Генрих Герц – великий экспериментатор и праотец мобильных телефонов

Частоту (количество циклов в единицу времени) физики измеряют в единицах, названных по имени гамбуржца Heinrich Rudolf Hertz. Он родился 22 февраля 1857 года и прожил всего 36 лет, успев внести важный вклад в развитие электродинамики. Его основным достижением стало экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла: Герц доказал существование электромагнитных волн.

Генрих Рудольф Герц родился в семье адвоката, сенатора, процветающего коммерсанта и члена городского совета, внука крупного банкира из Кельна Соломона Оппенгеймера. Причем и дед, и отец Генриха приняли лютеранство.

Юноша, переживший еще в гимназическом возрасте увлечение арабским языком и санскритом, окончил Берлинский университет, где его учителями были Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф. У Герца всегда был глубокий интерес к метеорологии, вероятно, приобретённый в результате его контактов с Вильгельмом фон Бецольдом (он был профессором Герца по лабораторному курсу в Мюнхенском Политехникуме летом 1878). Герц, однако, не сделал особого вклада в данную область, за исключением некоторых ранних статей в качестве ассистента Гельмгольца в Берлине. Сюда входит исследование испарения жидкостей, разработка нового вида гигрометра, а также разработка графических средств для определения свойств влажного воздуха, подвергнутого адиабатическим изменениям.

С 28 до 32 лет Генрих Герц преподавал физику в качестве профессора Университета Карлсруэ (где он и сделал своё научное открытие о существовании электромагнитных волн), после чего перешел в Боннский университет.

«Наше запутанное желание находит выражение в запутанном вопросе о природе силы и электричества. Но ответ, который мы хотим, на самом деле не является ответом на этот вопрос. К ответу мы будем приближаться не путем выяснения новых и новых отношений и связей, но устраняя противоречия, существующие между уже известными. Когда эти болезненные противоречия будут устранены, на вопрос о природе силы не будет дан ответ; но наши умы, больше не раздраженные, перестанут задавать нелегитимные вопросы».

В 1886—1887 годах Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Во время своих опытов он стал свидетелем, как появлялись искры в его экспериментальном аппарате. Эти результаты стали открытием совершенно нового явления. Его назвали «фотоэффект», и позднее последователь Герца, гениальный Альберт Эйнштейн, смог теоретически обосновать данное явление. За это он получил Нобелевскую премию в 1921 году.

Герц разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. В ряде работ по механике дал теорию удара упругих шаров и рассчитал время соударения. В книге «Принципы механики» (1894) Герц дал вывод общих теорем механики и её математического аппарата, исходя из единого принципа (принцип Герца).

Для современной науки результаты экспериментов Герца оказались важнейшим событием. Но сам ученый о своем открытии отзывался очень скромно:

«Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть».

Он даже представить себе не мог, что меньше, чем полтора века спустя, его волны будут использоваться повсеместно: телефоны, микроволновые печи, GPS-навигаторы, радары, RVID-чипы.

Аппаратура, которой пользовался Герц, может показаться теперь более чем простой, но тем замечательнее полученные им результаты. Источниками электромагнитного излучения у него были искры в разрядниках. Электромагнитные волны от разрядников вызывали искровые разряды между шариками в «приёмниках» — расположенных в нескольких метрах контурах, настроенных в резонанс. Герцу удалось не только обнаружить волны, в том числе и стоячие, но и исследовать скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию. Все это очень напоминало оптику, с тем только (весьма существенным!) отличием, что длины волн были почти в миллион раз больше (порядка 3 метров).

Герц подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой разновидность электромагнитных волн. Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его теория электродинамики не подтвердилась опытами и позднее уступила место электронной теории Хендрика Лоренца. При том, что результаты, полученные Герцем, способствовали появлению беспроволочного телеграфа и легли в основу создания радио и телевидения, радиолокации и радиосвязи.

«В моей работе у меня теперь есть ощущение, что я, так сказать, на своей собственной земле и территории и почти наверняка не участвую в напряженной гонке, и что я не буду внезапно читать в литературе, что кто-то еще делал это все задолго до меня. Именно в этот момент начинается удовольствие от исследования: когда человек, так сказать, наедине с природой и больше не беспокоится о человеческих мнениях, взглядах и требованиях. Филологический аспект выпадает, и остается только философский».

Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц придумал простейший резонатор — проволочное незамкнутое кольцо или прямоугольную незамкнутую рамку с такими же, как у «передатчика» латунными шариками на концах и регулируемым искровым промежутком. В результате проведённых опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивает искра), то в разрядном промежутке резонатора, удалённом от генератора даже на 3 м, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приёмника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будут ли они вести себя, как свет? Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогию со световыми. Всё это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 года. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.

Благодаря своим опытам Герц пришёл к следующим двум выводам:
1) Волны Максвелла «синхронны» (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света);
2) Можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.

«Не могу избавиться от ощущения, что эти математические формулы имеют независимое существование и собственный разум, что они мудрее нас, мудрее даже их первооткрывателей»

Генрих Герц прожил совсем недолго – всего 36 лет. Он скоропостижно скончался, предположительно, от заражения крови.

На открытии знаменитой радиовыставки 1930-го года в Берлине Альберт Эйнштейн в своем выступлении сказал:

«Когда вы слушаете радио, подумайте о том, откуда у людей появился этот чудесный инструмент передачи данных. Подумайте о Максвелле, который математическим путем пришел к существованию электрических волн, и о Герце, который впервые при помощи радио получил их и доказал их существование».

В этом же 1930-м году в честь великого ученого была установлена новая единица измерения — герц (Гц). Она была закреплена в качестве международного стандарта в 1933 году. 1 герц – это одно электрическое колебание в секунду.

Читайте также: Фарадей. Электричество и электромагнетизм

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram канал «Гранит науки»
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
📩Прислать статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]