Об имени, вписанном в саму природу электромагнитного мира
Когда вы настраиваете радиоприёмник на определённую частоту, когда смотрите на технические характеристики микропроцессора своего компьютера или попросту подключаете прибор к электрической сети переменного тока, вы произносите имя человека, прожившего всего тридцать шесть лет и тем не менее изменившего представление человечества о природе. Имя этого человека — Генрих Герц (1857 — 1894).
Его судьба — один из самых трагических и одновременно самых вдохновляющих сюжетов в истории науки. Он был выдающимся и разносторонним физиком. Свои глубокие теоретические знания он продемонстрировал, изменив уравнения, выведенные Джорджем Максвеллом. Уравнения Максвелла стали более «красивыми», а значит, чётче демонстрирующими свою связь с реальностью.
Одновременно Генрих Герц был блестящим экспериментатором, доказавшим существование электромагнитных волн, которое предсказала теория Максвелла. Генрих Герц умер прежде, чем успел увидеть практические плоды своего открытия. Радио, телевидение, мобильная связь, Wi-Fi — всё это стало возможным благодаря нескольким годам его экспериментов в тихой лаборатории в Карлсруэ. И во всё это впечатано его имя, которое стало наименованием единицы частоты, герцем.
Максвелл: уравнения предсказывают
Чтобы понять значение Герца, необходимо начать с Джеймса Клерка Максвелла — шотландского физика, который в 1860-е годы совершил один из величайших теоретических подвигов в истории науки. Максвелл взял разрозненные экспериментальные открытия своих предшественников — Фарадея, Ампера, Кулона — и синтезировал их в единую систему уравнений, описывающих поведение электрических и магнитных полей.
Уравнения Максвелла, опубликованные в полном виде в 1865 году, были не просто математическим обобщением известных фактов. Они содержали нечто принципиально новое: предсказание о том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное — электрическое. Это взаимное порождение полей означало возможность существования самораспространяющейся электромагнитной волны — структуры, которая движется в пространстве без какой-либо среды-носителя.
Максвелл вычислил скорость этой гипотетической волны — и получил число, практически совпадающее со скоростью света, уже известной к тому времени из оптических экспериментов. Вывод был ошеломляющим: свет — это и есть электромагнитная волна. Видимый свет, тепловое излучение и гипотетические «электрические волны» — всё это проявления одного и того же физического явления, отличающиеся лишь частотой колебаний.
Это было пророчество в математической форме. Блестящее, внутренне непротиворечивое — и совершенно не подтверждённое экспериментально. Когда Максвелл умер в 1879 году, никто ещё не наблюдал электромагнитных волн непосредственно. Оставался вопрос: существуют ли они в действительности, или это лишь элегантный математический приём?
Молодой физик из Гамбурга
Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857 года в Гамбурге — городе купцов, судостроителей и честолюбивых бюргеров. Его отец был преуспевающим адвокатом и сенатором, то есть принадлежал к городской верхушке. Мать происходила из семьи врача. Семья была образованной, состоятельной, культурной — в ней ценили и практическую смётку, и интеллектуальное честолюбие. Детей воспитывали в соответствии с модной тогда теории универсального развития, «Bildung».
Эту теорию будто бы специально выдумали для юного Генриха. С детства Герц обнаруживал необычное сочетание качеств: страсть к ручному труду и математическую одарённость. Он умел работать с деревом и металлом, конструировал приборы, изучал арабский язык и санскрит. Это сочетание теоретического мышления с экспериментальной культурой сыграет решающую роль в его научной биографии. Его «рукастость» и светлый ум открывали для Генриха широчайшие перспективы. Повернись его жизнь иначе, он мог бы стать известным инженером или профессором философии университета.
После нескольких лет колебаний между инженерией и физикой Герц оказался в Берлине, в лаборатории Германа фон Гельмгольца — одного из крупнейших физиков и физиологов эпохи. Гельмгольц увидел в молодом студенте исключительные способности и поставил перед ним задачу, которая тогда казалась почти неразрешимой: мoжeт ли элeктричeский тoк имeть мaссy? Берлинская академия наук даже учредила специальную премию за это достижение — и никто не торопился её забирать.
Герц поначалу счёл задачу неподъёмной при имевшемся оборудовании и занялся другими исследованиями. В 1885 году, получив профессорское место в Карлсруэ, он вернулся к этой проблеме — и на этот раз не отступил.
Эксперименты в Карлсруэ: теория на практике
Лаборатория в Карлсруэ была скромной. Герц работал с приборами, многие из которых конструировал сам — вот где пригодились полученные в детстве навыки работы с металлом. Центральным устройством его экспериментов стал вибратор: два металлических стержня с шаровыми наконечниками, разделённые небольшим зазором. При подаче высокого напряжения между шарами проскакивала искра, создавая быстрые колебания электрического поля.
Для регистрации волн Герц использовал резонатор — незамкнутое кольцо из проволоки с таким же малым зазором. Если вибратор действительно излучал электромагнитные волны, они должны были вызывать в резонаторе колебания — и в зазоре должны были появляться крошечные искры, видимые в темноте.
Вибратор Герца был простейшим передатчиком, а резонатор – простейшим приёмником. Герц впервые в истории создал и зарегистрировал то, что мы сегодня называем радиоволнами.
В 1887–1888 годах Герц провёл серию экспериментов, результаты которых потрясли физическое сообщество. Он не только зафиксировал электромагнитные волны — он методично исследовал их свойства. Волны отражались от металлических поверхностей, преломлялись в призмах из смолы, интерферировали, образуя стоячие волны. Герц измерил их длину и, зная частоту колебаний вибратора, вычислил скорость распространения — она совпала со скоростью света с точностью, доступной его приборам.
Электромагнитные волны существовали. Это было окончательным доказательством правильности теории Максвелла. Свет и «электрические волны» оказались явлениями одной природы. Главное их отличие было только в частоте.
Примечательно, что сам Герц поначалу не думал о практических применениях своего открытия. На вопрос о том, как можно использовать электромагнитные волны, он, по воспоминаниям современников, отвечал, что никак — это чисто научный результат, подтверждение теории Максвелла. В наше время, когда мир просто пронизан электромагнитным излучением, такой ответ вызвал бы недоумение.
Другие открытия Генриха Герца, фотоэффект и механика
Вклад Герца в физику не исчерпывался доказательством существования электромагнитных волн. В 1887 году, в ходе тех же экспериментов, он случайно наблюдал явление, которое назвал «ультрафиолетовым эффектом»: искра в зазоре резонатора возникала легче, когда на металл падал ультрафиолетовый свет. Герц описал это наблюдение, но не стал его развивать — задача была другой.
То, что Герц заметил мимоходом, оказалось фотоэлектрическим эффектом — явлением, объяснение которого в 1905 году принесло Альберту Эйнштейну Нобелевскую премию. Именно попытка объяснить наблюдение Герца привела Эйнштейна к концепции фотона и к квантовой теории света. Таким образом, Герц стоит у истоков не только радиотехники, но и квантовой физики — хотя и косвенно.
Герц внёс также значительный вклад в механику. «Контактная механика Герца» — раздел механики сплошных сред, описывающий напряжения и деформации при контакте упругих тел. «Контактное давление Герца» и «контактный радиус Герца» — понятия, которыми пользуются инженеры при проектировании подшипников, зубчатых передач и других механических узлов.
В последние годы жизни, уже тяжело больной, он работал над фундаментальным трудом «Принципы механики», в котором предложил новую формулировку классической механики — без понятия силы, через геометрические связи. Этот труд, опубликованный посмертно в 1894 году, оказал влияние на Людвига Витгенштейна и на развитие аналитической философии науки.
Герц, таким образом, был не только экспериментатором, но и мыслителем, задумывавшимся об основаниях физического знания. Настоящим физиком!
Имя, вписанное в природу
Генрих Герц умер 1 января 1894 года в Бонне от редкого аутоиммунного заболевания сосудов. Ему было тридцать шесть лет. Он не дожил до триумфального шествия радио по планете, не дожил до того, как его имя стало нарицательным.
Имя Герца вписано в саму структуру описания физического мира — так же неустранимо, как уравнения Максвелла вписаны в законы электромагнетизма. Пока существует периодический процесс — а он существует везде, от сердечного ритма до космического излучения, — будет существовать и единица, носящая имя Герца.
В 1930 году Международный электротехнический комитет присвоил имя Герца единице измерения частоты. Один герц — одно колебание в секунду. Это определение предельно простое, но за ним стоит вся физика волновых процессов. В 1960 году эта единица была официально включена в Международную систему единиц (СИ) под обозначением Гц (Hz).
Широкий диапазон
Герц как единица измерения — явление уникальное по охвату. Практически любой физический процесс, имеющий периодический характер, измеряется в герцах или производных от него единицах: килогерцах (кГц), мегагерцах (МГц), гигагерцах (ГГц), терагерцах (ТГц). Этот ряд охватывает весь диапазон электромагнитного спектра — от низкочастотных инфракрасных волн до рентгеновского и гамма-излучения, которые характеризуются высокой частотой.
Средневолновое радио работает в диапазоне сотен килогерц. FM-радио — 87–108 МГц. Мобильная связь занимает диапазон от 800 МГц до 3,5 ГГц. Wi-Fi работает в диапазоне 2,4 и 5 ГГц. Частота видимого света измеряется сотнями терагерц. Везде, на всех диапазонах, мы встречаемся с единицей, носящей имя молодого физика из Гамбурга.
Электрические герцы
Фигурально выражаясь, Генрих Герц живёт в каждой электрической розетке вместе с Алессандро Вольта. Подключая к электрической сети переменного тока бытовой прибор, мы интересуемся не только напряжением, на которое этот прибор рассчитан, но и частотой электрического тока. Частота электрического тока в розетке для России и для большинства стран мира — 50 Гц, в США частота электрического тока в сети - 60 Гц.
Миллиарды Герц в одном процессоре
Особую значимость герц, как единица частоты, приобретает в вычислительной технике. Тактовая частота процессора — то есть число операций, выполняемых в секунду, — измеряется в гигагерцах. Современные процессоры работают на частотах 3–5 ГГц, то есть совершают от трёх до пяти миллиардов тактов в секунду. Когда инженеры говорят о «разгоне» процессора, они говорят об увеличении числа герц — и тем самым неявно апеллируют к человеку, доказавшему существование электромагнитных волн в лаборатории XIX века.
Эпоним как форма научной памяти
Как в случае Герца, присвоение имени учёного единице измерения — особая форма научного признания, отличающаяся от всех прочих. Нобелевские премии, почётные звания, мемориальные доски — всё это формы памяти, требующие сознательного усилия: нужно прийти на церемонию, прочитать таблицу, вспомнить биографию. Единица измерения работает иначе: она встроена в язык описания природы и звучит каждый раз, когда физик, инженер или обычный пользователь обращается к частотным характеристикам любого явления или устройства.
В этом смысле герц как эпоним занимает исключительное положение даже среди других физических единиц, носящих имена учёных. Ньютон, джоуль, ватт, ампер, вольт, ом — все эти единицы используются широко, но всё же в более специализированных контекстах. Герц же, как видим, встречается буквально везде, где есть периодический процесс — а это означает, что его имя звучит в физике, химии, биологии, медицине, вычислительной технике, акустике, оптике и десятках других дисциплин.
Впрочем, и в эту область вмешалась политика. Казалось бы, Германия должна гордиться великим учёным. Но в годы нацизма вокруг имени Генриха Герца начались идеологические танцы с бубнами. Почему? Потому что по отцовской линии он был евреем, и переход в лютеранство отца и деда Герца для нацистов ничего не значил. Последний ассистент Герца и его ближайший сотрудник Филипп Ленард называла Герца одним из создателей так «еврейской физики», враждебной так называемой «арийской науке». Портрет Герца в городской ратуше Гамбурга сняли. Единицу же измерения частоты попытались переименовать в «гельмгольц», упирая на то, что при этом можно сохранить сокращённое наименование Hz.
Башня Герца в Гамбурге: память в бетоне и стали
Имя Герца присутствует в научной номенклатуре в нескольких измерениях. Помимо единицы частоты, его имя носит кратер на обратной стороне Луны и астероид 3031 Hertz.
Среди объектов, привязанных к нашей планете и связанных с именем Герца, особое место занимает сооружение, которое строго говоря не является эпонимом в лингвистическом смысле, но производит на наблюдателя значительно более сильное впечатление, чем любой термин в физическом словаре. Это Башня Герца (Hertzturm) в Гамбурге — телевизионная башня высотой 279 метров, возведённая в 1968 году.
Башня стоит на территории выставочного комплекса в западной части города и хорошо видна с многих точек гамбургской панорамы. Конструктивно она принадлежит к типу железобетонных телебашен, распространённых в Европе в 1960–70-е годы: тонкий ствол, расширяющийся у основания, с технической платформой и смотровой площадкой на высоте около 130 метров. Архитектурно она лаконична и функциональна — эстетика инженерного сооружения без декоративных излишеств.
Символизм этого посвящения очевиден и точен. Башня передаёт радио- и телевизионные сигналы — то есть использует именно те электромагнитные волны, само существование которых доказал Герц. Гамбург, родной город Герца, увековечил его имя в сооружении, которое буквально воплощает его открытие.
Вечный диалог Максвелла и Герца
Между Максвеллом и Герцем есть почти мистическая симметрия. Максвелл предсказал электромагнитные волны и умер в 1879 году — за восемь лет до того, как Герц их обнаружил. Герц доказал существование волн и умер в 1894 году — за год до того, как Маркони использовал их для передачи сигналов на расстояние. Оба не дожили до полного триумфа своих идей.
И всё же именно их имена стоят у истоков нашей цивилизации, окружившей нашу планету коконом электромагнитных волн. Уравнения Максвелла описывают фундаментальные законы электромагнетизма и по сей день остаются одним из столпов теоретической физики — наряду с общей теорией относительности и квантовой механикой. Опыты Герца превратили эти уравнения из математической абстракции в физическую реальность. Это разделение труда между теорией и экспериментом — одно из самых плодотворных в истории науки.