«Іскра» Генріха Герца

Дослідження властивостей електромагнітних хвиль, проведені Герцом, показали, що ці хвилі підлягають тим самим законам, що й світлові. Герц перший отримав електромагнітні хвилі, існування яких теоретично передбачив Максвел Джеймс Кларк (1831-1879). Цим відкриттям підтверджено електромагнітну теорію світла. Праці Генріха Герца підтвердили теорію Максвела у тому, що електромагнітні хвилі аналогічні світловому випромінюванню.
Генріх Рудольф Герц народився 22 лютого 1857 року в Гамбурзі, у процвітаючій та культурній ганзейській родині. Його батько, адвокат і в 1887-1904 роках сенатор Густав Фердинанд Герц (1827-1914), народився під ім'ям Давид Густав Герц у надзвичайно заможній єврейській родині. Густав Фердинанд Герц був процвітаючим комерсантом і членом міської ради Гамбурга у 1860-1862 роках. Мати – Бетті Аугуста Оппенгейм (1802-1872) була дочкою великого банкіра Соломона Оппенгейма (1772-1828) з Кельна, засновника нині діючого банку Sal. Oppenheim. У Генріха було три молодших брата і сестра. У дитинстві Генріх був слабким і хворобливим. Отримавши атестат зрілості, Герц виїхав у 1875 році до Дрездена і вступив до вищого технічного училища. Зрозумівши, що кар'єра інженера не для нього, 1 листопада 1877 року він надіслав батькам листа з такими словами: “Раніше я часто говорив собі, що бути посереднім інженером для мене краще, ніж посереднім ученим. А тепер думаю, що Шіллер (Фрідріх Шіллер — німецький поет, драматург, філософ і історик) був правий, коли сказав: "Хто боїться ризикувати життям, той не доб'ється у ньому успіху". У Герца завжди був глибокий інтерес до метеорології, ймовірно, набутий в результаті його контактів з Вільгельмом фон Бецольда (він був професором, керівником Герца з лабораторних робіт у Мюнхенському політехнікумі, влітку 1878 року). Герц, однак, не зробив особливого внеску у дану галузь, за винятком деяких ранніх статей, як асистент Гельмгольца у Берліні. Сюди входить дослідження випаровування рідин, розробка нового виду гігрометра, а також розробка графічних засобів для визначення властивостей вологого повітря, підданого адіабатичним змінам. На щастя, батьки не заважали хлопчикові шукати своє покликання і дозволили йому перейти до гімназії. Під час навчання у гімназії, при університеті Гамбурга, Генріх Герц виявив здібності до наук, а також до мов, вивчивши арабську і санскрит. По закінчені гімназії він стає студентом університету. Вивчав науку і техніку у Дрездені, Мюнхені та Берліні, де був студентом Густава Роберта Кірхгофа і Германа Людвіга Фердинанда фон Гельмгольца. Гельмгольц незабаром помітив талановитого юнака, і між ними встановилися хороші стосунки, які згодом перейшли в тісну дружбу і одночасно в наукове співробітництво. Під керівництвом Гельмгольца Герц захистив дисертацію і став визнаним фахівцем у своїй галузі. У 1880 році Герц отримав ступінь доктора філософії у Берлінському університеті, і залишився в університеті для продовження навчання під керівництвом Гельмгольца. У 1881-1882 Герц опублікував дві статті з тематики, яка пізніше стала називатися механікою контактної взаємодії. Хоча Герц знаменитий за свій внесок у електродинаміку (про що мова нижче), однак ці дві статті теж не залишилися непоміченими. Вони стали джерелом важливих ідей, і більшість статей, в яких розглядається фундаментальна природа контакту. Жозеф Буссінеска зробив кілька важливих критичних зауважень по роботах Герца, визнаючи при цьому їх величезну важливість. У цих роботах Герц розглядає поведінку під навантаженням двох асиметричних об'єктів, що знаходяться в контакті. Отримані результати базуються на класичній теорії пружності і механіки суцільних середовищ. Найістотнішим недоліком його теорії було нехтування адгезією (зчеплення) будь-якої природи між двома твердими тілами, яка виявляється важлива, коли ці тіла починають поводитися пружно. У ті часи було цілком природно нехтувати нею, бо тоді не було ніяких експериментальних методів її дослідження. Для доказу своєї теорії Герц досліджував поведінку еліптичних кілець Ньютона, що утворюються при розміщенні скляної сфери на лінзі. Він вважав, що тиск, який чиниться сферою на лінзу, викличе зміну кілець Ньютона. Він знову використав кільця Ньютона, коли перевіряв свою теорію в експериментах по обчисленню зсуву, яке викликає сфера в лінзі. К. Л. Джонсон, К. Кендал і А. Д. Робертс (ДKR - за першими літерами прізвищ) взяли цю теорію за основу при обчисленні теоретичного зсуву або глибини вдавлення за наявності адгезії у їх важливій статті “Поверхнева енергія і контакт пружних твердих частинок”, виданої у 1971 році в працях Королівського Товариства. Теорія Герца випливає з їх формулювання, за умови, якщо адгезія матеріалів дорівнює нулю. Подібно цій теорії, але на основі інших припущень, у 1975 Б. В. Держагуін, В. М. Мюллер і Ю. П. Топоров розробили іншу теорію, яка серед дослідників відома як теорія DMT, і з якої також випливає формулювання Герца за умови нульової адгезії. Теорія DMT надалі була кілька разів переглянута перш, ніж вона була прийнята як ще одна теорія контактної взаємодії на додаток до теорії ДKR. Обидві теорії, як DMT так і ДKR, є основою механіки контактної взаємодії, на яких базуються всі моделі контактного переходу, і які використовуються у розрахунках зсувів для n (нано) технологій та електронної мікроскопії. У 1883 році Герц обіймає посаду лектора теоретичної фізики в Університеті Кіля. Дослідження Герца, в час його роботи лектором, які він сам, за його самооцінкою, вважав тривіальними, ще до його великих праць з електромагнетизму, потрапили у століття n технологій. У 1885 році Герц став професором в Університеті Карлсруе. Тут у Герца була своя власна експериментальна лабораторія, яка забезпечила йому свободу творчості. Герц усвідомив, що більше всього на світі його цікавить електрика, швидкі електричні коливання, над вивченням яких він трудився ще у студентські роки. У Карлсруе почався плідний період його наукової діяльності де він і зробив своє наукове відкриття про існування електромагнітних хвиль. З 1885 по 1889 роки він працював професором фізики технічного університету у Карлсруе. Саме в ці роки він провів свої знамениті досліди з розповсюдження електричної сили, які довели реальність електромагнітних хвиль. Апаратура, якою користувався Герц, може здатися тепер більш ніж простою, але тим більші отримані ним результати. Джерелами електромагнітного випромінювання у нього були іскри у розрядниках. Експериментальну установку і самі досліди Герц описав у опублікованій у 1887 році статті “Про дуже швидкі електричні коливання”. У роботі “Про дії струму” Герц перейшов до вивчення явищ на більш далекій відстані, працюючи в аудиторії довжиною 14 метрів і шириною 12 метрів. Він виявив, що якщо відстань приймача від вібратора менше одного метра, то функція розподілу електричної сили убуває пропорційно кубу відстані. Однак на відстанях, що перевищують три метри, поле спадає значно повільніше і неоднаково у різних напрямках. У напрямку осі вібратора дія поля спадає значно швидше, ніж у напрямку, перпендикулярному осі, і ледь помітно на відстані чотирьох метрів, тоді як в перпендикулярному напрямку воно досягає відстаней, дванадцяти метрів. Цей результат суперечить всім законам теорії дальньої дії. Герц продовжував дослідження у хвильовій зоні свого вібратора, поле якого він пізніше розрахував теоретично. У багатьох наступних роботах Герц незаперечно довів існування електромагнітних хвиль, що розповсюджуються з кінцевою швидкістю. Для проведення дослідів Герц придумав і сконструював свій знаменитий випромінювач електромагнітних хвиль, названий згодом “вібратор Герца”. Вібратор представляв собою два мідних прутка з насадженими на кінцях латунними кульками і по одній великій цинкової сфері, або квадратній пластині, що грала роль конденсатора. Між кульками залишався зазор - іскровий проміжок. До мідних прутиків були прикріплені кінці вторинної обмотки котушки Генріха Даніеля Румкорфа (1803-1877) - перетворювача постійного струму низької напруги у змінний струм високої напруги. При імпульсах змінного струму між кульками проскакували іскри у навколишній простір випромінювалися електромагнітні хвилі. Переміщенням сфер або пластин уздовж прутків регулювалася індуктивність і ємність кола, що визначають довжину хвилі. Щоб уловлювати випромінювані хвилі, Герц придумав найпростіший резонатор - дротове незамкнуте кільце або прямокутну незамкнуту рамку з такими ж, як у “передавача” латунними кульками на кінцях і регульованим іскровим проміжком. Електромагнітні хвилі від розрядників викликали іскрові розряди між кульками в “приймачах” – у контурах, розташованих у декількох метрах, налаштованих в резонанс. Герцу вдалося не тільки виявити хвилі, в тому числі, і стоячі, а й дослідити швидкість їх поширення, відображення, заломлення і навіть поляризацію. Все це дуже нагадувало оптику, з тією тільки (досить істотною) різницею, що довжини хвиль були майже в мільярд разів більші. До початку досліджень Герца електричні коливання були вивчені теоретично. Герц з його загостреною увагою до цього питання, працюючи у вищій технічній школі в Карлсруе, знайшов у фізичному кабінеті пару індукційних котушок, що призначалися для лекційних демонстрацій. “Мене вразило, - писав він, - що для отримання іскри в одній обмотці не було необхідності розряджати великі батареї через іншу і, більше того, що для цього достатні невеликі лейденський банки і навіть розряди невеликого індукційного апарату, якщо тільки розряд пробивав іскровий проміжок”. У результаті проведених дослідів Герц виявив, що якщо у генераторі відбуватимуться високочастотні коливання (у його розрядному проміжку проскакує іскра), то в розрядному проміжку резонатора, віддаленому від генератора навіть на 3 м, теж будуть проскакувати маленькі іскри. Таким чином, іскра в другому колі виникала без жодного безпосереднього контакту з першим колом. Провівши численні досліди при різних взаємних положеннях генератора і приймача, Герц приходить до висновку про існування електромагнітних хвиль, що поширюються з кінцевою швидкістю. Чи будуть вони вести себе, як світло? Герц проводить ретельну перевірку цього припущення. Після вивчення законів відображення і заломлення, після встановлення поляризації та вимірювання швидкості електромагнітних хвиль він довів їх повну аналогію зі світловими. Все це було викладено в роботі “Про промені електричної сили”, що вийшла у грудні 1888 року. Цей рік вважається роком відкриття електромагнітних хвиль і експериментального підтвердження теорії Максвела. У 1886-87 рр.. Герц вперше спостерігав і дав опис зовнішнього фотоефекту. Герц розробляв теорію резонансного контуру, вивчав властивості катодних променів, досліджував вплив ультрафіолетових променів на електричний розряд. У ряді робіт з механіки дав теорію удару пружних куль, розрахував час зіткнення і т. д. У книзі “Принципи механіки” (1894) дав висновок загальних теорем механіки та її математичного апарату, виходячи з єдиного принципу (принцип Герца). “У 1889 році на 62-му з'їзді німецьких природознавців і лікарів Герц прочитав доповідь “Про співвідношення між світлом і електрикою”. Тут він підводить підсумки своїх дослідів у таких словах: “Всі ці досліди дуже прості в принципі, але, тим не менш, вони тягнуть за собою найважливіші слідства. Вони руйнують будь-яку теорію, яка вважає, що електричні сили перестрибують простір миттєво Вони означають блискучу перемогу теорії Максвела... Наскільки малоймовірним здавалося раніше її погляд на сутність світла, настільки важко тепер не розділити цей погляд”. У 1890 році Герц опублікував дві статті: “Про основні рівняння електродинаміки в тілах які знаходяться в спокійному стані” і “Про основні рівняння електродинаміки для рухомих тіл”. Ці статті містили дослідження про поширення “променів електричної сили” і, по суті, давали канонічний виклад теорії Максвела для електричного поля, яке увійшло з тих пір в навчальну літературу. Досліди Герца викликали величезний резонанс. Особливу увагу привернули досліди, описані в роботі “Про промені електричної сили”. Серед численних повторень дослідів Герца особливе місце займають досліди російського фізика П. М. Лебедєва, опубліковані у 1895 році, першому році після смерті Герца. Завдяки своїм дослідам Герц прийшов до наступних висновків: Хвилі Максвела “синхронні” (справедливість теорії Максвелла, що швидкість поширення радіохвиль дорівнює швидкості світла); Можна передавати енергію електричного і магнітного поля без проводів. У 1887 році, по завершенні дослідів, вийшла перша стаття Герца “Про дуже швидкі електричні коливання”, а у 1888 році - ще більш фундаментальна робота “Про електродинамічні хвилі у повітрі і їх відбивання”. Герц вважав, що його відкриття було практичніше аніж Максвела: “Це абсолютно так.

Це тільки експеримент, який доводить, що маестро Максвел був правий. Ми маємо таємничі електромагнітні хвилі, які не можемо бачити оком, але вони є”. “І що ж далі?” - Запитав його один із студентів. Герц знизав плечима, він був скромною людиною, без претензій і амбіцій: “Я припускаю - нічого”. Але навіть на теоретичному рівні досягнення Герца були відразу відзначені вченими як початок нової “електричної ери”. Щоб краще бачити іскру в своїх дослідах, Герц помістив приймач в затемнену коробку. При цьому він зауважив, що в коробці довжина іскри в приймачі стає менше. Тоді Герц став експериментувати в цьому напрямку, зокрема, він досліджував залежність довжини іскри у випадку, коли між передавачем і приймачем поміщається екран з різних матеріалів. Герц знайшов, що електромагнітні хвилі проходили через одні види матеріалів і відбивалися іншими, що призвело у майбутньому до появи радарів. Крім того, Герц зауважив, що заряджений конденсатор втрачає свій заряд швидше при дії на його пластини ультрафіолетовим випромінюванням. Отримані результати стали відкриттям нового явища у фізиці, названого фотоефектом. “Результати дослідів, поставлених мною над швидкими електричними коливаннями, - писав Герц у своїй восьмій статті 1888 року, - показали мені, що теорія Максвела має перевагу перед усіма іншими теоріями електродинаміки”. Теоретичний доказ цього явища пізніше дав Альберт Ейнштейн, який отримав за це Нобелівську премію у 1921 році. У 1892 року Герцу була, по діагнозу, занесена інфекція (після серйозної мігрені). Його кілька разів оперували, щоб вилікувати хворобу, але марно. Він помер від зараження крові у віці 36 років у Бонні. Похований у Гамбурзі на кладовищі Ольсдорф. Його дружина Елізабет Герц (у дівоцтві Елізабет Долль) заміж більше не виходила. Герц залишив двох дочок, Джоану і Матильду. Всі троє у 1930-і році, після приходу Гітлера до влади, емігрували до Англії. У 1960-ті роки Чарльз Зюскінд взяв у Матільди інтерв'ю, яке потім опублікував у книзі про Генріха Герца. Згідно книги Зускінда, дочки Герца в шлюбі не перебували, тому нащадків у нього не залишилося. Матильда Кармен Герц (1891-1975), якій було всього три роки, коли помер її батько, стала відомим психологом. Хоча Герц навряд чи вважав себе євреєм, його портрет був знятий нацистами з почесного місця у міській ратуші Гамбурга, оскільки він “частково єврейського походження” Пам'ятна поштова марка ФРН. 1957 Пам'ятна поштова марка ФРН. 1994 Племяннік Г. Герца - Густав Людвіг Герц (1887-1975) - став відомим фізиком і лауреатом Нобелівської премії, а син останнього - Карл Хельмут Герц (1920-1990) - творцем медичної сонографії. 18 грудня 1897 один з винахідників радіо - Олександр Попов - передав за допомогою телеграфного апарата, приєднаного до приладу, слова “Генріх Герц”, які є одними з перших переданих по радіо.

автор: Володимир Циганенко

Nike KD 11