Как Генрих Герц научился передавать электромагнитные волны.
Интернет, радио, телевидение, мобильные телефоны — сегодня мы купаемся в океанах искусственных электромагнитных волн самых разных длин, но так было не всегда. Еще полтора века назад люди верили, что электрические силы мгновенно передаются через пространство без посредников, и не имели никаких идей, как управлять этими процессами. Но все поменялось с опытами немецкого физика Генриха Герца.
Герц жил сразу в двух мирах. С одной стороны — идеальный физик-теоретик, способный на кончике пера строить сложнейшие математические рассуждения. А с другой — талантливый и смелый экспериментатор, лишенный побочных особенностей теоретиков (про великого Льва Ландау рассказывают, что он не умел забить гвоздь в стену и мог не найти обед, оставленный женой в холодильнике) и способный из подручного сора собирать приборы для проверки и воплощения в жизнь абстрактной математики.
Возможно, из-за этой природной разносторонности Герц пришел в физику не сразу. Впечатленный воскресными занятиями в школе искусств и ремесел, на которых изучали черчение, а также столярное и слесарное дело, Герц отказался от прочной семейной карьеры юриста (отец Герца был известным адвокатом) и в 1875 году поступил учиться на инженера в высшее технического училище Дрездена.
Спустя два года он понял, что все равно ошибся с выбором профессии, и отправил родителям письмо со словами: «Раньше я часто говорил себе, что быть посредственным инженером для меня предпочтительнее, чем посредственным ученым. А теперь думаю, что Шиллер прав, сказав: «Кто трусит рисковать жизнью, тот не добьется в ней успеха». Родители поддержали сына, и Герц перевелся в мюнхенский университет, где стал изучать физику. Компромиссная карьера инженера и тем более надежная судьба юриста остались в прошлом.
Генрих Герц. Фото: Lenard, Grosse Naturforscher, 1930 / Wellcome Library, London
После окончания университета Герц устраивается работать ассистентом в берлинскую лабораторию известного немецкого физика Гельмгольца, и дальше его карьера ускоряется невероятными темпами. Герц за несколько месяцев решает несколько задач, доверенных ему руководителем, и уже 5 февраля 1880 года получает докторскую степень. В его диссертации более ста страниц сложнейших математических выкладок, и следующие пять лет Герц продолжит заниматься теоретической физикой — сначала в Берлине, потом в Кильском университете, где он получит должность доцента.
Однако это время ученому сложно занести в актив. Герц снова мучается мыслями о неправильном выборе пути, сомневается в своих теоретических результатах, которые кажутся ему случайными успехами на бумаге, и ходит от одной темы к другой. Пятилетка застоя продолжается до 1885 года, когда Герц становится профессором в Карлсруэ и получает полную свободу действий. Он решает проверить теорию электромагнитных волн, сформулированную еще в 1873 году Джеймсом Клерком Максвеллом.
Искра мысли.
Сегодня уравнения Максвелла, описывающие, как заряды и токи порождают электромагнитные поля, должен знать любой физик, продвинувшийся дальше первых курсов университета, но 130 лет назад все было по-другому. Физикой правила концепция дальнодействия, по которой тела могли мгновенно взаимодействовать друг с другом прямо через пустоту, и потому электромагнитные волны, напрямую вытекающие из уравнений Максвелла и распространяющиеся сквозь пространство только с конечной скоростью, очень смущали ученых, в том числе и самого Герца, который в свою бесплодную пятилетку безуспешно пытался найти слабости теории Максвелла.
Экспериментальная мысль Герца двинулась другим путем. В подсобке физического кабинета он находит все необходимое, чтобы собрать простое устройство для проверки существования электромагнитных волн. Оно состояло из двух частей — передатчика, который позже назовут «вибратором Герца», и приемника.
Первый вибратор Герца представлял собой два медных стержня диаметром несколько миллиметров, на концах которых было закреплено по одному большому цинковому и одному маленькому латунному шарику. Эти стержни были сонаправлены друг к другу концами с латунными шариками так, что между ними оставался небольшой зазор в несколько миллиметров, а шарики цинковые играли роль конденсаторов. Также к медным стержням вблизи маленьких шариков были подведены обмотки электрической схемы, выдающей переменный ток высокого напряжения.
Резонатор Герца был незамкнутым кольцом диаметром 70 см с точно такими же латунными шариками на концах и таким же зазором. При генерации напряжения в щели вибратора проскакивала искра, и в пространство излучались электромагнитные волны, которые доходили до удаленного резонатора, чтобы выбить искру уже там и возбудить электрические колебания.
Схематическое изображение резонатора Герца (слева) и вибратора Герца (справа)
Дальше Герц подбирал размеры резонатора, стержней, шариков и зазоров между ними и тем постепенно улучшал систему: сонастраивал колебательные контуры вибратора и резонатора, повышал частоту возбужденного тока. Однако сначала реакция ученого на свои результаты была сдержанной: Герц начал опыты в конце октября 1886 года, а в ноябре аккуратно писал у себя в дневнике: «Мне посчастливилось установить индукционное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током». Ни о каких электромагнитных волнах и тем более верности теории Максвелла речи тогда еще не шло.
Следующие эксперименты заставили Герца пересмотреть свои взгляды: постепенно он обнаружил, что эта загадочная субстанция, передающая электрические колебания, ведет себя так же, как свет. Ученый добавлял в систему экраны, зеркала и решетки и сталкивался с уже известными в оптике явлениями вроде преломления или интерференции. Когда же ему удалось посчитать скорость распространения электрического возбуждения от вибратора к резонатору, совпавшую со скоростью света, Герцу ничего не оставалось, кроме как отвергнуть прошлые убеждения — поступок мучительно героический и характеризующий его как ученого лучше самой сложной математики и прекрасного практического ума.
В результате в докладе на съезде немецких естествоиспытателей в 1889 Герц подводит итог экспериментов следующими словами: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла… Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».
Три года упорных экспериментов (масштабы времени, абсолютно крошечные в науке, особенно современной) не только перевернули представления о дальнодействии электромагнетизма, но и подкосили здоровье самого Герца. В 1892 году у него диагностируют заражение крови, а в 1894 году физик умирает в возрасте 37 лет. Год спустя, 7 мая 1895 года, Александр Попов показывает свой первый прототип радио — устройства, родившегося из тусклых искр в экспериментах Герца и научившего людей по всему миру мгновенно общаться друг с другом посредством электромагнитных волн.
Источник: http://chrdk.ru/sci/happy_birthday_hertz