Текст уведомления здесь

Беспроводные технологии, XIX век

Как Генрих Герц научился передавать электромагнитные волны

Интернет, радио, телевидение, мобильные телефоны — сегодня мы купаемся в океанах искусственных электромагнитных волн самых разных длин, но так было не всегда. Еще полтора века назад люди верили, что электрические силы мгновенно передаются через пространство без посредников, и не имели никаких идей, как управлять этими процессами. Но все поменялось с опытами немецкого физика Генриха Герца.
Добавить в закладки
Комментарии

Герц жил сразу в двух мирах. С одной стороны — идеальный физик-теоретик, способный на кончике пера строить сложнейшие математические рассуждения. А с другой — талантливый и смелый экспериментатор, лишенный побочных особенностей теоретиков (про великого Льва Ландау рассказывают, что он не умел забить гвоздь в стену и мог не найти обед, оставленный женой в холодильнике) и способный из подручного сора собирать приборы для проверки и воплощения в жизнь абстрактной математики.

Возможно, из-за этой природной разносторонности Герц пришел в физику не сразу. Впечатленный воскресными занятиями в школе искусств и ремесел, на которых изучали черчение, а также столярное и слесарное дело, Герц отказался от прочной семейной карьеры юриста (отец Герца был известным адвокатом) и в 1875 году поступил учиться на инженера в высшее технического училище Дрездена.

Спустя два года он понял, что все равно ошибся с выбором профессии, и отправил родителям письмо со словами: «Раньше я часто говорил себе, что быть посредственным инженером для меня предпочтительнее, чем посредственным ученым. А теперь думаю, что Шиллер прав, сказав: «Кто трусит рисковать жизнью, тот не добьется в ней успеха». Родители поддержали сына, и Герц перевелся в мюнхенский университет, где стал изучать физику. Компромиссная карьера инженера и тем более надежная судьба юриста остались в прошлом.

Генрих Герц. Фото: Lenard, Grosse Naturforscher, 1930 / Wellcome Library, London

Генрих Герц. Фото: Lenard, Grosse Naturforscher, 1930 / Wellcome Library, London

После окончания университета Герц устраивается работать ассистентом в берлинскую лабораторию известного немецкого физика Гельмгольца, и дальше его карьера ускоряется невероятными темпами. Герц за несколько месяцев решает несколько задач, доверенных ему руководителем, и уже 5 февраля 1880 года получает докторскую степень. В его диссертации более ста страниц сложнейших математических выкладок, и следующие пять лет Герц продолжит заниматься теоретической физикой — сначала в Берлине, потом в Кильском университете, где он получит должность доцента.

Однако это время ученому сложно занести в актив. Герц снова мучается мыслями о неправильном выборе пути, сомневается в своих теоретических результатах, которые кажутся ему случайными успехами на бумаге, и ходит от одной темы к другой. Пятилетка застоя продолжается до 1885 года, когда Герц становится профессором в Карлсруэ и получает полную свободу действий. Он решает проверить теорию электромагнитных волн, сформулированную еще в 1873 году Джеймсом Клерком Максвеллом.

Искра мысли

Сегодня уравнения Максвелла, описывающие, как заряды и токи порождают электромагнитные поля, должен знать любой физик, продвинувшийся дальше первых курсов университета, но 130 лет назад все было по-другому. Физикой правила концепция дальнодействия, по которой тела могли мгновенно взаимодействовать друг с другом прямо через пустоту, и потому электромагнитные волны, напрямую вытекающие из уравнений Максвелла и распространяющиеся сквозь пространство только с конечной скоростью, очень смущали ученых, в том числе и самого Герца, который в свою бесплодную пятилетку безуспешно пытался найти слабости теории Максвелла.

Экспериментальная мысль Герца двинулась другим путем. В подсобке физического кабинета он находит все необходимое, чтобы собрать простое устройство для проверки существования электромагнитных волн. Оно состояло из двух частей — передатчика, который позже назовут «вибратором Герца», и приемника.

Первый вибратор Герца представлял собой два медных стержня диаметром несколько миллиметров, на концах которых было закреплено по одному большому цинковому и одному маленькому латунному шарику. Эти стержни были сонаправлены друг к другу концами с латунными шариками так, что между ними оставался небольшой зазор в несколько миллиметров, а шарики цинковые играли роль конденсаторов. Также к медным стержням вблизи маленьких шариков были подведены обмотки электрической схемы, выдающей переменный ток высокого напряжения.

Резонатор Герца был незамкнутым кольцом диаметром 70 см с точно такими же латунными шариками на концах и таким же зазором. При генерации напряжения в щели вибратора проскакивала искра, и в пространство излучались электромагнитные волны, которые доходили до удаленного резонатора, чтобы выбить искру уже там и возбудить электрические колебания.

Схематическое изображение резонатора Герца (слева) и вибратора Герца (справа)

Схематическое изображение резонатора Герца (слева) и вибратора Герца (справа)

Дальше Герц подбирал размеры резонатора, стержней, шариков и зазоров между ними и тем постепенно улучшал систему: сонастраивал колебательные контуры вибратора и резонатора, повышал частоту возбужденного тока. Однако сначала реакция ученого на свои результаты была сдержанной: Герц начал опыты в конце октября 1886 года, а в ноябре аккуратно писал у себя в дневнике: «Мне посчастливилось установить индукционное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током». Ни о каких электромагнитных волнах и тем более верности теории Максвелла речи тогда еще не шло.

Следующие эксперименты заставили Герца пересмотреть свои взгляды: постепенно он обнаружил, что эта загадочная субстанция, передающая электрические колебания, ведет себя так же, как свет. Ученый добавлял в систему экраны, зеркала и решетки и сталкивался с уже известными в оптике явлениями вроде преломления или интерференции. Когда же ему удалось посчитать скорость распространения электрического возбуждения от вибратора к резонатору, совпавшую со скоростью света, Герцу ничего не оставалось, кроме как отвергнуть прошлые убеждения — поступок мучительно героический и характеризующий его как ученого лучше самой сложной математики и прекрасного практического ума.

В результате в докладе на съезде немецких естествоиспытателей в 1889 Герц подводит итог экспериментов следующими словами: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла… Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

Три года упорных экспериментов (масштабы времени, абсолютно крошечные в науке, особенно современной) не только перевернули представления о дальнодействии электромагнетизма, но и подкосили здоровье самого Герца. В 1892 году у него диагностируют заражение крови, а в 1894 году физик умирает в возрасте 37 лет. Год спустя, 7 мая 1895 года, Александр Попов показывает свой первый прототип радио — устройства, родившегося из тусклых искр в экспериментах Герца и научившего людей по всему миру мгновенно общаться друг с другом посредством электромагнитных волн.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью

Еж Соник, хулиганская выходка и японские самураи

Три научных названия и их истории

Наука — штука строгая, логичная, и поэтому многим кажется скучной. Однако если покопаться в научной номенклатуре, можно обнаружить массу интересного: от хулиганских выходок известных ученых до легенд древних японцев.
Добавить в закладки
Комментарии

Еж Соник

Еж Соник, он же Sonic the Hedgehog, — известный персонаж одноименной компьютерной игры компании Sega. Свое имя он получил потому что по сюжету игры способен передвигаться со сверхзвуковой скоростью.

Поэтому довольно странно читать на сайте Национального института здоровья США: «Еж Соник необходим для клеточного роста, специализации клеток и развития нормальной формы тела». Можно подумать, что для нормального развития стоит побольше играть в компьютерные игры. Но нет, в данном случае речь идет о белке SHH — sonic hedgehog — и гене, который его кодирует (по ссылке можно посмотреть, что бывает, если с геном «еж Соник» что-то пошло не так, но зрелище не для слабонервных. Мы предупредили — прим. ред. «Чердака»).

Казалось бы, при чем тут еж Соник? У млекопитающих встречаются три варианта этого гена: «пустынный еж» (DHH), «индийский еж» (IHH) и «еж Соник» (SHH). Впервые «родственника» этих генов нашли у мушек-дрозофил. Глядя на то, как скрючивались личинки мух, у которых мутировал вариант гена, Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус (впоследствии — лауреаты Нобелевской премии за исследования эмбрионального развития) назвали ген «ежом». [ ... ]

Читать полностью
Черенковское излучение вокруг ядерного реактораAaron Frank

Быстрее света

За что советские ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1958 году

28 октября 1958 года советским ученым была впервые присуждена Нобелевская премия по физике — за открытие и истолкование эффекта Черенкова. «Чердак» коротко рассказывает о том, кто были эти ученые и что это за эффект.
Добавить в закладки
Комментарии

В 1933 году Павел Черенков и Сергей Вавилов (первый был аспирантом у второго) в лаборатории Физико-математического института обнаружили ранее неизвестное явление. Чистая вода без всяких примесей начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах.

Излучение Вавилова — Черенкова возникает, когда частица движется быстрее скорости света в плотной среде. Слова «быстрее скорости света» тут не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а вот во всех материалах свет движется медленнее, чем в вакууме, и это уже вовсе не фундаментальное ограничение. Частица, разогнанная в вакууме, вполне может влететь в воду со скоростью, например, 299 791 километр в секунду, в то время как для воды предел составляет около 225 тысяч километров в секунду. А для оптического стекла это значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тысяч км/с, то есть свет распространяется в них вдвое медленнее! [ ... ]

Читать полностью