Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом Герцем

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 флюида такой удар, от которого она

уже не смогла оправиться». Чтобы неопровержимо доказать единую сущность

световых и электрических волн. Герц последовательно повторил все основные

оптические опыты: отражение, преломление и поляризацию – с электрическими

волнами. После первых неудач он достиг цели при помощи случайно

обнаруженных им коротких волн. С двумя большими параболическими зеркалами –

цилиндрами из цинковой жести, – используя пучки электрических лучей, он мог

вызывать эффект прожекторов, подобный оптическому. При помощи вылитой из

твердой смолы изолирующей призмы 1,5 м высотой и 6 ц весом он добился

отклонения электрического волнового пучка, соответствующего преломлению

световых лучей в стеклянной призме. Наконец, он смог убедиться и в

поляризации электрических волн при помощи проволочной сетки. Благодаря этим

оптическим опытам с электрическими волнами стало ясно, что невидимые

электрические волны, которые распространяются по проводам и в свободном

пространстве со скоростью света, ведут себя так же, как световые волны. Они

различаются только по длине волн, правда, в данном случае, очень

значительно: длины электрических волн в миллион раз больше, чем световых.

Таким образом, единая сущность света и электричества, которую Фарадей

предполагал уже в 1845 году, а Максвелл теоретически обосновал в 1862 году,

была подтверждена экспериментально. Оптика могла быть теперь включена в

электродинамику так же, как акустика давно уже вошла в механику.

Одновременно была доказана несостоятельность учения об электрических силах

дальнодействия. Герц, со свойственной ему осторожной манерой выражаться,

сформулировал этот важный вывод так: «Освященное наукой, но неохотно

принимаемое разумом господство непосредственно действующих на расстоянии

сил в области электричества кажется разбитым навсегда простыми и

убедительными опытами». В классической статье «О лучах электрической силы»,

одной из своих самых значительных работ, Герц сообщил о своих экспериментах

с вогнутым зеркалом. И эту рукопись он также послал сначала Гельмгольцу,

который с радостью следил за множащимися научными успехами своего бывшего

ученика, докторанта и ассистента. «Несомненно большим достижением, – писал

Гельмгольц, размышляя о прошлом, – является приведение убедительных

доказательств того, что свет – эта столь важная и таинственная сила природы

– ближайшим образом родствен другой, столь же таинственной и, вероятно,

имеющей еще большее применение силе – электричеству. Для теоретической

науки, возможно, еще важнее то, что теперь стало понятным, как силы, о

которых существовало представление, что они непосредственно действуют на

расстоянии, распространяются путем воздействия одного слоя промежуточной

среды на ближайший». Над техническим применением результатов своих

гениальных опытов с искрами сам Герц не думал. Беспроволочное

телеграфирование на большие расстояния могло развиться лишь после создания

для него дальнейших предпосылок. Здесь несомненны заслуги русского физика

Попова, немца Брауна и итальянца Маркони. Расцвет радиотехники основывается

прежде всего на многостороннем применении электронных трубок, открытых

Либеном. Он в свою очередь сделал возможным повторение опытов Герца с

гораздо большей точностью. Показателем упрочения научной репутации молодого

исследователя среди специалистов служит то, что многие университеты

проявили интерес к нему как к преподавателю. В Гисене ему предложили стать

преемником Рентгена, который принял приглашение в Вюрцбург. Герц не мог на

это решиться. Потом перед ним открылась возможность стать в Берлинском

университете преемником Кирхгофа, умершего в 1887 году. В отзыве, который

Гельмгольц составил для факультета и министерства, значится, что Герц

своими опытами разрешил вопрос, «основываются ли электромагнитные эффекты

на дальнодействии или передаются путем изменений в заполняющей пространство

среде и для своего распространения нуждаются, подобно свету, во времени».

Гельмгольц считал, что решение этой проблемы следует рассматривать как

«достижение чрезвычайной научной важности», осуществление которого ранее

«казалось почти невозможным из-за безнадежных экспериментальных

трудностей». Герц добился успеха «лишь благодаря в высшей степени редкому

соединению глубокой научной проницательности и практической сноровки».

Приглашение в Берлин, на кафедру знаменитого Кирхгофа, который лишь

десятилетие назад был одним из его учителей, Герц считал особенно почетным.

Однако, когда министерство предложило ему выбор между Берлином и Бонном, он

выбрал меньший университет, на Рейне, в надежде, что там у него будет

больше свободного времени для исследовательской работы. Эта возможность

была предоставлена ему с тем условием, что он прежде всего должен

заниматься своими «историями с распространением». Гельмгольц, ранее сам

предлагавший кандидатуру Герца Берлинскому университету, считая его самым

достойным из всех возможных кандидатов, одобрил решение Герца. «Лично я

огорчен тем, – писал он 15 декабря 1888 года, – что Вы не хотите переехать

в Берлин, но, как я Вам уже раньше говорил, я думаю, что, безусловно, Вы в

Ваших собственных интересах действуете правильно, предпочитая в конце

концов Бонн. Тот, кто ставит перед собою научные задачи и стремится к их

разрешению, должен оставаться вдали от больших городов. В конце жизни,

когда сильнее склоняешься к тому, чтобы использовать достигнутое для

воспитания нового поколения и для государственного управления, дело обстоит

иначе». В ответе на запрос философского факультета Боннского университета

Гельмгольц отметил Герца как наиболее «талантливого и богатого

оригинальными идеями среди молодых физиков»; он «одинаково способен как к

овладению абстрактнейшими математическими теориями, так и к решению

вытекающих из них вопросов экспериментального порядка с большой ловкостью и

большой изобретательностью в том, что касается методов». Весной 1889 года

Герц прибыл в Бонн как ординарный профессор физики. Здесь он стал

преемником Рудольфа Клаузиуса, который заслужил мировое признание своими

исследованиями в области термодинамики. В распоряжение Герца был

предоставлен красиво расположенный жилой дом, которым владел его

предшественник. «То, что в доме жил один из самых знаменитых в моей науке

людей, конечно, привлекательно для меня и всех физиков, которым случается

меня посещать», – писал он своим родителям. Сан возле дома был очень удобен

Страницы: 1, 2, 3