Trong năm 1896, ngay trước khi chuyển từ Leiden đến Amsterdam, ông đã đo sự phân chia các đường quang phổ bởi một từ trường mạnh, một khám phá bây giờ được gọi là hiệu ứng Zeeman, mà ông đã giành giải Nobel Vật lý năm 1902. Nghiên cứu này liên quan đến một cuộc điều tra về hiệu ứng của các trường từ trên một nguồn ánh sáng. Ông phát hiện ra rằng một đường quang phổ được chia thành nhiều thành phần trong sự hiện diện của một từ trường. Lorentz lần đầu tiên nghe về các quan sát của Zeeman vào thứ Bảy ngày 31 tháng 10 năm 1896 tại cuộc họp của Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Hoàng gia Hà Lan ở Amsterdam, nơi những kết quả này đã được Kamerlingh Onnes thông báo.
Leiden