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».
Если требуется пояснение к первой из этих двух фраз, то достаточно сослаться на принцип относительности Галилея: невозможно отличить абсолютный покой от равномерного прямолинейного движения.
Гораздо глубже вторая фраза. В ней утверждается, что электрические и магнитные поля, а также электромагнитные волны выступают по отношению к эфиру как самостоятельные сущности. Лоренц порывает со взглядами Фарадея и Максвелла на эти поля и волны, как на натяжения эфира. Ведь не может быть натяжений в эфире, «одна часть которого не смещается относительно другой». Эфиру отводится лишь роль системы координат, ибо «все возможные движения весомых тел совершаются относительно эфира».
Уместно привести мнение Эйнштейна о теории Лоренца. В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Эйнштейн писал: «Он (Лоренц) привел теорию в согласие с опытом, начав с удивительного упрощения основных положений. Он достиг этого важнейшего со времени Максвелла успеха тем, что лишил эфир его механических, а материю — ее электрических свойств. Как в пустоте, так и внутри материальных тел носителем электромагнитных полей является только эфир, но не материя, которую мы представляем раздробленной на атомы. По теории Лоренца, движутся одни только элементарные частицы материи; их электромагнитное действие обусловлено лишь тем, что они несут электрические заряды. Таким образом, Лоренцу удалось описать все электромагнитные явления на основе уравнений поля, установленных Максвеллом для пустоты.
Что касается механической природы Лоренцова эфира, то в шутку можно сказать, что Г. А. Лоренц оставил ему лишь одно механическое свойство — неподвижность».
В книге, упомянутой выше, Лоренц делает еще одни радикальный шаг. Ранее он полагал, что уравнения Максвелла применимы только к телам, неподвижным относительно эфира. Теперь предстоит изучить, что будет в случае движущихся тел.
Ответ ясен для всякого, уверенного в справедливости механики Ньютона: для перехода от неподвижного тела к подвижному, то есть для учета движения тел, нужно воспользоваться преобразованием Галилея.
Но этот классический путь приводит Лоренца к противоречию с опытом. Ведь при переходе от явлений, происходящих в теле, неподвижном относительно эфира, к телу, движущемуся относительно него, нужно применить преобразование Галилея. Но, в результате, получится, что скорость света, измеренная относительно тела, движущегося сквозь эфир, должна отличаться от скорости света, измеренной относительно неподвижного тела. Различие должно увеличиваться при возрастании скорости тела.