Создание Дж. Максвеллом теории электромагнитного поля явилось важнейшим событием в истории физики. Однако признание этой теории пришло далеко не сразу. Еще практически в течение двадцати лет физики обсуждали альтернативные подходы к описанию электромагнитных явлений. Решающую роль в подтверждении справедливости полевых представлений Фарадея – Максвелла сыграли опыты немецкого физика Г. Герца, в которых были получены и исследованы электромагнитные волны, существование которых предсказал Максвелл.
Г
енрих Рудольф Герц (1857-1894) родился 22 февраля в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позднее сенатором. Учился Герц прекрасно и был непревзойденным по сообразительности учеником. Он любил все предметы, любил писать стихи и работать на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.
В 1875 г. после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а затем Мюнхенское высшее техническое училище. Дело шло хорошо до тех пор, пока изучались предметы общего характера. Но как только началась специализация, Герц изменил свое решение. Он не желает быть узким специалистом, он рвется к научной работе и поступает в Берлинский университет. Герцу повезло: его непосредственным наставником оказался Гельмгольц. Хотя знаменитый физик был приверженцем теории дальнодействия, но как истинный ученый он безоговорочно признавал, что идеи Фарадея - Максвелла о близкодействии и физическом поле дают прекрасное согласие с экспериментом.
Попав в Берлинский университет, 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 электрический ток кинетической энергией? Гельмгольц хотел направить силы Герца в область электродинамики, считая ее наиболее запутанной.
Герц принимается за решение поставленной задачи, рассчитанное на 9 месяцев. Он сам изготовляет приборы и отлаживает их. При работе над первой проблемой сразу же выявились заложенные в Герце черты исследователя: упорство, редкое трудолюбие и искусство экспериментатора. Задача была решена за три месяца. Результат, как и ожидалось, был отрицательным. (Сейчас нам ясно, что электрический ток, представляющий собой направленное движение электрических зарядов (электронов, ионов), обладает кинетической энергией. Для того чтобы Герц мог обнаружить это, надо было повысить точность его эксперимента в тысячи раз.) Полученный результат совпадал 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 познее. Работа Герца была удостоена премии.
Вернувшись после летних каникул 1879 г., Герц добился разрешения работать над другой темой: “Об индукции во вращающихся телах”, взятой в качестве докторской диссертации. Это была теоретическая работа. Он предполагал завершить ее за 2-3 месяца, защитить и получить поскорее звание доктора, хотя университет еще не был закончен. Работая с большим подъемом и воодушевлением, Герц быстро закончил исследование. Защита прошла успешно, и ему присудили степень доктора с “отличием”- явление исключительно редкое, тем более для студента.
С 1883 по 1885 г. Герц заведовал кафедрой теоретической физики в провинциальном городке Киле, где совсем не было физической лаборатории. Герц решил заниматься здесь теоретическими вопросами. Он корректирует систему уравнения электродинамики одного из ярких представителей дальнодействия Неймана. В результате этой работы Герц написал свою систему уравнений, из которой легко получались уравнения Максвелла. Герц разочарован, ведь он пытался доказать универсальность электродинамических теорий представителей дальнодействия, а не теории Максвелла. “Данный вывод нельзя считать точным доказательством максвелловской системы как единственно возможной”, - делает он для себя, по существу, успокаивающий вывод.
В 1885 г. Герц принимает приглашение технической школы в Карлсруэ, где будут проведены его знаменитые опыты по распространению электрической силы. Еще в 1879 г. Берлинская академия наук поставила задачу: ”Показать экспериментально наличие какой-нибудь связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией диэлектриков”. Предварительные подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект будет очень мал даже при самых благоприятных условиях. Поэтому, видимо, он и отказался от этой работы осенью 1879 г. Однако он не переставал думать о возможных путях ее решения и пришел к выводу, что для этого нужны высокочастотные электрические колебания.
Герц тщательно изучил все, что было известно к этому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в экспериментальном планах. Найдя в физическом кабинете технической школы пару индукционных катушек и проводя с ними лекционные демонстрации, Герц обнаружил, что с их помощью можно было получить быстрые электрические колебания с периодом 10 в минус восьмой степени. В результате экспериментов Герц создал не только высокочастотный генератор (источник высокочастотных колебаний), но и резонатор - приемник этих колебаний.
Генератор Герца состоял из индукционной катушки и присоедененных к ней проводов, образующих разрядный прмежуток, резонатор – из провода прямоугольной формы и двух шариков на его концах, образующих также разрядный промежуток. В результате проведенных опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивает искра), то в разрядном промежутке резонатора, удаленном от генератора даже на 3 м, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникла без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Каков же механизм ее передачи? Или это электрическая индукция, согласно теории Гельмгольца, или электромагнитная волна, согласно теории Максвелла? В 1887 г. Герц пока ничего еще не говорит об электромагнитных волнах, хотя он уже заметил, что влияние генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой резонатора).
Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приемника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будут ли они вести себя,как свет? И Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и приломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогию со световыми. Все это было изложено в работе “О лучах электрической силы”, вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считался годом открытия электромагнитных волн и эксперементального подтверждения теории Максвелла. В 1889 г., выступая на съезде немецких естествоипытателей, Герц говорил: “Все эти опыты очень просты в принципе, 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”.
Напряженная работа Герца не прошла безнаказанно для его и без того слабого здоровья. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Вскоре началось общее заражение крови, от которого и скончался знаменитый уже в свои 37 лет ученый Генрих Герц.
Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Если Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны, ставшие ему вечным памятником. Мы помним Г.Герца, когда слушаем радио, смотрим телевизор, когда радуемся сообщению ТАСС о новых запусках космических кораблей,с которыми поддерживается устойчивая связь с помощью радиоволн. И не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С. Поповым по первой беспроволочной связи, были: “Генрих Герц”.
|
