4 февраля 1878 года студент-физик Мюнхенской Политехнической школы написал письмо своим родителям. Он сообщил о прочитанной им в лейпцигском научном журнале "Acta eruditorum" за 1684 год статье и выразил свой энтузиазм по поводу огромного научного и математического прогресса, которым было отмечено это время, и с сожалением добавил следующее: "Иногда я сожалею, что не жил в те дни, когда было так много нового; до сих пор многое остается неоткрытым, но я не верю, что сейчас можно найти что-то, что могло бы оказать такое преобразующее влияние на мир, как в те дни, когда телескоп и микроскоп были еще новинками".
Всего восемь лет спустя этот же ученый экспериментально доказал, что электромагнитные колебания определенной частоты можно излучать в пространство и принимать на расстоянии. Благодаря этому революционному открытию стала принципиально возможной беспроводная связь; более того, она положила начало новому этапу развития связи. С этого времени радиоволны стали распространяться по всему земному шару, повышая безопасность воздушного движения и судоходства. Радар стал незаменимой частью транспортных технологий, а радио и телевидение вошли в быт. Всем этим мир обязан открытиям человека по имени Генрих Герц, сыгравшего важную роль в современном преобразовании мира. "Его вклад в преобразование мира несомненен" (Макс фон Лауэ, физик).
Разносторонний талант и отсутствие способностей к музыке
Генрих Рудольф Герц (1857-1894) родился в Гамбурге 22 февраля первенцем в семье уважаемого доктора юриспруденции Густава Фердинанда Герца и его жены Анны Элизабет. Отец Герца, переживший трех своих сыновей и жену, впоследствии стал советником высшего регионального суда, а затем сенатором юстиции Вольного и ганзейского города Гамбурга.
Сын Генрих проявил свои выдающиеся способности еще в детстве: у него были отличная память (он мог наизусть рассказать 100 басен), талант к ручному труду (мастерил мелкие вещи и вытачивал поделки из слоновой кости), художественный талант (однажды семейный врач, обнаружив в доме множество вылепленных из глины предметов, спросил, кто в доме Микеланджело), необыкновенный лингвистический талант (ребенок выучил английский, французский, латынь, греческий и арабский языки), а также необыкновенный математический талант.
Однако простой смертный может с облегчением для себя узнать, что в этом почти невероятном наборе талантов был как минимум один провал: Герц был абсолютно немузыкален. Симфония, передаваемая по радио в стереофоническом режиме, вероятно, не произвела бы на него особого впечатления, хотя именно благодаря его открытиям это стало возможным.
С 1863 по март 1872 года Генрих Герц посещал частную среднюю школу, а затем два года получал частное образование для подготовки к старшей ступени гуманистической гимназии. Он не всегда был лучшим учеником в классе, но его учителя свидетельствовали о его больших знаниях. В 1875 году Генрих сдал экзамен на аттестат зрелости в престижной школе Иоганнеум.
Незадолго до экзамена восемнадцатилетний юноша написал в curriculum vitae (резюме): "Я намерен, если мне удастся сдать экзамен на аттестат зрелости, поехать во Франкфурт-на-Майне и проработать там год у прусского мастера-строителя, что является условием для последующих государственных экзаменов; только в том случае, если я окажусь непригодным для этой профессии или если моя склонность к естественным наукам усилится, я посвящу себя чистой науке. Пусть Бог позаботится о том, чтобы я занялся тем, к чему я наиболее способен". Свое обещание Генрих выполнил.
От строительства к науке
Прежде всего, Генрих Герц поставил перед собой цель стать инженером-строителем и предпринял соответствующие шаги. В течение девяти месяцев, до декабря 1875 года, он работал в строительной конторе во Франкфурте-на-Майне, а затем поступил в Политехникум в Дрездене, где учился до весны следующего года.
Далее последовал год добровольной службы в недавно основанном 1-м гвардейском железнодорожном полку. Тем временем Герц начал сомневаться в правильности своего выбора профессии, хотя научная карьера и казалась ему слишком амбициозной. В адрес талантливых молодых людей, таких как Герц, Макс фон Лауэ заметил: "Такие молодые люди хорошо представляют себе трудности, которые нужно преодолеть, но не осознают своих сильных сторон".
Окончательное решение было принято в Мюнхене в октябре 1877 года. 1 ноября Герц написал в письме к родителям: "Вас может удивить, что это письмо так быстро следует за предыдущим; я не думал, что напишу снова так скоро, но на этот раз речь идет о важном деле, которое нельзя откладывать надолго. Это постыдное признание для меня, но я вынужден сознаться, что хочу в последний момент изменить свою карьеру и начать изучать естественные науки".
Отец Генриха одобрил решение своего сына без лишних вопросов и возражений. Генрих Герц поступил в Мюнхенскую политехническую школу в зимнем семестре 1877/78 года для изучения физики. В октябре 1878 года он поступил в Берлинский университет имени Гумбольда, привлеченный славой двух ученых - Густава Роберта Кирхгофа и Германа Людвига Фердинанда фон Гельмгольца.
Конкурсный вопрос: обладает ли электричество инерционной массой?
Проучившись всего два семестра в Мюнхене, в течение которых он в основном изучал труды великих классиков физики и математики, Генрих Герц уже настолько глубоко освоился в теме, что без колебаний принял вызов на премию философского факультета Берлинского университета. Главный приз предназначался тому, кто сможет экспериментально определить, имеет ли движущийся в проводнике электрический заряд инерционную массу (или вес, по бытовым понятиям).
Сегодня, конечно, мы знаем, что по проводнику, при прохождении по нему электрического тока, перемещаются электроны, обладающие (хотя и мельчайшей) инерционной массой, но в то время механизм прохождения электрического тока был еще совершенно неизвестен, и электрон еще не был открыт. Герц решил эту проблему, к великому удовлетворению своих преподавателей, даже если полученный им результат сегодня считается устаревшим.
Усердно поработав, Герц после ряда экспериментов продемонстрировал, что если у электрического тока и есть масса, то она невероятно мала. За это достижение Герц получил в августе 1879 года золотую медаль Берлинского университета.
Ему потребовалось всего три месяца на решение проблемы. 4 августа 1879 года он с гордостью сообщил своим родителям: "Я не только получил премию, но вердикт факультета был настолько хвалебным, что почти удвоил стоимость премии". Настолько же быстро Герц завершил написание своей обширной докторской диссертации "Об индукции во вращающихся сферах". Учитель, друг и наставник Герца Герман Гельмгольц высоко оценил труд своего ученика как похвальный образец проницательности и эрудиции.
Карьера Герца продолжалась головокружительными темпами. Даже чиновники министерства пошли на нарушение порядка и после 5 дней рассмотрения одобрили просьбу Герца разрешить ему сдавать докторский экзамен после учебы в течение всего 4 семестров. 5 февраля 1880 года он получил докторскую степень с редким отличием "magna cum laude" (весьма похвально).
После двух с половиной лет работы ассистентом Гельмгольца в Берлине и написания 14 научных работ, в мае 1883 года Генрих защитил диссертацию о тлеющих разрядах и приступил к работе в качестве приват-доцента по курсу математической физики в Кильском университете. Но в Киле обязательные теоретические лекции не вписывались в его планы, поскольку у него было мало возможностей для постановки экспериментов.
Никаких искр и странная реакция
Генриху Герцу не исполнилось еще и двадцати восьми лет, но он чувствовал себя в Киле на обочине жизни. Тем не менее, он был накануне великих событий, в поле его зрения начали появляться электромагнитные волны. В 1884 году вышла работа Герца "О соотношениях между основными уравнениями электромагнетизма Максвелла и основными уравнениями, противополагаемыми электромагнетизму", где он выступил как решительный противник принципа дальнодействия.
Своим "спасением" он посчитал то, что зимой 1884 года получил назначение на должность полного профессора физики в Техническом университете Карлсруэ. В Карлсруэ он заполучил в свое полное распоряжение институт с возможностью постановки экспериментов, но его радость была вновь омрачена тем прискорбным обстоятельством, что ему пришлось читать лекции.
Открытие электромагнитных волн произошло совершенно случайно. Во время одного из своих многочисленных экспериментов с электрическими разрядами Герц заметил, что маленькие искры, или "вторичные искры", проскакивают по катушке, лежащей вблизи места проведения эксперимента, что, по-видимому, указывало на присутствие электромагнитных волн.
Это наблюдение вызвало у Герца "странную реакцию", как впоследствии шептались его коллеги. Герц отменил лекции, повесил на дверь записку о том, что его не будет в течение двух недель, и начал лихорадочно более детально исследовать обнаруженный побочный эффект. В ноябре 1886 года он смог обнаружить тот же эффект на расстоянии 1,5 м. 5 декабря 1886 года он сообщил об этом своему учителю Гельмгольцу:
"Толстый прямой медный провод длиной три метра оснащен на концах двумя шариками диаметром 30 сантиметров или двумя проводниками аналогичного размера. В середине провода разрыв искровым промежутком в три четверти сантиметра между маленькими латунными шариками. Между шариками от большого индуктора пропускаются электрические искры, возбуждая тем самым электрические колебания, что, разумеется, оказалось совершенно неожиданным; колебания определяются характеристиками прямолинейной цепи, и начинают оказывать относительно сильное индуцирующее воздействие на окружающую среду".
Первые в мире передатчик и приемник
Таким образом, проводник с разрывом и искрообразованием в нем представлял собой передатчик, согласно сегодняшним понятиям. Теперь не хватало только устройства, с помощью которого можно было бы продемонстрировать эффект "электрических колебаний" - приемника. Герц также сообщил об этом Гельмгольцу:
"В простом четырехугольном проводнике с длиной стороны 75 сантиметров из толстой медной проволоки, в котором был только короткий искровой промежуток, я все еще получал искры на расстоянии двух метров. Однако разные контуры ведут себя по-разному, и мне удалось, как я полагаю, доказать здесь явление резонанса; эти два контура можно настроить путем подбора на максимальный эффект, хотя время колебаний составляет всего одну стомиллионную долю секунды". Герц имел в виду настройку передатчика и приемника на одну частоту, которая в настоящее время осуществляется в радиоприемнике посредством конденсатора переменной емкости.
Дальнейшие эксперименты дали дали еще более поразительные результаты. Если Герц помещал между передатчиком и приемником металлический лист, искры пропадали. Однако при помещении между ними изолятора, например, непроводящего электрический ток листа стекла, искры вновь проскакивали. Герц увеличивал расстояние между передатчиком и приемником до тех пор, пока предел расстоянию не поставило помещение длиной 15 м.
В марте 1888 года Герц прикрепил к одной из торцевых стен комнаты лист цинка площадью 8 кв. м, который послужил зеркалом для "лучей электрической силы". С помощью проволочного резонатора ему удалось обнаружить узлы и пучности стоячих волн, которые создавались путем наложения излучаемой волны на возвращающуюся отраженную волну. Длину своих волн Герц определил в 9,6 м по расстоянию между узлами и пучностями.
Световые лучи с очень большой длиной волны?
Основными свойствами видимого света, как было признано наукой, являются прямолинейное распространение, отражение, преломление и поляризация. Наличие именно этих свойств Герц должен был доказать у обнаруженных им волн, чтобы подтвердить электромагнитную теорию света Максвелла. В ноябре и декабре 1888 года состоялись те всемирно известные и бессмертные эксперименты, которые длились менее четырех недель, и которые Герц описал в своей работе "О лучах электрической силы".
Прежде всего, Герц должен был определить, могут ли волны, испускаемые передатчиком, распространяться во всех направлениях. 20 ноября 1888 года он заказал параболическое вогнутое зеркало в форме открытого цилиндра, основанное на модели из оптики, в фокальной линии которого был установлен небольшой излучатель с длиной волны 66 см. Через четыре дня он встроил свой приемник во второе, точно такое же вогнутое зеркало. И тогда начались гениальные эксперименты, кульминацией которых стал очень осторожно сформулированный Герцем результат о том, что лучи электрической силы "возможно, также можно описать как световые лучи с очень большой длиной волны".
В деталях, в качестве доказательства прямолинейного распространения электромагнитных волн были получены следующие результаты: путь волны между вогнутыми зеркалами мог быть прерван металлическим экраном или отражателем: стенка из цинкового листа приводила к появлению стоячих волн.
Были получены также доказательства преломления волн: с помощью 600-килограммовой призмы из твердой смолы Герц смог доказать изменение направления распространения своих волн; и, наконец, поляризации: Если два вогнутых зеркала располагались напротив друг друга так, что фокальные линии были параллельны друг другу, в зеркале приемника появлялась вторичная искра; если же Герц поворачивал параболический цилиндр приемника в той же плоскости так, что фокальные линии пересекались под углом 90°, искры пропадали; волны, таким образом, были поляризованы в определенной плоскости колебаний.
Это фактически устранило все сомнения в том, что электромагнитные волны и свет отличаются только длиной волны. Но осенью 1889 года Герц выступил на Гейдельбергском собрании исследователей природы как "адвокат дьявола", и потребовал доказательств электромагнитных свойств света - доказательств, которые он сам уже давно предоставил.
Всемирное признание и ранняя смерть
Сенсационные исследования принесли Генриху Герцу множество медалей, призов и предложений, а также членство в 7 академиях. Из множества предложений на Пасху 1889 года он выбрал Боннский университет. Макс фон Лауэ писал о своем пребывании в качестве физика-экспериментатора в городе на Рейне: "На первый план в Бонне вышли теоретические исследования. Вышеупомянутые двусмысленности в основной работе Максвелла, как бы ничтожны они ни были в сравнении с целым, они, тем не менее, предоставляли оппонентам позиции для атаки. В 1890 году Герц в классической работе предельной краткости и ясности "Основные уравнения электродинамики тел, находящихся в состоянии покоя" придал электродинамике настолько архитектурно-чудесную форму, что Больцман с изумлением признался: С тех пор каждый физик, когда его спрашивают о сути теории Максвелла, отвечает словами Герца: "Эта теория - система уравнений Максвелла". Только физик может с таким ликующим энтузиазмом говорить о математических формулах.
Герцу было 34 года, когда он начал работу над своей книгой "Принципы механики, представленные в новой форме" объемом около 300 страниц. Он не дожил до ее публикации. Герц начал страдать от мучительной болезни, при этом Гельмгольц подозревал коварное, неудержимо прогрессирующее заболевание костей, лечащий же рач полагал, что это туберкулез.
7 декабря 1893 года великий ученый прочитал свою последнюю лекцию. Через два дня человек с голубыми глазами и рыжеватой, коротко подстриженной бородой написал своим родителям: "Если со мной действительно что-то случится, вы не должны горевать; можете гордиться и думать, что я принадлежу к избранным, которые живут недолго, но вполне достаточно. Я не желал и не выбирал этой судьбы, но раз она меня встретила, я должен быть доволен; и если бы мне был предоставлен выбор, я бы сам выбрал ее".
Генрих Рудольф Герц умер в Бонне 1 января 1894 года в возрасте 37 лет. Книга была опубликована посмертно в том же, 1994 году.
Статьи из цикла "История радио"
519. История радио-01. Секрет невидимых лучей
521. История радио-02. Первооткрыватель электромагнитных колебаний: Генрих Герц
522. История радио-03. Эпоха когерера: Бранли, Лодж, Риги, Тесла, Попов, Шнайдер