Доказательство единой сущности света и электричества

Генрих Рудольф Герц - немецкий физик, один из основоположников электродинамики. Экспериментально доказал существование электромагнитных волн и установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Придал уравнениям Максвелла симметричную форму. Открыл внешний фотоэффект. Построил механику, свободную от понятия силы. Опыты Герца сыграли существенную роль в становлении современной электродинамики.

Герц подтвердил выводы максвелловской теории о том, что скорость распространения электромагнитных волн в воздухе равна скорости света, установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Герц изучал также распространение магнитных волн в проводнике и указал способ измерения скорости их распространения.

Работы Герца по электродинамике сыграли огромную роль в развитии науки и техники. Его труды обусловили возникновение беспроволочного телеграфа, радио и телевидения.

Генрих Рудольф Герц (Heinrich Rudolf Hertz) родился 22 февраля 1857 г. в Гамбурга, Германия, в семье адвоката Густава Фердинанда Герца (1827—1914), который позднее руководил управлением юстиции ганзейского города. Мать Генриха Герца, Анна Элизабет (1835—1910), урождённая Пфефферкорн, была дочерью армейского врача из Франкфурта-на-Майне. У Генриха было три младших брата и сестра.

Генрих был слабым и болезненным, но благополучно преодолел необычайно трудные для него первые годы жизни, и, к радости родителей, выровнялся, стал здоровым и жизнерадостным.

Вначале Генрих посещал частную школу. Учился он прекрасно, любил все предметы, писал стихи. У него рано проявилась сноровка и склонность к практическим занятиям техникой. Он брал уроки у столяра, изучал токарное дело. Когда обучавший его токарному делу мастер узнал, что Генрих стал профессором, он был совершенно расстроен: "Ах, как жаль, какой бы это был токарь!"

Герц успешно занимался не только обязательными английским, французским и итальянским языками, но и проявил выдающиеся способности к арабскому языку. Диалоги Платона, эпос Гомера, стихи Данте он знал на языке оригинала. У него был талант рисовальщика. А вот к музыке он был не способен, он не мог петь даже в школьном хоре. Этим он отличался от других выдающихся физиков: Гельмгольца, Больцмана, Нернста, Освальда, Планка, Эйнштейна, Борна, Гейзенберга.

Монотонность речи, отмечавшаяся у Герца в школе, сохранилась у него на всю жизнь. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.

          В 1875 г. Герц сдаёт экзамены на аттестат зрелости и поступает в Дрезденское, высшее техническое училище. Вначале ему там понравилось, но постепенно юноша понял, что карьера инженера не для него. 1 ноября 1877 года он отправил родителям письмо, где были такие слова: «Раньше я часто говорил себе, что быть посредственным инженером для меня предпочтительнее, чем посредственным учёным. А теперь думаю, что Шиллер прав, сказав: „Кто трусит рисковать жизнью, тот не добьётся в ней успеха“. И эта излишняя моя осторожность была бы с моей стороны безумием».

Осенью 1876 г. Герц был призван в армию и проходил годичную службу в железнодорожных войсках в Берлине. После этого он поступил в Высшую техническую школу в Мюнхене. В то же время Герц посещает в университете лекции всемирно известных специалистов по математике и экспериментальной физике Г.Гельмгольца, Г.Киркгофа. Позже он полностью переходит на второй курс в университет и приступает к усиленному изучению сочинений Ж.Л. Лагранжа и П.С. Лапласа. В октябре 1878 г. Герц переезжает в Берлин и становится студентом Берлинского университета.

Герц с большим желанием стремится к занятиям в физических лабораториях. Но к работе в лабораториях допускались лишь те студенты, которые занимались решением конкурсных задач. Гельмгольц предложил Герцу задачу из области электродинамики: обладает ли ток кинетической энергией? Гельмгольц хотел направить силы Герца в область электродинамики, считая её наиболее запутанной.

           Герц принимается за решение поставленной задачи, рассчитанной на 9 месяцев. Он сам изготовляет приборы и отлаживает их. При работе над первой проблемой сразу же выяснились заложенные в Герце черты исследователя: упорство, редкое трудолюбие и искусство экспериментатора. Задача была решена за 3 месяца. Результат, как и ожидалось, был отрицательным (Сейчас нам ясно, что электрический ток, представляющий собой направленное движение электрических зарядов (электронов, протонов), обладает кинетической энергией. Для того чтобы Герц мог обнаружить это, надо было повысить точность его эксперимента в тысячи раз.). Полученный результат совпал с точкой зрения Гельмгольца, хотя и ошибочной, но в способностях молодого Герца он не ошибся. “ Я увидел, что имел дело с учеником совершенно необычного дарования” — отмечал он позднее. Летом 1879 г. Герц был удостоен золотой медали и премии за свою первую научную работу.

Вернувшись после летних каникул 1879 года, Герц добился разрешения работать над другой темой: “ Об индукции во вращающихся телах”, взятой в качестве докторской диссертации. Он предлагал завершить её за 2—3 месяца, защитить и получить поскорее звание доктора, хотя университет ещё не был закончен. Работая с большим подъёмом и воодушевлением, Герц быстро закончил исследование. Защита прошла успешно, и ему присудили степень доктора с “ отличием” — явление исключительно редкое, тем более для студента.

По предложению Гельмгольца, Герц получает место ассистента в его институте. За время ассистентства Герц ближе познакомился с "имперским канцлером науки", как называли Гельмгольца. Герц часто бывал на званых вечерах в шикарно обставленной квартире Гельмгольца. Гельмгольц был чопорен и формален в обращении, "он говорит так медленно и размеренно, - писал Герц родителям - что по крайней мере для меня невозможно слушать его внимательно". За три года работы в Берлине Герц опубликовал 15 статей на самые разные темы - от электромагнетизма до твердости материалов и испарения жидкостей.

В 1883 - 1885 г.г. Герц заведовал кафедрой теоретической физики в Кильском университете, куда он переехал по совету Кирхгофа. Он не был полностью удовлетворён этой работой, так как был прирождённым экспериментатором, а в университете не было физической лаборатории.

В 1885 г. он занимает должность ординарного профессора физики в Высшей технической школе в Карлсруэ. Этот город стал ареной его великих открытий и местом рождения его мировой славы.

Летом 1886 г. Герц женился. Несмотря на женитьбу, он не забросил свою работу и продолжал проводить исследования по изучению инерции.

В своих научных разработках Герц опирался на теорию, выдвинутую Максвеллом, согласно которой скорость радиоволн должна быть аналогичной скорости света. В период с 1886 по 1889 гг. Герц провёл многочисленные опыты в этом направлении. В результате учёный доказал факт существования электромагнитных волн.

Осенью 1886 года при экспериментировании с электрическими разрядами он обнаружил искрение одной из двух близко лежавших друг подле друга индукционных катушек. В результате были созданы высокочастотный генератор и приёмник этих колебаний, резонатор. Генератор состоял из индукционной катушки и присоединённых к ней проводов, образующих разрядный промежуток, а резонатор состоял из прямоугольного контура и двух шариков на концах провода, также образующих разрядный промежуток. Такая дипольная антенна и сегодня применяется в приёмниках УКВ. При помощи своей конструкции Герц получил высокочастотные колебания и доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. В результате проведённых опытов он доказал, что электромагнитные волны аналогичны световым.

1888 год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения предположения Фарадея (1845), теоретически обоснованного Максвеллом (1862) о единой сущности света и электричества. С этого времени оптика могла быть включена в электродинамику, как в своё время акустика вошла в механику. Герц считал, что его открытия были не практичнее максвелловских: «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». «И что же дальше?» — спросил его один из студентов. Герц пожал плечами, он был скромный человек, без претензий и амбиций: «Я предполагаю — ничего».

Герц завершил труд, начатый Фарадеем. Максвелл перевёл представления Фарадея в образы математики, а Герц превратил эти образы в осязаемые, видимые и слышимые колебания. Чтобы лучше видеть искру в своих опытах, Герц поместил приёмник в затемнённую коробку. При этом он заметил, что в коробке длина искры в приёмнике становится меньше. Тогда Герц стал экспериментировать в этом направлении, в частности, он исследовал зависимость длины искры в случае, когда между передатчиком и приёмником помещается экран из различных материалов. Герц нашёл, что электромагнитные волны проходили через одни виды материалов и отражались другими, что привело в будущем к появлению радаров. Кроме того, Герц заметил, что заряженный конденсатор теряет свой заряд быстрее при освещении его пластин ультрафиолетовым излучением. Полученные результаты явились открытием нового явления в физике, названного фотоэффектом. Теоретическое обоснование этого явления позже дал Альберт Эйнштейн, получивший за это Нобелевскую премию в 1921 году.

Изучение Г. Герцем и О.Хевисайдом уравнений Максвелла в его "Трактате об электричестве и магнетизме" показало, что некоторые из них могут быть выведены друг из друга, некоторые - вообще лишни.

Герц и Хевисайд преувеличивали свой вклад по отношению к уравнениям Максвелла, утверждая, что уравнения принадлежат уже им, а не Максвеллу.

Национальное чувство Герца, по свидетельству М. Планка, порой сильно мешало ему объективно оценивать научный вклад иностранных учёных. Кроме того, открытые им "волны Герца" оказались давно предсказанными Максвеллом волнами. Поэтому нет оснований подозревать Герца в симпатиях к Максвеллу. И, тем не менее, судьба распорядилась так, что их имена всегда будут стоять рядом.

О применениях своих гениальных опытов с искрами Герц не думал. Идеи беспроволочного телеграфа принадлежат А. Попову и Г. Маркони.

Г. Герц не представлял практической значимости открытых им радиоволн и даже написал в дрезденскую палату коммерции письмо о том, что исследование радиоволн надо прекратить как бесполезное.

Но электромагнитные волны стали ему вечным памятником. Первыми словами, переданными 24 марта 1896 года по беспроволочной связи, были «Генрих Герц».

Г.Гельмгольц назвал Герца самым талантливым из своих учеников. Он писал: «Наделённый редчайшими дарами ума и характера, он собрал в своей, увы, столь короткой жизни урожай почти нежданных плодов, обрести которые тщетно стремились в течение истекающего столетия многие из самых одарённых его коллег. В старое, классическое время сказали бы, что он пал жертвой богов».

В 1889 г. Герц становится преемником Р. Клаузиуса в университете Бонна. В его распоряжение был предоставлен дом, где жил Клаузиус, и сад, в котором любили играть дочери Герца.

Во второй половине 19-го века катодные лучи исследовали многие физики. Герц, проводя эксперименты по схеме, похожей на ту, с помощью которой Дж.Дж. Томсон позднее измерил удельный заряд электрона, не обнаружил отклонения пучка катодных лучей при его прохождении между пластинками, на которые подано большое напряжение. Из этого опыта Герц сделал вывод, что катодные лучи представляют собой не заряженные частицы, а продольные волны в эфире. Такой вывод имел серьёзные последствия: более десяти лет почти все немецкие учёные придерживались точки зрения Герца и выступали против утверждений английских физиков, что катодные лучи - поток заряженных частиц.

Причина неудачи Г. Герца выяснилась после опытов Ж. Перрена, которому удалось доказать, что катодные лучи переносят отрицательный электрический заряд. Оказалось, что в трубке, которую использовал Герц, был недостаточно высокий вакуум и имеющиеся в ней ионы скапливались у пластин, компенсируя тем самым поле последних.

В сентябре 1889 г. Герц выступил с большим докладом "Об отношении между светом и электричеством" на заседании Общества немецких естествоиспытателей. Доклад получил одобрение со стороны Гельмгольца и В. Оствальда, который вспоминал о нём в своей автобиографии даже спустя сорок лет.

В 1890 г. Герц по приглашению Королевского общества читал лекции в Лондоне и Кембридже. Его принимали как великого физика.

В 1892 г. на основании своих экспериментов Герц продемонстрировал прохождение катодных лучей сквозь тонкую фольгу, изготовленную из металла. Этот «эффект луча» был более полно исследован студентом великого физика Филипом Ленардом. Им же была развита теория катодной трубки и изучено проникновение различных материалов рентгенами. Всё это стало основой величайшего изобретения, которое широко используется и сегодня. Это было открытие рентгена, сформулированное с использованием электромагнитной теории света.

Последние годы жизни Герца были омрачены болезнью, которая, как считали, началась с флюса. Многочисленные операции приносили лишь временное облегчение. В декабре 1893 г. он вынужден был прекратить чтение лекций. Напряжённая работа не прошла безнаказанно для его здоровья. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Началось общее заражение крови, от которого он и скончался 1 января 1894 года в возрасте 37 лет в Бонне. Похоронен в Гамбурге на кладбище Ольсдорф.

До последних дней жизни ученый работал над книгой "Принципы механики, изложенные в новой связи". В ней он стремился осмыслить собственные открытия и наметить дальнейшие пути исследования электрических явлений.

После безвременной смерти ученого этот труд закончил и подготовил к изданию Герман Гельмгольц. В предисловии к книге он назвал Герца самым талантливым из своих учеников и предсказал,что его открытия будут определять развитие науки на многие десятилетия вперед.

Его жена Элизабет Герц (в девичестве Элизабет Долль) замуж больше не выходила. Герц оставил двух дочерей, Джоанну и Матильду. Все трое в 1930-е годы, после прихода Гитлера к власти, эмигрировали в Англию. В 1960-е годы Чарльз Зускинд взял у Матильды интервью, которое затем опубликовал в книге о Генрихе Герце. Согласно книге Зускинда, дочери Герца в браке не состояли, поэтому потомков у него не осталось. Матильда Кармен Герц (1891—1975), которой было всего три года, когда умер её отец, стала известным психологом.

Хотя Герц был лютеранин и вряд ли считал себя евреем, его портрет был снят нацистами с почётного места в городской ратуше Гамбурга, поскольку он «частично еврейского происхождения».

Герц не был учёным-спорщиком, нападавшим на своих противников (как Ю. Либих, Э. Геккель, В. Оствальд), он был образцом личной скромности и убеждал своих оппонентов правдой фактов.

Генрих Герц, открытия которого легли в основу современной электродинамики, получил за свою работу огромное количество различных премий. Среди них:

• премия Баумгартнера, врученная Венской академией;

• медаль им. Маттеучи, преподнесенная Обществом наук в Италии;

• премия Парижской академии наук;

• японский орден Священного сокровища.

В 1889-м европейские страны начали вручать ему награды. На родине его наградили престижным орденом.

Он стал членом-корреспондентом в академиях наук Рима, Берлина, Мюнхена и Вены.

В предчувствии смерти, Герц писал своим родителям: "Вы не должны печалиться, но Вы должны немного гордиться и думать, что я принадлежу к тем избранным, которые живут мало и всё - таки достаточно. Этой судьбы я не хотел и не выбирал, но, раз она меня нашла, я должен быть доволен".

Вечным памятником ему стали видимые и слышимые электромагнитные волны.

В 1930 году Международная Электротехническая Комиссия в честь Герца установила новую единицу измерения — Герц (Гц), применяемую как мера количества повторяющихся событий в единицу времени (её также называют «количество циклов в секунду»). Она была принята Международным бюро мер и весов в 1964 году как единица частоты в системе СИ.

В 1969 году в Восточной Германии была выпущена памятная медаль в честь Генриха Герца. В 1987 году была учреждена медаль Генриха Герца «за выдающиеся достижения в изучении волн Герца», присуждаемая ежегодно учёным-теоретикам и экспериментаторам.

         В честь Герца назвали кратер, который находится на востоке обратной стороны Луны. В Нижнем Новгороде, Россия, в честь Герца назван городской рынок радиоэлектроники. Городская теле-радиокоммуникационная башня в Гамбурге названа в честь знаменитого уроженца города.

Однажды он сказал:

• Уравнения умнее своих создателей.

Рассказывают, что…

• Гельмгольц писал о Герце: "Он одинаково способен как к овладеванию абстрактными математическими теориями, так и к решению вытекающих из них вопросов экспериментального порядка с большой ловкостью и большой изобретательностью в том, что касается методов ...

Генрих Герц обеспечил себе своими открытиями долгую славу в науке. Но память о нём будет жить не только благодаря его работам, но и благодаря его личным достоинствам: его постоянной скромности, радостной готовности признать чужие заслуги, неизмеримой благодарности, которую он сохранил по отношению к своим учителям ... Он сам жаждал только истины, которой он следовал с величайшей серьёзностью и с полной отдачей сил. Никогда не было в его душе и тени тщеславия или личного интереса. Даже там, где он имел бесспорное право воспользоваться открытиями, он был склонен молча отойти в сторону".

• Племянник Г. Герца — Густав Людвиг Герц (1887—1975) — стал известным физиком и лауреатом Нобелевской премии, а сын последнего — Карл Хельмут Герц (1920—1990) — создателем медицинской сонографии. Из этого прибора вышли все современные аппараты УЗИ.

• Обнаружение радиоволн - пример синхронного открытия, какие часто встречаются в истории науки. Идеи носятся в воздухе. Англичанин Оливер Лодж наблюдал электромагнитное излучение в том же году, что и Герц. Однако вместо того, чтобы написать статью, он отправился покорять Альпы, собираясь по возвращении подготовить работу к печати. Но было уже поздно: в Лондоне его поджидало известие о статье Герца. Удивительно, но, похоже, Лодж не слишком тогда расстроился.