895 году в книге «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах» он считал необходимым уточнить свою точку зрения. Он пишет: «Само собой разумеется, что не может быть и речи об абсолютно покоящемся эфире: такое утверждение совершенно бессмысленно. Когда я говорю для краткости о покоящемся эфире, я имею в виду лишь то, что одна его часть не смещается относительно другой и что все возможные движения весомых тел совершаются относительно эфира».