После получения Лоренцом степени доктора наук Утрехтский университет предложил молодому ученому место профессора математики, однако он отказался, предпочтя должность учителя в гимназии. Выбор Лоренца объяснялся тем, что он надеялся на профессорское место в Лейденском университете.
Долго ждать ему не пришлось, и уже 25 января 1878 года двадцатипятилетний Хендрик Антон Лоренц, став профессором первой в истории всех университетов кафедры теоретической физики, специально учрежденной для него, произнес свою вступительную речь «Молекулярные теории в физике». До самого выхода на пенсию в 1913 году Лоренц, несмотря на многочисленные предложения из-за границы, так и остался верным рыцарем своей aima mater.
В 1878 году Хендрик Антон Лоренц опубликовал знаменитую статью «О соотношении между скоростью распространения света и плотностью и составом среды», в которой вывел соотношение между плотностью прозрачного вещества и показателем его преломления. Такую же формулу одновременно предложил датский физик Людвиг Лоренц, поэтому она получила название формулы Лоренца-Лоренца.
Работа Хендрика Антона основывалась на предположении, что материальный объект содержит колеблющиеся электрически заряженные частицы, взаимодействующие со световыми волнами. Она стала еще одним доводом в пользу того, что вещество состоит из атомов и молекул.
В начале 1880-х годов голландский физик заинтересовался кинетической теорией газов, описывающей движение молекул и соотношения между их температурой и средней кинетической энергией.
В последующие годы, будучи уже знаменитым ученым, Лоренц возвратился к своим студенческим исследованиям. Уже в 1892 году он сформулировал знаменитую теорию электронов. По Лоренцу, электричество возникает при движении очень маленьких отрицательно и положительно заряженных частиц, которые имеют определенную массу и подчиняются классическим законам. Только более поздние открытия установили, что все электроны отрицательно заряжены и подчиняются законам квантовой физики.
Кроме того, ученый сделал вывод, что колебания крохотных заряженных частиц (электронов), которые менее инертны, чем другие заряженные частицы вещества, порождают электромагнитные волны, в том числе световые и радиоволны, открытые еще в 1888 году гениальным физиком Генрихом Герцем.
Теория Лоренца объясняла различные электрические, магнитные и оптические свойства вещества, а также некоторые электромагнитные явления, в том числе эффект Зеемана.
В этом же 1892 году ученый опубликовал фундаментальный труд «Электромагнитная теория Максвелла и ее приложение к движущимся телам». В этой работе он выделил основные постулаты электронной теории и вывел выражение силы, с которой электрическое поле действует на движущийся заряд (сила Лоренца).
В это время голландский физик много и плодотворно работал. Из-под его пера вышли замечательные работы по различным проблемам физики того времени.
Продолжая заниматься теорией электронов, Лоренц значительно упростил электромагнитную теорию Максвелла.
В 1892 году он опубликовал знаменитую статью о расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Световой луч от раскаленного газа при прохождении через щель разделяется спектроскопом на составляющие частоты. В результате возникает линейчатый спектр – последовательность цветовых линий на черном фоне, позиция каждой из которых соответствует определенной частоте. Каждый газ имеет свой спектр.
Хендрик Антон Лоренц предположил, что частоты в испускаемом газом световом луче определяются частотами колеблющихся электронов. Кроме того, ученый выдвинул идею, что магнитное поле влияет на движение электронов, в результате чего изменяются частоты колебаний и спектр расщепляется на несколько линий.
В 1896 году студент Лоренца (а позже и его сотрудник) Питер Зееман провел опыт, который подтвердил эффект, прогнозируемый Лоренцом. Он поместил натриевое пламя между полюсами электромагнита, в результате чего две наиболее яркие линии в спектре натрия расширились. В своих дальнейших экспериментах Зееман использовал различные вещества и убедился в правильности предположения Лоренца о том, что расширенные спектральные линии в действительности представляют собой группы отдельных близких компонент.
Явление расщепления спектральных линий в магнитном поле было названо эффектом Зеемана. Питер Зееман экспериментально подтвердил также предположение Лоренца о поляризации испускаемого света. В следующем году Хендрик Антон Лоренц разработал теорию эффекта Зеемана, основанную на явлениях колебаний электронов. Полностью эффект Зеемана удалось объяснить позже, с помощью квантовой теории.
Как и его гениальные предшественники Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл, Лоренц полагал, что все пространство заполнено эфиром – особой средой, в которой распространяются электромагнитные волны. Хотя определить свойства эфира физикам не удалось, они не смогли доказать ни его отсутствие, ни его наличие.
Но в 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели знаменитый эксперимент, в котором с помощью высокоточного интерферометра попытались определить скорость движения Земли относительно эфира. В этом опыте световые лучи должны были пройти определенное расстояние по направлению движения Земли, а затем такое же расстояние – в противоположном направлении. Теоретически должны были получиться разные результаты измерений при движении луча в одном и другом направлениях. Однако опыты не выявили какой-либо разницы в скорости света, а значит, эфир никак не влиял на движение или же его не существует.
В 1892 году ирландский физик Джордж Фицджеральд показал, что отрицательные результаты опыта по существованию эфира можно объяснить в случае, если размеры тел, которые движутся со скоростью v, сокращаются в направлении их движения в
Впоследствии проблемы, рассматриваемые знаменитыми физиками, привели к анализу и пересмотру многих классических представлений о времени и пространстве и в итоге – к разработке теории относительности и квантовой теории.
В 1895 году в Лейдене вышла из печати новая фундаментальная работа Лоренца «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах». Она стала настольной книгой по электродинамике всех ученых-физиков тех лет. Эйнштейн, Хевисайд, Пуанкаре расхваливали и изучали ее от первого и до последнего абзаца. В этой работе Лоренц привел полное систематическое изложение своей теории электронов. Кроме того, Хендрик предположил, что эфир не принимает участия в движении электронов, а значит, он неподвижен. Лоренц заметил, что речь идет не об абсолютном покое эфира, а о том, что любые реальные движения небесных тел являются движениями относительно эфира.
Нидерландский ученый ввел понятие локального времени, подразумевая, что время для движущихся тел протекает иначе, чем для покоящихся. На базе своих представлений об электронах Лоренц описал различные явления – от явлений дисперсии до явлений проводимости. Кроме того, он рассматривал электромагнитные явления в движущихся средах.
В 1899 году Лоренц напечатал статью «Упрощенная теория электрических и оптических явлений в движущихся телах», значительно упростив свою работу 1895 года.
В 1897 году директор Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсон открыл электрон – свободно движущуюся частицу, ее свойства оказались аналогичными тем, что Лоренц теоретически предполагал в электронах, колеблющихся в атомах.
В конце XIX – начале XX века Лоренц стал одним из ведущих физиков-теоретиков в мире. Многие ученые обращались к нему, когда сталкивались с непредвиденными трудностями. Нидерландский ученый был прекрасно осведомлен о состоянии дел в различных областях физики. Его работы касались таких областей физики, как теория электричества и магнетизма, оптика, кинетика, термодинамика, механика и др.