Школа № 7

Доклад

на тему : Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом

Герцем.

Выполнил : ученик 11 "А" класса

Костин Д. М.

Проверила : Гуренкова Т. В.

Рузаевка (Мордовия) 2002

Герц Генрих (1857—1894)—немецкий физик, впервые экспериментально доказавший в 1886 г. существование электромагнитных волн. Исследуя электромагнитные волны, Герц установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Работы Герца послужили экспериментальным доказательством справедливости теории электромагнитного поля и, в частности, электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла в современной форме были записаны Герцем. В 1886 г. Герц впервые наблюдал фотоэффект. Максвелл не проверил правильности своих теорий электромагнетизма и света опытным путем.
Его учением восторгались как великолепным произведением математического искусства, часто восхищались им также лишь как блистательной игрой формул и остроумным курьезом. Большинство физиков сомневались в том, что эта теория отражает истинное положение вещей. О ее всеобщем признании при жизни
Максвелла не могло быть и речи, особенно в Англии. В Германии, по словам
Планка, теория Максвелла «вряд ли принималась во внимание». Ее основные положения слишком противоречили привычным воззрениям и не были подкреплены опытными результатами. Подобно системе мира Коперника до астрономических наблюдений Галилея и геометрическо-кинематических уточнений, сделанных в ней Келлером, благодаря двум его первым законам, теория Максвелла также вначале воспринималась лишь как новая и смелая гипотеза, которая казалась вполне вероятной и в пользу которой говорило многое. Но обладали ли в действительности электрические волны свойствами, которые предсказывал
Максвелл, – этого никто не мог сказать с достоверностью. Заслуга доказательства действительного существования электрических волн, предсказанных Максвеллом математическим путем, принадлежит Генриху Герцу.
Его классические опыты, проведенные в Карлсруэ в 1886...1888 годах, доказали, что максвелловская теория электромагнетизма является отображением действительности. Этим он способствовал ее победе. Немаловажно при этом, что эксперименты Герца производились простыми средствами – их можно было повторить и проверить в любом физическом институте. Скептики могли убедиться собственноручно. Но Герц достиг большего, чем простое доказательство правильности учения Максвелла. Он освободил эту теорию, которая в первоначальном виде была еще неясной и трудной для понимания, от всего второстепенного, что поначалу служило для облегчения представлений и расчетов, и придал ей законченный математический облик. Борн справедливо говорил о «новом обосновании» Герцем максвелловской теории электромагнитного поля. Кроме успешного подтверждения и теоретического завершения максвелловской теории, Герц создал ценные труды и в других областях физики. Выводы из них имели большое значение для будущего этой науки. В речи, посвященной памяти Герца, Планк назвал гениального, слишком рано умершего исследователя «одним из вождей нашей науки, гордостью и надеждой нации»; его жизненный путь соответствовал «простоте и прямоте его поведения». Генрих Герц происходил из среды состоятельного немецкого бюргерства. Он был старшим сыном гамбургского адвоката, который позднее стал сенатором и руководил управлением юстиции ганзейского города. Он родился в Гамбурге 22 февраля 1857 года. Таким образом, Герц был почти ровесником Планка; однако он умер на полстолетия раньше Планка, и нам сегодня кажется, что он принадлежал к старшему поколению физиков. Вначале
Генрих Герц посещал частную школу. Наряду с умственными способностями очень рано стали очевидны его сноровка и склонность к практическим занятиям техникой. В свободное время он по собственному желанию брал уроки у столяра, изучил на профессиональном уровне также токарное дело. Будучи уже начинающим ученым и живя в Берлине, он неоднократно справлялся в письмах о своем токарном станке, полученном от родителей. Мальчик оказался необычайно смышленым в добровольном изучении ремесел. Его мать вспоминала, что мастер, у которого Генрих изучал токарное дело, в ответ на ее сообщение о том, что его бывший ученик теперь стал профессором, воскликнул, совершенно расстроенный: «Ах, как жаль, какой бы это был токарь!» В городской школе
Герц считался одним из лучших в классе. Его блестящая одаренность соединялась с ярко выраженным чувством долга. Все учебные предметы привлекали его одинаково сильно. Математикой и естественными науками занимался он так же охотно и успешно, как древними и новыми языками. Эпос
Гомера, диалоги Платона, стихи Данте на языке подлинника сопровождали его всю жизнь. Наряду с итальянским, французским и английским Герц занимался и такими языками, которые не относились к числу обязательных предметов. Его успехи в арабском были столь удивительны, что учитель настоятельно рекомендовал отцу, чтобы тот непременно направил Генриха изучать ориенталистику: ученик с такими выдающимися способностями к арабским языкам ему еще не встречался. У него был также талант рисовальщика, и он развивал его в специальной школе. Лишь к одному предмету он был совершенно неспособен: к музыке. Все старания учителей развить у него слух остались безрезультатными. Он не мог участвовать даже в школьном хоре, так как сбивал всех своим гудением. В этом Герц отличается от других знаменитых представителей точного естествознания, среди которых немало одаренных и страстных музыкантов. Для примера можно сослаться на Гельмгольца,
Больцмана, Нернста, Оствальда, Планка, Эйнштейна, Борна, Фридриха и
Гейзенберга. Как и многие физики и химики, Генрих Герц еще школьником ставил простые естественнонаучные опыты. Особенно охотно он экспериментировал в области механики и оптики. Столь характерная для его более поздней деятельности связь умственной и физической работы проявилась очень рано. В 18 лет, в 1875 году, Герц сдал экзамены на аттестат зрелости в школе Иоганнеумса, в которой он заканчивал обучение. По математике он получил оценку «очень хорошо», по естествознанию – «хорошо». Благоприятные оценки по другим предметам, поставленные преподавателями, самодур-директор, незадолго перед этим принявший руководство учебным заведением, собственноручно понизил на один балл, о чем свидетельствуют сохранившиеся экзаменационные протоколы. «Ганс пришел домой такой подавленный и несчастный, что мы должны были утешать его, вместо того чтобы радоваться его успеху», – писала его мать. Общая характеристика отмечала у абитуриента острую логику, надежную память и «легкость (если не сказать красоту) изложения»; к недостаткам отнесена монотонность его речи. Эта оценка осталась справедливой и в дальнейшем. По желанию отца и следуя собственной склонности Генрих Герц хотел стать инженером-строителем или архитектором.
Как считал Гельмгольц, скромность, бывшая всегда характерной чертой натуры
Герца, заставила его поначалу усомниться в собственной способности к теоретическому естествознанию; занимаясь своими любимыми работами по механике, он был более уверен, что добьется успеха. Для подготовки к избранной профессии Герц занимался один год практической работой в конструкторском бюро во Франкфурте-на-Майне. Весной 1876 года он отправляется в Дрезден, чтобы начать занятия инженерной наукой в Высшей технической школе. Он пробыл там лишь один семестр. Как видно из его писем,
Герц не получил особенной пользы от большинства «довольно-таки скучных» лекций. Осенью 1876 года он, как студент инженерного ведомства, был призван для несения годичной военной службы при железнодорожном корпусе в Берлине.
Вначале его очень угнетала жизнь в прусской казарме. Муштра отталкивала его. Однако благодаря своей способности осваиваться, он вскоре нашел в этом свои хорошие стороны. «И все же служба дает нечто прочно-положительное, – говорится в одном из писем родителям в ноябре 1876 года, – леность изгоняется из человека основательно; теперь очевидно, что не бывает худа без добра». После окончания службы Герц отправляется в Мюнхен, чтобы продолжить занятия инженерной наукой в Высшей технической школе. При этом он слушал в университете лекции по математике и физике у Филиппа фон Жолли, прославленного физика того времени, который был также учителем Планка. В нем росло и крепло убеждение, что только научная работа и академическое поприще могут дать ему истинное удовлетворение. С согласия отца Герц меняет свои планы. Он прекращает обучение в Высшей технической школе и полностью посвящает себя занятиям физикой и математикой в университете. Характерно, что он при его осторожной манере судить и его уважении ко всякой основательной деятельности не считал свои прежние планы заблуждением; он лишь хотел заменить их лучшими. «Я весьма охотно стал бы инженером, – писал он родителям, – но столь же охотно переплетчиком или токарем, словом, всем, что относится к разряду приличного. Но все же есть разница между «охотно» и
«охотно»». Жолли отослал любознательного студента к фундаментальным трудам по математике. Он прежде всего назвал ему произведения Лагранжа, Лапласа и других классиков точных наук и посоветовал основательно изучать их. Он рекомендовал ему уделить внимание истории естествознания, так как это способствует пониманию актуальных проблем исследования природы. Как показывают его письма к родителям, Генрих последовал совету учителя с привычной для него добросовестностью. За короткое время он прорабатывает объемистые труды по истории науки. Особенно настойчиво занимался он математикой и историей ее проблем. Для его позднейшей теоретической деятельности это было ценной подготовкой. Герц углубляется также в старые научные журналы, например знаменитый лейпцигский «Acta Eruditorum», первый научный журнал Германии, основанный в 1682 году и просуществовавший столетие. К числу сотрудников этого журнала принадлежал Лейбниц. Под влиянием этой литературы Герц высказал мысль: «Мне действительно становится иногда жаль, что я не жил в то время, когда было так много нового.
Собственно, и сейчас достаточно неизвестного, но я не думаю, что сейчас можно легко найти что-либо такое, что могло бы преобразовать всю систему воззрений, как в то время, когда телескоп и микроскоп были еще новинками».
Это мнение Герца, как заметил Лауэ по поводу этой выдержки из письма, было основательным образом опровергнуто им самим. Для того чтобы слушать лекции всемирно известных специалистов по математике и экспериментальной физике,
Гельмгольца и Кирхгофа, и закончить образование под их руководством, Герц в октябре 1878 года становится студентом Берлинского университета, то есть именно в тот момент, когда юный Планк вновь покидает Берлин и возвращается в Мюнхен. В одном из писем родителям Герц образно описывает кипучую жизнь, с которой он столкнулся в столичном университете империи: «Профессора читают лекции в слишком маленьких аудиториях (предполагаю, что больших нет), так что весьма часто все бывает занято, все до последнего места и многие еще стоят; в десять через вестибюль университета приходится проталкиваться как у железнодорожной кассы на троицу». Гельмгольц, «первый естествоиспытатель Германии», как позднее называл его Герц, к тому времени уже семь лет трудился в Берлине, успешно открывая не только новые законы природы, но и таланты в естествознании. Верным глазом ученого он распознал блестящие способности молодого гамбуржца и всячески содействовал их развитию, не навязывая ему своего образа мысли. Для дальнейшего пути
Генриха Герца как физика это имело большое значение, и он сохранил благодарность своему учителю на всю жизнь. «Уже во время элементарных практических работ, проведенных им, я видел, что имею дело с учеником необычайной одаренности», – сообщал Гельмгольц. Когда в конце летнего семестра перед Гельмгольцем встала задача предложить тему конкурсной работы по физике для студентов философского факультета, он выбрал вопрос по электродинамике и был рад, что Герц заинтересовался работой. Поставленная
Гельмгольцем задача касалась специальной проблемы движущегося электрического заряда. В этой области в то время – прежде всего в Германии
– господствовали еще механистические воззрения Вильгельма Вебера. Вебер возвращал электрические явления назад, к силам дальнодействия, распространяющимся с бесконечной скоростью в невесомом электрическом флюиде. Он приписывал подвижному электричеству особый вид инерции, какая свойственна твердым телам. Предложенный Гельмгольцем эксперимент должен был выяснить, обладает ли на самом деле электрический заряд, движущийся по проводникам, как ток, подобной инерцией. Таким образом, конкурсный вопрос опосредованно служил усилиям экспериментальной проверки теории электричества Фарадея – Максвелла, в правильность которой Гельмгольц склонен был верить. Рабочее место Герца было в новом, как он писал,
«прекрасно оборудованном» Физическом институте на Рейхстагуфер, который был построен по планам Гельмгольца. В его распоряжении были все приборы, необходимые для проведения исследовательской работы. Руководитель института лично опекал его, давал советы. «Гельмгольц приходит каждый день на несколько минут, смотрит работу и очень любезен», – говорится в письме родителям от 17 ноября 1878 года. Но научные интересы студента не ограничивались занятиями в области его специальности. Герц слушал также лекции по гуманитарным предметам, в первую очередь по истории, например лекции придворного историографа Гогенцоллернов Генриха Трейчке, блестящего оратора, который оказал, однако, роковое влияние на берлинских студентов и
«национально» настроенную немецкую буржуазию, способствуя распространению антисемитских взглядов. Пресловутый лозунг «евреи – наше несчастье», который позднее служил для «оправдания» фашистских преступлений в Аушвитце,
Майданеке и других местах ужаса, был впервые выдвинут Трейчке. С конкурсным факультетским заданием Герц справился успешно, хотя и с негативным результатом как он и предчувствовал. Инертная масса в той форме, в какой ее следовало ожидать в соответствии с электромеханикой Вебера, не обнаруживалась. Этот результат противоречил старой, еще господствовавшей электродинамике. В своем исследовании Герц не ограничился экспериментом, предложенным Гельмгольцем, а вышел за его рамки. Гельмгольц считал, что эти опыты убедительно продемонстрировали Герцу «неслыханную подвижность электричества» и помогли найти путь, который вскоре привел его к большим открытиям. Решением конкурсной задачи Берлинского университета Герц сделал первый шаг к своей мировой славе физика. Памятная медаль, которой были отмечены его достижения, «очень большая и красивая золотая медаль», врученная ему ректором, философом Эдуардом Целлером, в конце летнего семестра 1879 года в актовом зале университета, была его первой научной наградой. Более широкая по содержанию работа – вновь по инициативе
Гельмгольца – была вынесена на конкурс Берлинской Академией наук. Следовало установить, влияют ли изоляторы каким-либо образом на электродинамические процессы, как того требовала максвелловская теория в противовес старым воззрениям. Гельмгольц предложил это задание, ожидая, что Герц справится с ним успешно. Однако приблизительный расчет убедил Герца в том, что применяемые тогда лабораторные средства недостаточны для возбуждения быстрых электрических колебаний, которые были необходимы для экспериментального разрешения этого вопроса. Он не мог решиться начать разработку. Через семь лет он вернулся к этому предмету в Карлсруэ. Осенью
1879 года увенчанный премией студент приступил к разработке своей докторской диссертации «Индукция во вращающихся шарах». Через три месяца он закончил опыты и письменно изложил их результаты. Только 14 дней лежал манускрипт на письменных столах экспертов. Гельмгольц оценил работу на
«очень хорошо». «Она показывает, – писал он, – что автор умеет проводить трудные математическо-физические исследования с большой уверенностью и находчивостью. Результаты интересны и новы». Кирхгоф как второй эксперт добавил: «Я присоединяюсь к положительной оценке работы и ходатайствую о допуске кандидата к экзамену». О ходе докторского экзамена, проходившего 5 февраля 1880 года, Герц сообщил на следующий день родителям: «Некоторую неловкость испытал я, однако, когда шел вчера в университет и увидел, что в сенатском зале горят все огни. Экзамен длился от шести до восьми. Стоило мне начать, и я сразу увидел, что не должен провалиться». Далее он пишет:
«Как только у меня появлялась неуверенность, экзаменаторы торопились поднять мое мужество детски легкими вопросами и перейти в другую область. В философии я мог бы блеснуть, если бы профессор Целлер не спрашивал слишком уж легко». Протокол экзамена в актах Гумбольдтовского университета подтверждает и дополняет слова Герца. «Господин Гельмгольц, – говорится там, – начал экзамен с основного предмета. Он спросил о фактах, обнаруженных посредством наблюдений, благодаря которым пришли к признанию волновой теории света. Кандидат ответил на все без исключения поставленные вопросы с большой уверенностью и ясностью. Профессор Целлер спрашивал о досократовской, платоновской и аристотелевской философии и был удовлетворен ответами кандидата». На все вопросы, поставленные Кирхгофом, который продолжил экзамен по основному предмету, Герц также ответил «полностью правильно и уверенно». Математик Куммер закончил экзамен вопросами из области механики и ее применения и из теории кривых плоскостей. И здесь кандидат показал себя «хорошо ориентированным почти во всем в этих предметах». Общей оценкой экзамена была – «хорошо» («magna cum laude»).
Оценка «хорошо» была тогда редкой в Берлинском университете и Герц остался ею весьма доволен. «Считанные доктора здешнего университета имеют мою оценку, и, особенно у Гельмгольца и Кирхгофа, это удается немногим», – гордо сообщает он родителям. Еще раньше, вскоре после своего прибытия в
Берлин, он писал: «К здешним докторам относятся с трепетным уважением, и они кажутся, мне во всяком случае, иными, чем где-либо в других местах». 15 марта 1880 года Герц получает диплом доктора, написанный по-латыни. Вскоре после этого Гельмгольц предлагает высокоодаренному молодому физику освободившееся место ассистента в своем институте. Два с половиной года
Герц был ассистентом в институте на Рейхстагуфер. Наряду со своими служебными обязанностями по руководству практикантами он находил время делать собственные эксперименты и публиковать их результаты. В его работах обсуждались вопросы термодинамики, теории упругости, твердости тел, испарения. «Равновесие плывущей льдины, на которой стоит человек», тоже относилось к проблемам, которыми он занимался. Как следует из писем к родителям, начиная с лета 1882 года, Герц занялся световыми явлениями в разреженных газах. При этом он заметил, что исследования в этой еще «очень неясной» области, по его мнению, приобретут большое теоретическое значение.
Это было верным предвидением. Исследование катодных лучей, о котором здесь шла речь, привело в дальнейшем к открытию рентгеновских лучей и к снятию таинственного покрова со структуры материи – событиям, до которых не пришлось дожить самому Герцу. Молодого физика направлял и оказывал на него влияние при этих исследованиях частный берлинский ученый Евгений
Гольдштейн. Он был на семь лет старше Герца и тоже принадлежал к числу учеников Гельмгольца. Эти примечательные световые явления в гейслеровских трубках, известные с конца 50-х годов и описанные Плюккером, Гитторфом и
Круксом, Гольдштейн назвал катодными лучами. Как раз в то время, когда Герц был ассистентом Гельмгольца, Гольдштейн написал несколько капитальных работ об электрических разрядах в разреженных газах. В 1886 году, вскоре после отъезда Герца из Берлина, он увенчал свою исследовательскую деятельность открытием «каналовых» лучей, которые сыграли важную роль в экспериментальных исследованиях следующих лет. Герц находил, что экспериментирование с катодными трубками в высшей степени увлекательно и в эстетическом плане. В письмах к родителям он снова и снова описывал эти
«чудесные» явления и изумительную игру красок, которая вызывала его восхищение. Искусство стеклодува, которым Генрих Герц, как и большинство физиков и химиков его поколения, мастерски владел, весьма пригодилось ему при этих опытах. Кстати, молодой Вильгельм Оствальд, судя по воспоминаниям его учителя, также был превосходным стеклодувом. Подобно всем крупным экспериментаторам, Генрих Герц был необычайно находчив и неисчерпаем на выдумки в том, что касается приспособлений для опытов. «За день можно придумать опытов и работ больше, чем сделать за год», – читаем мы в письме от 2 декабря 1882 года. Он изобрел и сам построил несколько научных измерительных приборов, например гигрометр и электродинамометр, который он использовал для своих экспериментов с газосветными разрядами. Герц не боялся однообразной механической работы, которая была неизбежной, например, при самостоятельной постройке большого источника постоянного тока. «Я тружусь совершенно так же, как фабричный рабочий, – писал он 6 сентября
1882 года, – потому что я тысячу раз повторяю каждое движение руки, так, я часами только и делаю, что сверлю отверстия одно подле другого, гну жестяные полосы, потом часами лакирую их и так далее». Уже работы берлинского периода выявляют ту беспощадную самокритичность в оценке результатов опытов, которая была характерна для позднейших работ исследователя. Герц никогда не удовлетворялся констатацией какого-либо положения, но всегда точно указывал границы, в которых оно действительно.
Этот рано развившийся самокритический подход стал одним из источников его научного величия. За время своего ассистентства Герц по-человечески ближе познакомился с «имперским канцлером науки», как любили называть Гельмгольца в годы культа Бисмарка. Гельмгольц часто приглашал своего сотрудника на чай или на званые вечера в свою роскошно обставленную служебную квартиру.
Однако более близкое знакомство со знаменитым физиком оказалось во многих отношениях разочаровывающим. Гельмгольц был в обращении чопорен и формален и до мозга костей прусский тайный советник. Он «не относится к хорошим собеседникам... – замечал Герц в письме к родителям, – он говорит так медленно и размеренно, что по крайней мере для меня невозможно слушать его внимательно, если речь не идет о вещах, при обсуждении которых действительно хочется взвешивать каждое слово». Такие внешние моменты, конечно, не умаляли уважения и благодарности, которые Герц испытывал к своему наставнику. В речи, посвященной памяти Герца, Планк говорил о
«детском почитании своего учителя Гельмгольца», которое Герц проявлял при каждой возможности: «нельзя было не заметить, что он сам воспринимал как благо возможность облечь в личную форму восхищение достоинством и истинностью своей науки». В Берлине для молодого физика-исследователя не было тогда возможности продвижения, во всяком случае в обозримый промежуток времени. Поэтому Герц последовал совету Кирхгофа принять доцентуру по математической физике в университете Киля. Министерство просвещения дало согласие. На время его приват-доцентуры до разрешения на экстраординарную профессуру, для которой он предназначался, для него была предусмотрена постоянная денежная субсидия. Нелегко было страстному физику- экспериментатору уйти из главного центра физических исследований и преподавания, каким был Берлинский университет при Гельмгольце и Кирхгофе, в провинциальный университет, где в его распоряжений не было даже простой лаборатории. В Берлине он располагал самыми лучшими приборами для своей дальнейшей исследовательской работы. Регулярные собрания в Берлинском физическом обществе, где он сам несколько раз делал доклады, стимулировали его научную работу. От всего этого он должен был теперь отказаться. После того как в мае 1883 года за статью о газосветном разряде он получил право преподавания, Герц два года преподавал в Киле математическую физику.
Влияние его преподавательской деятельности на этот маленький университет, где на всех факультетах, взятых вместе, насчитывалось лишь несколько сот студентов, было скромно. Большей частью в его аудитории сидело лишь 6...8 студентов. В хорошую летнюю погоду их было еще меньше. Так, в июле 1883 года он писал, что посещаемость лекций за последние недели, когда было особенно жарко, пострадала, к его «немалому огорчению», несколько раз число присутствующих опускалось до двух. Поскольку одновременно с понижением температуры оно вновь поднялось до четырех, он решил, что может не ставить себе в вину столь скудное посещение. Время от времени он находил аудиторию совсем пустой. «Большое расстройство», – писал он по этому поводу в своем дневнике. При таких обстоятельствах молодой ученый имел относительно много времени для размышления о научных вопросах и работы над специальной литературой. Это было лучшее из того, чем отмечены годы, проведенные в
Киле, и что впоследствии очень благоприятно отразилось на его успехах.
Заметки в дневнике позволяют детально проследить исследования, проводимые доцентом. Так, 19 января 1884 года говорится: «Обдумывал электродинамические опыты». 27 января он отметил: «Размышлял об электромагнитном излучении». 29 января он раздумывал об электромагнитной теории света. 4 марта его занимала недавно вышедшая «Механика» Эрнста Маха.
6 марта он посвятил оптике. 11 мая говорится: «Вечером – основательно – электродинамика по Максвеллу». 13 мая: «Исключительно электродинамика». 16 мая: «Весь день занимался электродинамикой». Вплоть до поздней осени 1884 года на первом плане стояли занятия электродинамикой. Все время встречаются записи о том, что Герц «размышлял» над вопросами электродинамики. В их числе появляется заметка: «Упорно размышлял над электродинамикой». Наряду с этим он интересовался также трудами Давида Фридриха Штрауса, посвященными критике религии, и читал переписку между Гёте и Шиллером, Гауссом и
Шумахером. Но Герц не мог быть полностью удовлетворен своей деятельностью в
Киле. «Очень плохое настроение», – отметил он в дневнике 29 октября 1884 года. Предоставление обещанной профессуры оттягивалось от семестра к семестру. Из-за этого у него не было прочной основы для существования. Но большей частью его угнетало, по-видимому, отсутствие возможности экспериментировать в хорошо оборудованном институте, к чему он привык в свои берлинские годы. Маленькая частная лаборатория, которую он начал оборудовать самодельными приборами в подсобном помещении своей квартиры, могла быть лишь паллиативом. Герц был прирожденным экспериментатором.
Несмотря на свои ярко выраженные математические способности 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 нельзя представить так же ясно и наглядно, как волновую природу электродинамического распространения». Двенадцать лет спустя в своей вступительной лекции в Лейпциге Больцман сказал, что этот эксперимент
«нанес почтенной теории электрического ф