Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом Герцем
особности и живые
теоретические наклонности, он не чувствовал себя счастливым, занимаясь
математической физикой. Он тосковал, как писал Планк, по своему любимому
делу – эксперименту. Поэтому он с радостью принял осенью 1884 года
приглашение на должность ординарного профессора физики в Высшую техническую
школу в Карлсруэ, где в его распоряжении был институт с хорошим
экспериментальным оборудованием. В марте 1885 года Герц переселяется в
город, который в последующие четыре года стал ареной его великих открытий и
местом рождения его мировой славы. «Утром осмотрел институт в политехникуме
и остался доволен», – значится в дневнике 30 марта 1885 года. Двумя днями
позднее он отмечает: «В институт доставлен оптический шкаф. Найдена
подходящая квартира». Во всяком случае, было покончено, как он писал, с
«безмятежным досугом приват-доцента». Он должен был заниматься
всевозможными институтскими и административными делами. Подготовка к
лекциям, экзамены и факультетские обязанности всякого рода мешали ему
заниматься собственной научной работой. В июне 1885 года он жаловался в
письме своим родителям: «Неужели я тоже стану одним из тех, кто, получив
профессуру, перестает что-либо создавать». Дневник верно отображает жизнь
молодого профессора. Среди заметок о служебных делах, о ссоре с учеником
механика, разбившим диск большой электростатической машины, о теоретических
вопросах, короткая и деловая – в стиле сообщений о результатах физических
опытов – запись о том, что он помолвлен с дочерью одного из коллег. Через
год после своего переселения в Карлсруэ, летом 1886 года, Герц женится.
Вскоре после этого, в октябре 1886 года, начинаются в «удивительном
сплетении заслуг и счастья», как писал Планк, те классические эксперименты,
которые создали научную славу Генриха Герца. Их непосредственным исходным
пунктом – подобно открытию Эрстеда в 1820 году – было случайное наблюдение
во время подготовки и проверки учебного эксперимента. При
экспериментировании с электрическими разрядами Герц заметил искрение одной
из двух близко лежавших друг подле друга изолированных спиралей. Он сразу
же предположил, что это явление основано на процессе индукции и его следует
толковать как электромагнитный резонанс, сравнимый с аналогичным
акустическим явлением. Очевидно, было возможно с помощью искрового
индуктора и в открытой катушке с небольшим количеством витков вызывать
быстрые электрические колебания. Теперь Герц вернулся к вопросу,
поставленному в конкурсном задании Берлинской Академии наук, от разработки
которого он отказался семь лет назад, потому что тогда не видел возможности
разрешить его при помощи имевшихся в его распоряжении средств. Но вскоре он
вышел за рамки частной проблемы, которая была предметом конкурсного
академического сочинения: влияют ли изоляторы на электродинамические
процессы? Герц поставил перед собой гораздо более широкую задачу: он хотел
выяснить, существуют ли в действительности электромагнитные волны,
предсказанные теорией Максвелла. За несколько дней он изготовил необходимые
приборы и начал планомерно экспериментировать. 25 октября 1886 года в
дневнике записано: «Получил искровой микрометр и начал с ним опыты». 26
октября: «Ставил опыты над искрами в коротких металлических контурах». 29
октября: «Опыты с искрами». И так продолжается до 2 декабря 1886 года,
когда появляется первое значительное свидетельство успеха: «Удалось вызвать
явление резонанса между двумя электрическими колебаниями». В ходе этих
опытов Герц создал основную форму дипольной антенны, которая и сегодня
применяется в технике УКВ. При помощи этого прибора он мог получать быстрые
электрические колебания, необходимые для осуществления его
исследовательского замысла и для оценки теории Максвелла. 5 декабря 1886
года Герц отправил Гельмгольцу первое письменное сообщение о своих
наблюдениях, противоречащих теории дальнодействия. Предварительные
результаты своих экспериментов он обобщил в двух работах. Первая была
опубликована под заголовком «Об очень быстрых электрических колебаниях» в
«Видемановских анналах физики и химии». Вторая, толчком для которой
послужила идея, высказанная Фарадеем, была написана в его духе и под
заголовком «О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд»
напечатана в материалах заседаний Берлинской Академии наук. Она была
посвящена побочному явлению, возникавшему при некоторых опытах с искрами.
Герц наблюдал влияние ультрафиолетового света на искровой разряд. Он открыл
таким образом закономерность, которую уже через год подробно исследовал
экспериментальным путем дрезденский физик Вильгельм Галлвакс, а позднее
Филипп Ленард. Однако теоретическое объяснение этой закономерности было
дано лишь в 1905 году Альбертом Эйнштейном. Речь идет о фотоэлектрическом
эффекте, электрическом действии света, которое, как показал Эйнштейн,
основывается на квантовом обмене энергией между фотонами и электронами. В
силу чисто внешних обстоятельств, при которых Герц проводил свои опыты, он
иногда оказывался на ложном пути. Он должен был работать с очень длинными
электрическими волнами. Между тем особые условия резонанса в помещении, где
ставились опыты, приводили к неверным результатам. «Неблагоприятное влияние
помещений», как он писал, не могло быть устранено даже при усилении
тщательности наблюдений. Он придумывал все новые условия опытов и месяцами
проводил контрольные эксперименты, чтобы проверить надежность результатов
своих наблюдений. Нередко ему казалось, что он «заблуждается, несмотря на
все старания». При этом наиболее сомнительным был вывод, к которому он
пришел из-за помех. Ему показалось, что электрическая сила распространяется
в проводах с иной скоростью, чем в вакууме. Это противоречило бы
максвелловской теории. Через некоторое время ему удалось исправить свою
ошибку. 5 ноября 1887 года Герц послал Гельмгольцу новую статью – «О
явлении индукции, вызываемом в изоляторах электрическими процессами». Он
просил его предложить рукопись Берлинской Академии наук. Гельмгольца эта
работа должна была особенно обрадовать: в ней Герц блестяще и исчерпывающим
образом решил конкурсную задачу Академии от 1879 года. Он сумел показать,
что изолятор может быть местом электромагнитных процессов. Это подтверждало
взгляды Фарадея и Максвелла. Уже через три дня он получил почтовую открытку
с ответом: «Рукопись получил. Браво! В четверг передаю ее в печать. Герман
фон Гельмгольц». Теперь Герц ставит опыт за опытом в захватывающем дух
темпе. Последовала дальнейшая проверка и подтверждение максвелловской
теории. Основные эксперименты Герц мог производить только в перерывах между
лекциями, так как он использовал для них свою аудиторию, площадью 14Ч15
метров, которая была самым большим из имевшихся в его распоряжении
помещений. Зал для опытов специально оборудовался. Механик удалял все
металлические предметы, которые можно было убрать, прежде всего газовые
трубы и люстру. Скамейки были соединены мостками, по которым Герц мог
ходить во всех направлениях со своим измерительным инструментом,
проволочным кольцом примерно 30 см диаметром. Цинковая пластинка 4 м
высотой, которая была укреплена на стене, служила отражателем электрических
волн. Работу экспериментатора снова можно шаг за шагом проследить по
дневнику. 29 декабря 1887 года значится: «Экспериментировал. Затеняющее
действие железа, рефлексия от стены и т.д.». 30 декабря: «Проследил
действие через аудиторию». 31 декабря он заметил: «Устал от экспериментов».
И радостно добавляет: «С удовлетворением оглядываюсь на прошедший год».
Литературным отражением этих эпохальных опытов, со всей определенностью
подтверждающих теорию Максвелла, была классическая статья «О скорости
распространения электродинамических эффектов», которую Герц закончил в
январе 1888 года и тоже направил Гельмгольцу. После ее публикации в
протоколах заседаний Берлинской Академии наук мир специалистов начал
настораживаться. Уже в марте 1888 года Герц мог сообщить своим родителям,
что профессор Рентген из Гисена поздравил его в письме с его
экспериментальными работами, заметив, что они являются лучшими из работ
последних лет в области физики. Рентген в то время еще не был всемирно
известным первооткрывателем лучей, названных в его честь, но уже и тогда он
считался выдающимся физиком-экспериментатором и пользовался заслуженным
уважением как автор ряда серьезных работ. Поэтому Герц по праву гордился
благоприятным отзывом старшего, проявившего себя в науке и признанного
специалистами коллеги. Но молодой исследователь не позволил себе
удовлетвориться достигнутыми успехами. Ему удалось произвести и показать на
прямолинейных проводах и в свободном пространстве постоянные электрические
волны. Эти нередко крохотные искорки, которые он должен был с лупой
отыскивать в затемненной аудитории, убедительно показывали узлы и
выпуклости электрических волн. «Я считаю, – писал Герц Гельмгольцу в марте
1888 года, – что волновую природу звука в свободном пространстве не
| | скачать работу |
Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом Герцем |