Генрих Рудольф Герц

Герц Генрих Рудольф (1857-1894), немецкий физик, один из основоположников электродинамики. Экспериментально доказал (1886-89) существование электромагнитных волн (используя вибратор Герца) и установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Придал уравнениям Максвелла симметричную форму. Открыл внешний фотоэффект (1887). Построил механику, свободную от понятия силы.

Колебания при выборе пути

Генрих Герц родился в семье юриста, позже ставшего сенатором города Гамбурга. Мальчик родился слабеньким, так что были даже, к счастью, не оправдавшиеся, опасения за его жизнь. Он рос послушным, прилежным и любознательным, у него была прекрасная память, что, в частности, позволяло ему с легкостью изучать иностранные языки (включая даже арабский). Его любимыми авторами были Гомер и Данте. И еще одно: по многочисленным его письмам к родителям видно, какая духовная близость соединяла его с ними.

Кроме общеобразовательной школы, юный Генрих по воскресеньям посещал и школу искусств и ремесел. Там изучалось черчение, а также столярное и слесарное дело. Когда Герц уже стал знаменитым ученым, его бывший преподаватель токарного дела, говорил: «Жаль, из него вышел бы прекрасный токарь». Все это впоследствии весьма пригодилось Герцу, когда он создавал свои экспериментальные установки. Первые попытки конструировать физические приборы относятся еще к его школьным годам.

По всему можно было понять, что мальчик тянется к науке. Но ему казалось, что она требует от человека каких-то исключительных данных, и он сомневался, что обладает достаточными для научной работы способностями. Поэтому, получив аттестат зрелости, Герц, которого привлекала и техника, решил выбрать путь инженера. Поехав вначале в Дрезден, а затем в Мюнхен, он поступил там в политехникум, окончив который даже принял участие в постройке моста.

Но этот выбор оказался не окончательным. Тяга к науке становилась все сильнее и победила все колебания. В ноябре 1877 он писал родителям: «Раньше я часто говорил себе, что... быть посредственным инженером для меня предпочтительней, чем посредственным ученым. Но теперь я думаю, что прав Шиллер, сказавший: «кто трусит жизнью рисковать, тому успеха в ней не знать», и что излишняя осторожность была бы с моей стороны безумием». Родители поняли и поддержали его решение, и весной 1878 Генрих Герц приехал в Берлин и поступил там в университет.

В Берлине произошла встреча Генриха Герца с замечательным ученым и человеком, выдающимся естествоиспытателем того времени, Г. Гельмгольцем. Гельмгольц, под руководством которого Герц начал работать в практикуме, впоследствии вспоминал: «Уже из знакомства с его элементарными работами я убедился, что имею дело с человеком, одаренным действительно выдающимися способностями. В конце лета мне пришлось предложить студентам тему для научной работы. Я остановился на области электродинамики, так как я был уверен, что Герц заинтересуется этой темой, и работа его будет плодотворной. Действительность оправдала мое предположение». Позже Гельмгольц даже называл Герца «любимцем богов».

В то время еще не сформировалось ясное представление о физической природе электрического и магнитного полей. Имело распространение мнение, что существуют некие связанные с ними «флюиды», обладающие, подобно всем известным средам, массой, а, значит, и инерцией. Если в проводнике либо возникает, либо прекращается электрический ток, эта инерция должна была бы обнаружиться, и Герц имел целью исследовать это экспериментально.

Теперь, когда мы знаем, что электрический ток в проводниках обусловлен дрейфом электронов, становится понятным, что опыты Герца не могли обнаружить искомого эффекта инерции. Несмотря на то, что результаты опытов были, фактически, отрицательными, работа была оценена очень высоко и в 1879 отмечена призом университета. Вскоре началась новая серия экспериментов, которые можно считать продолжением предыдущих — но только теперь делалась попытка обнаружить «электрическую инерцию» во вращающихся проводящих шарах. Эта работа (удивительно, но она велась с такой интенсивностью, что на нее потребовалось всего около двух месяцев!) также получила высокую оценку, и 5 февраля 1889 года 23-летний Герц защитил на ее основе докторскую диссертацию («с отличием», как было особо отмечено). Диссертация была в значительной ее части теоретической — автор продемонстрировал блестящее владение математическим аппаратом. Генрих Герц был не только гениальным экспериментатором, но и теоретиком и математиком высочайшего класса. Поэтому не вызывает большого удивления его переключение на новую тематику — на теорию упругости. Если уж удивляться, то, пожалуй, только тому, что великолепное техническое оснащение лабораторий в Берлинском университете, которое вначале так восхитило Герца, почти не было использовано им. Возможно, сказалось переутомление и некоторая неудовлетворенность работой, которая была посвящена исследованию остаточной электрической поляризации в жидких диэлектриках, а также разрядов в газах. Для последнего Герц почти два месяца трудился над созданием электрической батареи из 1000 элементов, которая, проработав весьма недолго, вышла из строя.

Вскоре, в том же 1882 он неожиданно, как может показаться, переключился на решение задач из области теории упругости. В их числе — о прогибе нагружаемой различным образом упругой плиты (эта задача, возможно, заинтересовала Герца, когда он наблюдал ледоход).

Технические условия работы в Киле были значительно хуже, чем в Берлине, но здесь ему была предложена должность приват-доцента. Через три года, в начале 1885, Герц стал профессором Высшей технической школы в Карлсруэ. Через полгода после переезда туда он женился на Елизавете Долль, и, возможно, это было одной из важных причин окончания периода депрессии.

Теория Максвелла и эксперименты Герца

1873 год занимает в истории физики особое, исключительное место. В этом году появился гениальный «Трактат об электричестве и магнетизме» Максвелла. Тогда лишь немногие осознали, что наступила новая эра в науке об электричестве и магнетизме, а, наверное, и во всей физике. Завершилось формирование современной классической электродинамики, начало которому положили труды Майкла Фарадея, о котором Максвелл говорил: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, пронизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде». В этих словах — стержень того, что отличает концепцию близкодействия, т. е. взаимодействия через посредство поля, от господствовавших ранее (в духе традиции, заложенной законом всемирного тяготения Ньютона) представлений о дальнодействии — мгновенном непосредственными действии на расстоянии. Максвелл писал, что он лишь придал идеям Фарадея математическую форму. В действительности, конечно, вклад Максвелла был значительно весомее, но оценено это было не сразу. И одним из важных пунктов был вопрос об электромагнитных волнах. Из теории Максвелла вытекало, что электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью. Уже это само по себе приводило к выводу, что оно может «отрываться» от порождающих его источников — зарядов и токов, т. е. излучаться, разлетаться в виде волн. Замечательно, что еще в 1832 Фарадей передал в Лондонское Королевское общество запечатанное письмо, прочитанное лишь через 100 лет, в котором были следующие слова: «Я пришел к заключению, что на распространение магнитного взаимодействия требуется время, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания на взволнованной водной поверхности ...». Максвеллу принадлежит гениальная догадка, что свет также имеет электромагнитную природу, что это — частный случай электромагнитных волн. И в 1886-88 Герц осуществил свои эксперименты, доказавшие реальность электромагнитных волн. Аппаратура, которой пользовался Герц, может показаться теперь более чем простой, но тем замечательнее полученные им результаты. Источниками электромагнитного излучения у него были искры в разрядниках. Электромагнитные волны от разрядников вызывали искровые разряды между шариками в «приемниках», расположенных в нескольких метрах контурах, настроенных в резонанс. Герцу удалось не только обнаружить волны, в том числе, и стоячие, но и исследовать скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию. Все это очень напоминало оптику, с тем только (весьма существенным!) отличием, что длины волн были почти в миллиард раз больше.

Опыты Герца сыграли существенную роль в становлении современной электродинамики. Но не зря говорят: «Нет ничего более практичного, чем хорошая теория!». Повторять сегодня, когда электромагнитные волны буквально пронизывают все, что работы Герца оказали на всю жизнь человечества колоссальное влияние, было бы излишне, но эти работы получали высокие оценки и его современников. В 1889 Итальянское общество наук в Неаполе наградило его медалью имени Маттеучи, Парижская академия наук — премией Лаказа, а Венская императорская академия — премией Баумгартнера. Через год Лондонское королевское общество награждает Герца медалью Румфорда, а в 1861 Королевская академия в Турине — премией Бресса. Прусское правительство награждает его орденом Короны, Берлинская, Мюнхенская, Венская, Римская, Геттингенская и др. академии избирают его своим членом-корреспондентом. В его честь названа единица частоты (герц, Гц). 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. Память о Генрихе Герце осталась не только как о великом экспериментаторе, но и как о глубоком теоретике. В развитие теории Максвелла Герц придал уравнениям электродинамики симметричную форму, которая показывает взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями. Работы Герца по электродинамике сыграли огромную роль в развитии науки и техники. Его труды обусловили возникновение беспроволочного телеграфа, радио и телевидения.

Последние годы

В 1886-87 Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонаторного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. Последние четыре года его жизни были посвящены эксперименту с газовым разрядом и работой над книгой «Принципы механики, изложенные в новой связи», в которой изложен оригинальный подход к этой науке. Здесь Герц дал вывод общих теорем механики и ее математического аппарата, исходя из единого принципа (принцип Герца или принцип наименьшей кривизны, один из вариационных принципов механики).

Генрих Герц прожил всего 37 лет. Его кончина от общего заражения крови была тяжелым ударом не только для его родителей, жены и двух дочерей, но и для всех его коллег и учеников и для всей физики.