Nació el 18 de julio de 1853 en Arnhem, Holanda. Hijo de Frederik Lorentz y Geertruida van Ginkel, propietarios de una guardería infantil. Con cuatro años, Lorentz perdió a su madre, pero su padre volvió a casarse con Luberta Hupkes en 1862. Desde los 13 años estudió en la Escuela Hogere Burger de su ciudad natal para prepararse para el examen de acceso a la Universidad de Leiden en 1870. Un año después se licenció con especialidad en Ciencias y Matemáticas.
Regresó a Arnhem como profesor mientras realizaba sus estudios de doctorado. Estos culminaron, en 1975, en una tesis sobre reflexión y refracción de la luz. En 1978 aceptó una plaza de profesor en Leiden. Universidad a la que siempre fue fiel a pesar de recibir ofertas de prestigiosas instituciones.
En 1881 se casó con Aletta Catharina Kaiser, hija de J. W. Kaiser, profesor de la Academia de bellas artes y director de lo que llegaría a ser el Rijksmuseum (Galería Nacional) de Ámsterdam. Del matrimonio nacerían dos hijas y un varón. Geertruida Luberta Lorentz siguió los pasos de su padre llegando a ser doctora en físicas.
En 1812, es nombrado Director del Gabinete de física de la Fundación Teyler y Secretario de la «Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen» (Sociedad Holandesa de Ciencias). Lorentz solo aceptó estos cargos al poder compaginarlos con la labor docente que realizaba en Leiden.
Durante toda su estancia en Leiden, la Universidad le eximió de muchas de las tareas académicas. De esa forma su tiempo se repartía entre las clases, que posteriormente publicaría en una serie de libros, y la labor científica.
En sus años de estudio, la labor de Lorentz se extendió en varios ámbitos. Fue extensa y sacudió los cimientos de la ciencia de esos años. Primero publica en 1878 un estudio sobre la relación entre la velocidad de la luz en un medio, su densidad y su composición. Esta publicación es coetánea a otra similar publicada por Ludvig Lorenz. Los estudios darían como fruto la ecuación Lorentz-Lorenz Esta simplificaría las relaciones de permeabilidad y polarizabilidad de los dieléctricos.
Realizó estudios sobre las teoría de Fresnel y Maxwell que terminaron en la publicación de la obra titulada «La théorie électromagnétique de Maxwell et son application aux corps mouvants« en 1892. En esta ultima publicación analiza la necesidad de añadir a las ecuaciones términos adicionales en función del éter. Es el comienzo de la generalización de las ecuaciones ópticas sin dependencia del medio.
En el marco de esta investigación, Lorentz postula la existencia de una partícula cargada negativamente. El electrón. Esta partícula negativa era totalmente contraria a la aceptada en aquella época, la del modelo de Thomson.
Esta nueva teoría, aplicada a las ondas electromagnéticas, dio a luz las llamadas Transformaciones de Lorentz. Estas, no solo confirmaban la independencia de la Tierra del éter, como indicaba el experimento de Michelson y Morley, sino que supusieron la base de las teorías relativistas de Einstein.
Junto con su pupilo, Pieter Zeeman, postuló que los electrones, en su vibración, eran los causantes de la luz emitida por la materia. Un campo magnético fuerte debería afectar a la longitud de onda de dichas oscilaciones y por lo tanto a la luz. Zeeman confirmó esta teoría en 1896 en el Efecto Zeeman, que significó el Nobel para Lorentz y Zeeman en 1902.
Lorentz recibió numerosos premios y reconocimientos a lo largo de su vida. Sus teorías no solo casaban a la perfección con todos los descubrimientos y teorías anteriores, sino que fue la base de gran parte de los avances de la física de los años posteriores.
En 1923 fue nombrado director del Instituto Teyler, en Haarlem. Se trasladó a dicha ciudad al final de su vida, muriendo cinco años después.
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