Генрих Герц

Генрих Герц — немецкий физик, экспериментально подтвердивший существование электромагнитных волн, предсказанных теорией Джеймса Клерка Максвелла. Его работы легли в основу современной радиотехники и электроники. В честь учёного названа единица измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) — герц (Гц).

Биография

Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857 года в Гамбурге в семье адвоката и сенатора Густава Герца и Анны Герц (в девичестве Пфейфер). Его дед по отцовской линии, Заломон Герц, был еврейского происхождения и принял христианство. Герц с детства проявлял способности к языкам и наукам, однако первоначально выбрал инженерную карьеру.

В 1875 году он поступил в Дрезденский технический университет, но быстро перевёлся в Высшую техническую школу Мюнхена. Через год Герц осознал, что его истинный интерес лежит в области чистой науки, и оставил инженерное дело ради физики. Он поступил в Берлинский университет, где его наставниками были знаменитые физики Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф.

В 1880 году Герц защитил докторскую диссертацию по теме «Об индукции во вращающихся телах» и получил звание доктора философии. После защиты он работал в качестве ассистента Гельмгольца в Физическом институте Берлинского университета. В 1883 году Герц занял должность приват-доцента в Кильском университете, а в 1885 году стал профессором экспериментальной физики в Техническом университете Карлсруэ.

В Карлсруэ Герц провёл свои наиболее значимые эксперименты, принесшие ему мировую известность. В 1889 году он был назначен профессором физики в Боннском университете. В 1892 году у Герца диагностировали болезнь Вейгерта-Митчелла (системный васкулит). Его здоровье быстро ухудшалось, и 1 января 1894 года в возрасте 36 лет Генрих Герц скончался в Бонне. Он был похоронен на кладбище Ольсдорф в Гамбурге.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла

Главное достижение Герца — экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн. В 1860-х годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл теоретически предсказал, что переменные электрические и магнитные поля могут распространяться в пространстве в виде волн со скоростью света. Однако классические опыты того времени не позволяли надёжно зафиксировать эти волны.

Генератор и приёмник Герца

В 1887 году Герц сконструировал прибор, ставший фактически первым в мире передатчиком и приёмником электромагнитных волн. Генератором служил вибратор Герца — два металлических стержня с небольшим искровым промежутком между ними, подключённых к катушке Румкорфа (источнику высокого напряжения). Когда напряжение достигало пробойной величины, в промежутке проскакивала искра. В замкнутой цепи возникали быстрозатухающие электрические колебания высокой частоты (порядка десятков мегагерц). Вибратор излучал электромагнитные волны.

Приёмником, или резонатором, служил разомкнутый медный прямоугольник с таким же микроскопическим искровым промежутком. Приёмник настраивался на частоту передатчика (явление резонанса). Когда приёмник находился на некотором расстоянии от вибратора, в его зазоре проскакивала слабая искра, что однозначно свидетельствовало о распространении электромагнитного поля в пространстве.

Отражение, преломление и поляризация

В последующих экспериментах, проведённых в 1888–1889 годах, Герц продемонстрировал, что электромагнитные волны ведут себя как свет. Он добился отражения волн от листового металла (металлического зеркала), преломления в большой призме из асфальта (парафина), а также установил возможность их поляризации с помощью металлической решётки. Герц измерил скорость распространения электромагнитных волн с помощью стоячих волн, сформированных отражением от стены. Полученное значение (приблизительно 300 000 км/с) совпало с известной скоростью света. Этот факт подтвердил предположение Максвелла о том, что свет — это частный случай электромагнитных волн.

Результаты опытов Герца были опубликованы в 1888 году в статье «О лучах электрической силы» и вызвали огромный резонанс в научном мире. Они окончательно утвердили электромагнитную теорию света и фактически открыли эру радиосвязи.

Фотоэлектрический эффект

В ходе экспериментов с искрой Герц сделал ещё одно важное наблюдение: наличие ультрафиолетового излучения от основного разрядника облегчает проскакивание искры в приёмнике. Это явление стало известно как фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Герц ограничился лишь констатацией факта и не стал исследовать его природу. Впоследствии это явление подробно изучил Филипп Ленард, а теоретическое объяснение дал Альберт Эйнштейн, получивший за это Нобелевскую премию по физике в 1921 году.

Вклад в механику и другие работы

Помимо электродинамики, Герц внёс значительный вклад в классическую механику. Его книга «Принципы механики, изложенные в новой связи» (1894, издана посмертно) представляет собой попытку переформулировать законы механики на основе единого вариационного принципа. Герц выдвинул концепцию «скрытых движений» и связей, стремясь свести всё многообразие сил к геометрическим связям между массами.

К другим работам Герца относятся:

• Исследование твёрдости тел (знаменитые пробы на твёрдость по Герцу, используемые для определения контактной прочности материалов).
• Эксперименты с катодными лучами (скептически относился к их корпускулярной природе).
• Эксперименты по проницаемости различных материалов для электромагнитных волн.

Наследие и значение

Работы Генриха Герца имели огромное практическое и теоретическое значение. Они не только подтвердили фундаментальную теорию Максвелла, но и создали основу для:

• Радиосвязи: Уже в 1895 году Александр Попов и Гульельмо Маркони, используя открытия Герца, создали первые системы передачи сигналов без проводов.
• Радиолокации, телевидения и беспроводных технологий.
• Единицы измерения частоты: В 1930 году на Международной электротехнической комиссии было принято решение назвать единицу частоты «герц».

В немецком городе Карлсруэ стоит памятник Герцу, а в здании бывшего физического института открыт музей. Имя учёного носят кратер на обратной стороне Луны и астероид 1676 Kariba.

Интересные факты

• Герц был глубоко порядочным и скромным человеком. На пике своей славы он писал родителям: «Мои опыты не имеют никакого практического применения. Это всего лишь лабораторная демонстрация».
• Он отклонил несколько выгодных предложений от промышленных компаний, предпочитая чистую науку.
• Племянник Герца, Густав Людвиг Герц, также стал выдающимся физиком и лауреатом Нобелевской премии (1925 год, за опыты по неупругому рассеянию электронов на атомах).

Примечания

• Хотя Герц не создал практического устройства для радиосвязи, его работы были признаны патентным ведомством США при рассмотрении приоритета Маркони.
• Последние годы жизни Герца, омрачённые тяжёлой болезнью, он продолжал активно работать и диктовал свои «Принципы механики», будучи практически прикованным к постели.

Источники

• Генрих Герц. Собрание сочинений (в 3 томах).
• Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1982.
• Дягилев Ф. М. Из истории физики и жизни её творцов. — М.: Просвещение, 1986.
• Бекман Я. Генрих Герц: жизнь и наука. Биографический очерк.