Ошибся ли Генрих Герц?

"Практичный человек со временем,
мы полагаем, ухватится за волны Герца,
запатентует их применение для пользы человека,
организует синдикаты, товарищества и т. д."

Из вступления к статье О. Лоджа "Творение Герца" помещенной в английском журнале "The Electrician " за 1894 г."

Всех нас непрерывно пронизывают излучения разных видов. Это, в частности, интенсивное излучение Солнца, невидимое излучение, порождаемое космическими лучами, природная радиоактивность Земли, длинноволновые радио- и теле- сигналы, в которых мы просто купаемся. К этому добавляется ещё и космическое микроволновое фоновое излучение, в котором находится целый набор длин волн с максимумом интенсивности вблизи волн длиной 3 см. Космическое излучение было порождено последствиями Большого взрыва и поэтому иногда называется реликтовым.

Это мы знаем сейчас. Более 100 лет тому назад этого никто не знал. В то время, 1864 г., только, английский физик, член двух научных королевских обществ, Эдинбургского и Лондонского, Джеймс-Клерк Максвелл на основе полученных им уравнений теоретически показал, возможность существования электромагнитных волн. Из его уравнений следовало, что электромагнитные волны распространяются не мгновенно, а с некоторой точно определенной и очень большой скоростью. Она равняется 300000 км/c! Но с такой же скоростью распространяется и луч света. На эту схожесть обратил внимание Д. Максвелл и на этом основании начал рассматривать свет, как электромагнитные волны. Таким образом из его теории следовал вывод о существовании электромагнитных волн и электромагнитной природе света. Видимый свет - это очень, очень короткие волны.

Творец теории электромагнитного поля, Д. Максвелл, настойчиво подчеркивал, что его заслуга основывается только на том, что он идеи Майкла Фарадея изложенные в статье "Мысли о световых колебаниях" записал в виде уравнений. Проблемой, которая была изложена в статье, М. Фарадей занимался в течении 15 лет, но не решался её обнародовать публично. И, тут сыграл свою роль, как всегда, его величество случай. Однажды в Королевском институте должен был выступать с лекцией известный изобретатель. Весь день докладчик готовился к лекции, но к вечеру его нервы сдали и он убежал. М. Фарадей, помогавший изобретателю в подготовке доклада, решил спасти ситуацию и прочитать лекцию. Прочитав лекцию, М. Фарадей увидел, что до конца заседания есть ещё время. Остаток времени он решил заполнить своими соображениями о "световых колебаниях". После такого публичного оглашения своих идей, М. Фарадею уже ничего не оставалось, как отправить статью в журнал, с изложением сказанного. Это и стало толчком для Д. Максвелла в создании известной теории и выводе фундаментальных уравнений описывающих основные закономерности электромагнитных явлений. В научных кругах теорию считали "книгой за семью печатями". В 80-годах XIX века говорили, что "рукой Максвелла писал сам бог".

Эти уравнения и сегодня составляют фундамент электро- и радиотехники. В 1873 г. выходит основной труд Д. Максвелла по теории электромагнитного поля "Трактат по электричеству и магнетизму". Физикам открылся бездонный кладезь фундаментальных идей теории Д. Максвелла. В знаменитом американском многотомном учебнике по физике "Феймановские лекции по физике", в его 5 томе дана такая оценка этой теории: "В истории человечества (если смотреть на нее, скажем, через 10000 лет) самым значительным событием 19 столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть мелким провинциальным происшествием". Появившаяся теория не имела экспериментального подтверждения. Люди не знали есть радиоволны или нет. А если есть, то каким образом их можно обнаружить, какое устройство для этого необходимо и какая от этих волн польза.

В январе 1879 г. в Берлинском университете молодой немецкий физик Генрих Герц закончил свою первую самостоятельную научную работу по экспериментальному установлению верхней границы массы электрического тока. Работа была выполнена раньше намеченного срока, вместо 9 месяцев, всего за 3 месяца. Полученный научный результат, был высоко оценен философским факультетом и 3 августа Г. Герцу была вручена премия. В письме к родителям он писал: "Мнение факультета было таким хвалебным, что почти удвоило для меня цену премии". Талантливый молодой физик родился в семье юриста в 1857 году в г. Гамбурге. Закончив школу он продолжил учебу в политехникуме г. Мюнхена. Проучившись в ней три года, он решил, продолжить свое образование и поступил на физико-математический факультет Берлинского университета . Вся дальнейшая его жизнь надолго будет связана с этим учебным заведением, в котором он и сформируется как крупный ученый-физик станет известен всему миру.

После успешно проведенного цикла научных исследований Генрих стал думать, чем заняться дальше. В том же, 1879 г. Берлинская Академия наук по инициативе первого физика Европы Германа Гельмгольца объявила призовую тему: "Установить экспериментально, существует ли связь между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией ". Для выполнения работы отводился срок 2...3 лет. Г. Гельмгольц будучи научным руководителем Г. Герца, предложил тому заняться этой проблемой. Молодой учёный находясь в состоянии неопределенности, колебался, заняться разработкой проблемы или оформить первую научную работу в виде докторской диссертации. Предложенная конкурсная тема не очень ему нравилась, но в конце концов по настоянию Г. Гельмгольца он ею занялся. Интересно отметить, что Г. Гельмгольц был избран в 1868 г. членом Петербургской Академии наук. Ему принадлежит открытие закона сохранения энергии. В 1847 г. он теоретически обосновал колебательный затухающий характер разряда лейденской банки, а в 1869 г. показал, что подобные явления возникают в колебательном контуре. Несмотря на это, Г. Гельмгольц как Л. Гальвани и А. Вольта не предполагал существования электромагнитных волн в природе.

5 ноября 1879 г. в Кембридже умирает Джеймс-Клерк Максвелл и Г. Герц как бы по велению судьбы принимает эстафету исследований в области электромагнитных полей. Эта вторая призовая тема и принесла Г. Герцу мировую славу. Настойчивость Г. Гельмгольца объяснялась тем, что в то время существовало несколько теорий объяснявших природу проблемы сформулированную в конкурсной задаче. Автором одной из теорий был сам Г. Гельмгольц и естественно он надеялся на ее достоверность. В то время как Д. Максвелл был автором другого взгляда.

Г. Герц был многогранным ученым и успешно занимался не только проблемами электродинамики, но и механики, в частности, теорией упругости. После переезда в г. Киль на должность приват-доцента в 1883 г. и до самой смерти Г. Герц занимался проблемой поставленной своим научным наставником, проверяя различные теории, в том числе и теорию Д. Максвелла.

Следует заметить, что исследования Г. Герца по экспериментальной проверке теории Д. Максвелла, касались только одного из ее выводов, связанных с получением и распространением электромагнитных волн. Другим выводом, об этом как-то забывают, связанным с тем, что электромагнитные волны, в том числе и световые производят давление занялся в 1890 г. русский студент, учившийся в Страсбургском университете, Петр Николаевич Лебедев. Представленная в 1899 г. в Московский университет диссертация на соискание ученой степени магистра физики под названием "Экспериментальные исследования пондеромоторного действия волн на резонаторы", привлекла к себе внимание ученых того времени. Одним из основных результатов диссертации было доказательство единственности физического механизма взаимодействия материальных образований и электромагнитной природы взаимодействия микрочастиц типа молекул и атомов. Работа принесла П. Н. Лебедеву мировую славу. Это, в частности, выразилось и в избрании его почетным членом Лондонского Королевского общества. Интересно, что П. Н. Лебедев не считал необходимым проводить эксперименты для доказательства электромагнитной природы света так, как имеющиеся его и других ученых эксперименты подтверждали электромагнитную теорию света Д. Максвелла. Известный физик Уильям Томсон ( лорд Кельвин ) во время конгресса физиков 1900г. в Париже, узнав о результатах русского физика сказал профессору К. А. Тимирязеву: "Вы, может быть знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом не признавая его светового давления, и вот Ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами". А, известный немецкий физик Фридрих Пашен в письме к П. Н. Лебедеву писал: "Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений физики за последние годы и не знаю, чем восхищаться больше - Вашим экспериментаторским искусством и мастерством или выводами Максвелла и Бартоли". Несмотря на мировое признание, научные результаты П. Н. Лебедева, к сожалению, остались вне поля зрения Нобелевского комитета по физике и ученому не была присуждена престижная премия.

В 1885 г. Г. Герц стал профессором экспериментальной физики Высшей технической школы в Карлсруэ. Решение поставленной задачи далось Генриху не сразу. У него были неудачи, но он настойчиво продолжал начатое научное изыскание. Только разобравшись в природе искрового разряда, ученый понял, как можно эффектно генерировать и регистрировать "электрические колебания". После этого, в 1886 г. появилось его изобретение "вибратор Герца" (передатчик электромагнитных волн) и "резонатор Герца" (приёмник электромагнитных волн). Первый передатчик представлял собой искровой разрядник (сейчас его называют диполем или вибратором Герца) в виде двух медных проводников длиной 2,6 м и диаметром 5 мм, которые располагались на одной прямой. На внешних концах проводников размещались два больших подвижных жестяных шара, а на внутренних концах два маленьких шарика. Щель между шариками была очень маленькой и представляла искровой промежуток. Схема передатчика Г. Герца состояла из гальванической батареи, катушки Румкорфа (высоковольтный трансформатор с низкочастотным механическим прерывателем на входе первичной обмотки) и вибратора. Когда напряжение достигало величины, достаточной для пробоя искрового промежутка, происходил колебательный разряд. Возбужденные таким вибратором электромагнитные волны имели длину, равную двум длинам вибратора. Волны принимались приёмником, который представлял собой металлическое кольцо в форме круга или прямоугольника. Концы кольца образовывали искровой промежуток. Другими словами, металлическое кольцо было резонатором. Если резонатор был определенным образом настроен на волны передатчика и находился от него на некотором расстоянии, то в искровом промежутке приёмника проскакивала искорка, длиной около 3мм. Искорка была видна еле-еле и разглядеть ее можно было только в лупу. Резонатор Г. Герца по выражению физика У. Томсона представлял собой "электрический глаз", хотя и не очень совершенный. Иногда резонатор называли еще и "волчьим глазом". Появление искорок свидетельствовало о том, что происходит прием электромагнитных волн приемником. Поскольку передатчик и приёмник не были ничем соединены, их разделяло только воздушное пространство, то это доказывало существование в нем электромагнитных волн. Анализируя наблюдаемое явление Г. Герц отметил: "Я думаю, волновая природа звука в пустом пространстве демонстрируется не так ясно, как волновая природа этого электродинамического процесса". В первых опытах длина волн была 4,5 м, далее были получены волны длиной от 0,6 до 10 м. До этих экспериментов ученые могли получать электромагнитные волны длиной около 300 м, что соответствует частоте 1000 кГц. Следует отметить, что ультракороткие волны с которыми Г. Герц осуществлял свои знаменитые эксперименты, долгие годы не выходили за пределы лабораторий учёных. Только с появлением мощных источников генерации ультракоротких волн, магнетронов, началось бурное освоение этого диапазона в практических целях. В УКВ диапазоне нашли применение разработки Г. Герца, вибраторы, параболические антенны и др., но произошло это только в следующем веке, двадцатом.

В декабре 1888 г. на заседании Берлинской Академии наук Г. Герц сделал доклад о результатах проведенной научной работы посвященной электромагнитным волнам. Выводы работы были сенсационными. Среди них, получено экспериментальное обоснование теории Д. Максвелла, а отсюда самое главное заключение - электромагнитные волны существуют. Впервые были получены волны длиной 0,6 м. Измерена скорость распространения электромагнитных волн. Она оказалась равной скорости света. Исследованы свойства волн: интерференция, поляризация и дифракция. Этот год в истории науки стал считаться годом открытия электромагнитных волн. После заседания Г. Герц стал мировой знаменитостью, а было ему всего 33 года. Семь академий (Берлине, Мюнхене, Вене, Риме, Турине, Геттингене, Болонье) и научные общества разных стран избрали его своим членом-корреспондентом. Не осталась в стороне и Россия, Московское общество естествознания, антропологии и этнографии и съезд естествоиспытателей в Санкт-Петербурге (январь 1890 г.) приветствовали научный успех Г. Герца, послав ему личные поздравительные телеграммы. Он получил множество наград различных иностранных научных обществ и академий.

После работ Г. Герца стало ясно, что для того, чтобы выловить или создать электромагнитные волны необходима антенна. В опытах немецкого ученого антенной служил симметричный вибратор. Только Г. Герц с его талантом, в сочетании с мастерством владения эксперимента, настойчивостью и врожденной научной интуицией, смог сделать величайшее открытие. В то время, как большое количество ученых не видело или не замечало тех больших теоретических и экспериментальных предпосылок сделанных по данной проблеме. Г. Герц замкнул кольцо проблемы. Д. Максвелл перевел на математический язык представления М. Фарадея, а Г. Герц перевел на экспериментальный язык уравнения Д. Максвелла. Немецкий ученый сделал мировое открытие и был в шаге от изобретения радиосвязи - передачи информации на расстояние с помощью электромагнитных волн. До сих пор возникает вопрос почему он этого не сделал? Существует расхожее мнение, что он не верил в возможность применения электромагнитных волн для практических целей, в частности, передаче информации на расстояние. В подтверждение приводится сохранившийся его ответ на запрос инженера Г. Губера, о возможности использования электромагнитных волн для "телеграфирования без соединяющих проводов". В ответе датированном 3 декабря 1889 г., Г. Герц, между прочим писал: "Электрические колебания в трансформаторах и телефонах слишком медленные... Если бы Вы были в состоянии построить вогнутые зеркала размером с материк, то Вы могли бы поставить намеченные опыты, но практически сделать ничего нельзя: с обычными зеркалами Вы не обнаружите ни малейшего действия. По крайней мере, я так думаю". Приведенный ответ может быть истолкован скорее следующим образом. Многие ученые, в том числе и Г. Герц, реально оценивали уровень науки и техники в тот момент. И, поэтому по всей видимости ученый не задавался вопросом о практическом использовании того диапазона электромагнитных волн в котором проводились эксперименты. К тому же, еще не было пригодного для практических целей, такого необходимого радиокомпонента, как когерера, ему еще предстояло появиться в 1890 г. Между прочим, отсутствие когерера у Николы Тесла помешало ему стать первым в создании практической системы радиосвязи. Только через 7 лет после открытия Г. Герца, русский ученый А. С. Попов создал первую в мире систему радиосвязи с использованием электромагнитных волнах. На следующий год, 12 марта 1896 г., А. С. Попов на радиоволне длиной около 5м передал первую телеграмму кодом Морзе, которая содержала всего два слова, имя и фамилию первооткрывателя электромагнитных волн - "Генрих Герц". Длина волны выбранная для передачи телеграммы соответствовала диапазону волн исследованному Г. Герцом, по современной классификации, УКВ - диапазону. Это событие произошло во время доклада ученого в Русском Физико-техническом обществе г. Санкт-Петербурга.

Напряженная работа подорвала здоровье Г. Герца и стала причиной тяжелой прогрессирующей болезни, общего заражения крови. Предчувствуя свой близкий конец, он писал родителям 9 декабря 1893 г., за три недели до смерти: "если со мной действительно что-то случится, Вы не должны огорчаться, но должны немного гордится и думать, что я принадлежу к тем особо избранным людям, которые жили хотя и недолго, но вместе с тем жили достаточно. Эту судьбу я не желал и не выбирал, но я доволен ею, и если бы мне предоставили выбор, я, может быть, сам выбрал бы её". Г. Герц умер 1 января 1894 г., от общего заражения крови, не дожив двух месяцев до своего 37-летия. Ученый умер в кругу дорогих ему людей, жены, двух дочерей и родителей. Любящие близкие отдали дань уважения своему сыну и отцу. В 1903 г. мать написала воспоминания о детстве сына, старшая дочь, Иоанна, в 1927 г. опубликовала письма и дневники отца, а младшая дочь, Матильда, создала его бюст . Бюст в настоящее время хранится в Мюнхенском музее. Семейство Герцев и поныне чтит память своего великого предка, проводя различного рода общественные мероприятия. В России всегда относились и относятся с почтением к Г. Герцу. Неоднократно издавались переводы его научных трудов и торжественно отмечалось 100-летие со дня рождения в феврале 1957 г. Среди учеников Г. Герца наиболее известным является Ф. Ленард, который за исследование катодных лучей в 1905 г. стал лауреатом Нобелевской премии. Племянник Г. Герца, Густав Людвиг Герц, является выдающимся физиком современности. В 1925 г. вместе с немецким физиком Джеймсом Франком за открытие законов столкновений электронов с атомами также получил Нобелевскую премию. Это открытие подтвердило квантовую теорию атома датского физика Нильса Бора. Как и дядя, Густав Людвиг уважаем в России. Он, иностранный член Российской Академии наук с 1958 г. и лауреат Государственной премии 1951 г. В физике имя немецкого ученого вечно, даже в том, что в его честь названа единица частоты колебаний - Гц (герц - одно колебание в секунду).

Электромагнитные волны окружающие нас, являются вечной памятью о великих физиках, немецком - Генрихе Рудольфе Герце и русском - Петре Николаевиче Лебедеве.

Использована статья профессор Пестрикова В. М. из СПб "Давняя шутка Николая Кабанова сегодня стала реальностью", Радиохобби, 1998. - №3. - С. 2-3.