Будь то искренний поиск знаний или просто желание удовлетворить мимолетное любопытство, нет сомнений в том, как часто звучит вопрос: «Кто изобрел то или иное?» Правда в том, что почти каждое изобретение — это результат многолетних разработок, в которых участвуют множество людей.
«Как говорится, хочешь в приличном обществе забавы ради понаблюдать за массовой дракой, спроси у физиков, кто первым изобрел радиосвязь.»
Меня зовут Ковальчук Артём, я сетевой инженер, и это подкаст “До нас дошло”. Сегодня мы будем изучать — имя которого практически стало синонимом электромагнитных волн.
История беспроводной связи начинается с исследования электромагнитных волн. Майкл Фарадей первым предсказал их существование, Джеймс Клерк Максвелл объяснил, как они распространяются, а Герц доказал, что они действительно существуют и что они похожи на видимый свет.
Обычно ученых вспоминают через их открытия, но изучая дневники Герца, мне показалось важным рассказать и о его личности.

Итак, начнем с самого начала: Герц родился в Гамбурге, в Германском союзе (ныне современная Германия), в 1857 году.
Ранние годы мало чем отличались от детства многих других детей северно-германской протестантской буржуазии, середины 18 века.
Дом, игры, слуги, концентрированное семейное оживление за ужином, затем спокойный час с матерью за картинной книгой. Позднее последовало музыкальное обучение, необходимое для должного культурного воспитания, и занятия ремеслом (для развития ловкости и прививания терпения).
У Генриха не было музыкального слуха, но он прекрасно умел мастерить вещи, и у него была так называемая «память совершенная» по словам его матери. Он также был энергичен и, возможно, несколько нервозен, явно требовал постоянного стимулирования и поглощения деятельностью.
Его школьное образование началось в частной школе под руководством доктора Вихарда Ланге, где юный Герц и проучился 9 лет.
Система образования дореформационной Германии ранее различалась от княжества к княжеству, но с начала XIX века строго делилась на академическое и практическое обучение. Все строилось на концепции Bildung — образовании, ориентированном на интеллектуальное и эстетическое развитие, но без практической подготовки.
Если обычное образование – это “Научись строить мост”, то Bildung – это “Осмысли, что такое мост в контексте человеческой цивилизации”.
В то время, гимназии, обладая монополией на поступление в университет через экзамен Abitur - аттестат зрелости, отвергая любые практические навыки — даже рисование считалось второстепенным.
По просьбе директора Ланге миссис Герц не готовила Генриха к школе, и на момент поступления он не знал ни одной буквы. Он быстро научился читать и вскоре стал одним из лучших учеников, оставаясь таковым на протяжении всего обучения.
Следуя своим интересам детства, кроме классической учебной программы, он с огромным рвением рисовал и лепил из глины.
Директор Ланге, который время от времени навещал Герцев, был высокого мнения о Генрихе и часто предсказывал, что он станет выдающимся человеком.
В определенный момент класс был разделен на две группы. Одна изучала латынь, чтобы подготовиться к университету; в другой делался упор на арифметику и естественные науки. Поскольку Генрих благодаря своим техническим навыкам стремился стать инженером, он, по совету специалистов, остался во второй группе.
Родители поддерживали любые увлечения сына, и, «посоветовавшись с экспертами», не заставляли его следовать классической учебной программе. Однако, вероятно, с самого начала они все же рассчитывали, что он сдаст Abitur, ведь это позволяло бы сократить военную службу до одного года в офицерском корпусе.
Отец, посчитав, что школьные нагрузки слишком велики для сына, решил перевести его на частное обучение, чтобы подготовить к выпускному классу и дать больше свободы увлечениям.
Начались два наполненных работой года, которые значительно продвинули учебу Генриха и которые он вспоминает как величайшее счастье.
Вот как мать описывает его распорядок дня в своих мемуарах:
Каждое утро с 7 до 8 часов (зимой с 8 до 9) у него проходили занятия: дважды в неделю — уроки греческого и латыни, дважды в неделю — математика, а по воскресеньям с 9 до 12 — занятия в ремесленной школе.
В 12:30 он обедал вместе с маленьким братом Отто. Полчаса игры с младшим братом были его единственным отдыхом. После этого он снова брался за учебу и занимался почти до ужина в 5 часов. Остаток дня он проводил за токарным станком.
Завершив частные уроки, Генрих поступил в выпускной класс.
Он успешно сдал выпускные экзамены, но в университет поступать не стал, решив сосредоточиться на инженерном деле. Для получения государственной лицензии инженера ему требовалась рабочая практика в строительном департаменте, и он твердо следовал этому плану.
Такой выбор вполне может быть связан с социальными ожиданиями того времени. В Германии XIX века инженерия считалась надежной и уважаемой профессией, особенно для человека с такими математическими способностями.
Покинувший гнездо Герц отправился в - Франкфурт-на-Майне. Там он оказался в условиях, которые могли бы быть знакомы многим сегодняшним студентам лишь за единственным отличием - жил он в скромной, но все же квартире, которую любезно предоставила семья сестры его матери. Каждое утро начиналось с того, что он сам готовил себе кофе, а завтрак устраивал прямо между кроватью и умывальником. Он не мог позволить себе роскоши, какая была ему доступна в родительском доме. Он был избалованным ребенком.
Несмотря на это, он старался адаптироваться и найти в этом какие-то плюсы, учась быть независимым и не обращая внимания на неудобства.
Во Франкфурте на тот момент шло колоссальное количество строительных работ разных типов: церкви, музеи, частные дома, проекты набережных, железнодорожных вокзалов и два моста через реку Майн.
Герц работал в департаменте общественных работ, где утро посвящал офису и строительным площадкам, а после обеда — скульптуре и домашним заданиям. В перерывах читал греческие тексты, решал задачи по математике и изучал книги по архитектуре. Он успел поработать над проектами железнодорожного вокзала, моста через Майн и крыши фондовой биржи.
Весной 1876 года он уехал в Дрезден для продолжения изучения инженерии в местном политехническом институте. Здесь хотя бы Генрих мог напрямую заниматься наукой, но всё равно чувствовал одиночество и тоску по дому. Большую часть времени он занимался математикой — и его способности в этой области быстро развивались.
Учебу пришлось прервать: в 1876 году, в возрасте 20 лет, Генрих начал обязательный год службы в армии Бисмарка в недавно созданной Германской империи, попав в 1-й Железнодорожный Гвардейский полк. Служба проходила в Берлине, тогда Герц впервые познакомился с этим городом. После объединения немецкой нации в 1871 году были предприняты решительные усилия, чтобы преобразовать ее в демонстрацию немецкого университетского мира. Эти усилия привлекли в Берлин в качестве профессоров, таких гигантов физики того времени как: Герман фон Хельмгольц и его друг и коллега Густав Кирххофф (1824-1887).
Служба подошла к концу в сентябре 1877 года, он не задержался в Берлине. Уже в октябре Герц покинул город и отправился в Мюнхен, чтобы продолжить обучение в политехническом институте, углубляя инженерную подготовку, начатую в Дрездене.
Нам редко выпадает возможность заглянуть в голову тогдашнему молодому студенту, в момент, когда он стоит на перепутье. К счастью, сохранились письма Генриха к его родителям, среди которых особенно примечательно письмо его отцу от 1 ноября 1877 года, в котором он просит одобрения на переход от инженерии к естественным наукам — решению, которое он наконец принял.
«…Я не могу понять, почему не осознал этого раньше, ведь даже приехав сюда, я был настроен изучать математику и естественные науки и не думал вообще о геодезии, строительстве, строительных материалах и тому подобном, что должны были быть моими основными дисциплинами. Жаль, что эта мысль не пришла мне в голову, пока я был дома, потому что тогда мы могли бы обсудить это и лучше устроить все, чем теперь. Но что с того? Уже не помочь. Я также напомнил себе не раз, что я бы предпочел быть важным ученым, чем важным инженером, но скорее незначительным инженером, чем незначительным ученым. Однако теперь, стоя на перепутье, я думаю, что прав Шиллер: «И если ты не осмелишься поставить свою жизнь на карту, ты никогда не сможешь надеяться выиграть битву“, и что слишком много осторожности — это глупость…»
Ответ его отца не сохранился, но из следующего письма Генриха очевидно, что он получил столь желанное одобрение. Окрыленный новостью Генрих сразу записывается на курсы высшей математике, механики, экспериментальной физики и химии.
В его философии не было места легким путям. Он четко понимал: если хочет занять место среди выдающихся физиков своего времени, то сначала должен в совершенстве овладеть существующими знаниями. И он был готов посвятить себя этому зная, что только упорный труд приведет его к цели.
ПАУЗА
Для начала своей карьеры физика Герц выбрал Берлин, вдохновленный достижениями и авторитетом Гельмгольца. О других вариантах он даже не задумывался. К 1878-му годам электродинамика переживала период активных споров, в центре которых находились две конкурирующие немецкие теории — одна, предложенная Гельмгольцем, и другая, разработанная Фехнером и Вебером. Их основное расхождение касалось того, как именно взаимодействуют электрические токи.
Фехнер и Вебер представляли электричество как поток заряженных частиц, которые взаимодействуют друг с другом напрямую сквозь пространство, подобно тому, как планеты движутся под влиянием гравитации. Они пытались вывести законы взаимодействия этих частиц, используя ньютоновскую механику. Их математическая модель давала правильные результаты, но не объясняла, как это согласуется с энергией систем.
Гельмгольц, напротив, строил свою теорию на основе закона сохранения энергии - любая энергия не исчезает просто так. Если предметы изменяют свое расстояние друг от друга, то энергия взаимодействия также может измениться. Согласно принципу “сохранения энергии” такое изменение приведет к механической силе, действующей на каждый из них. В его представлении электродинамика должна работать независимо от того, существуют ли «электрические атомы» как у Вебера или нет.
Но существовала и третья сторона, в Великобритании, где форма электродинамики отличалась и быстро становилась доминирующей. Ее родоначальниками были Фарадей и Максвелл, которые в своей теории использовали некую третью сущность называемую полем.
Именно в этот период к Гельмгольцу в ученики пришел Генрих Герц, который оказался втянут в этот научный конфликт.
К ноябрю 1878 года он уже был занят организацией работы в лаборатории. Гельмгольц сразу подкинул ему конкурсную задачку, за решение которой была положена премия от университета — обладает ли электрический ток инерцией. В его понимании ток не должен обладать инерцией, в то время как в электродинамике Вебера он должен был ее иметь.
В то время еще не было четкого понимания физической природы электрического и магнитного полей. Имело место мнение, что существуют некие связанные с ними «флюиды», обладающие, подобно всем известным средам, массой, а, значит, и инерцией. Если в проводнике либо возникает, либо прекращается электрический ток, эта инерция должна была бы обнаружиться, и Герц имел целью исследовать это экспериментально.
Смысл задачи заключается в следующем: если электричество движется в телах с инерцией, то этот эффект, при определенных условиях, должен проявляться в величине добавочных токов (токов, появляются при включении или отключении основного тока). Необходимо провести эксперименты, измеряя эти добавочные токи, чтобы сделать выводы об инерции протекающего электричества.
Лаборатория, в которой Герцу предстояло провести ближайшие несколько месяцев, была идеально подготовлена для эксперимента: все под рукой — инструменты, газовые установки, проточная вода. Гальванометр крепился на железном кронштейне, а телескоп можно было удобно регулировать. В отдельной комнате собирались батареи, а провода через стену устраняли проблемы с кислотой.
Несмотря на то что все двигалось в правильном направлении, на пути постоянно возникали новые трудности. Казалось, что основную часть удастся завершить еще неделю назад, но как только одна проблема была решена, тут же возникала новая, более сложная. Герц оказался почти на том же месте, с которого начинал. Все это требовало терпения.»
Теперь, когда мы знаем, что электрический ток в проводниках обусловлен движением электронов становится понятным, что опыты Герца не могли обнаружить искомого эффекта инерции. Несмотря на то, что результаты опытов были, фактически, отрицательными, работа была оценена очень высоко и в 1879 отмечена призом университета.
Это был первый проект, который привел Герца к успеху в экспериментальной физике (пусть и с отрицательным результатом) и первой научной публикации.
5 февраля 1880 года, в возрасте, вдумайтесь, двадцати трех лет, он получил докторскую степень на основе теоретического анализа вращения металлических сфер в магнитном поле. На первый взгляд, это казалось далеким от электромагнетизма, но на самом деле это было продолжением его опытов с поиском инерции в токах и его растущий интерес к теме электричества в целом.

Немного отдохнув от интенсивной работы над диссертацией, Герц вернулся к экспериментам, где тесные связи с Гельмгольцем и коллегами способствовали его исследованиям. В это время Герц опубликовал серию работ, однако они не касались электродинамики.
Гельмгольц, высоко ценивший Герца, вероятно, хотел бы, чтобы тот занялся задачей, которую Прусская академия наук поставила еще в 1879 году — исследовать, как изоляторы влияют на электродинамику. Это было важно для теории Максвелла, в отличие от старых теорий.
Максвелловская теория предсказывала, что электромагнитные волны могут распространяться через различные среды, обладающие разной проницаемостью и проводимостью. Изоляторы, такие как стекло, дерево или резина, имеющие низкую проводимость, должны были по-своему влиять на эти волны, например, изменяя скорость их распространения или изменяя саму форму волны.
Герц достаточно подробно рассматривал перспективы такой работы, важность которой он хорошо понимал. Однако, несмотря на обещание полной поддержки со стороны института, Герц сомневался, что искомые эффекты можно будет обнаружить с такой интенсивностью, чтобы не оставить сомнений в результатах.
Несмотря на пять замечательных лет, проведённых в Берлине, Герц понимал, что пришло время искать академическую должность в другом месте.
Он мог надеяться, что Гельмгольц поддержит его кандидатуру, если появится подходящее место, но полной уверенности в этом не было. Поэтому он решил попробовать свои силы в более спокойной и менее конкурентной среде.
Выбор пал на Киль, небольшой город на побережье Балтийского моря, в семидесяти милях к северу от Гамбурга. Благодаря своей работе “Эксперименты с катодными разрядами” и рекомендациям Гельмгодца, Герц получил право на преподавательскую должность в местном университете.
После визита в Киль и убедившись, что факультет был рад принять его в свои ряды, Герц согласился на предложение. Вероятность получить в будущем должность доцента и советы родителей, похоже, перевесили его опасения, что его назначат исключительно математическим физиком и он не сможет проявить свои способности в других областях.

В отличие от многих нештатных преподавателей, Герц должен был получать скромную годовую стипендию в 500 талеров (примерно 300тыс. рублей в месяц на сегодняшние деньги), плюс дополнительное вознаграждение за студенческие сборы за курсы, которые он будет преподавать.
Он не был доволен этой позицией с научной точки зрения. Лекции, которые ему приходилось читать, не соответствовали его интересам, и не было возможности для проведения экспериментальных исследований.
Но основным врагом здесь было одиночество. Даже записи в дневнике теперь выглядели односложными предложениями, вместо увлеченных рассказов, как это было в Берлине.
Все стало еще сложнее, когда Герцы потеряли младшего брата. Отто был любимым братом Генриха, и его смерть тяжело отразилась на всей семье.
После этого он целиком погрузился в работу. 9 мая 1884 года записал в своём дневнике, что нашёл решение электромагнитной задачи, над которой долго размышлял. Это стало его главным научным вкладом за время пребывания в Киле.
Приглашение стать профессором физики в Карлсруэ Герц воспринял как «помилование» и принял должность в апреле 1885 года. Он был рад, что снова получил доступ к экспериментальной лаборатории. Но что окончательно решило его ментальные проблемы - женитьба на Элизабет Доль, дочери одного из старших коллег по институту.
С этого момента начался его «классический период».
Физики знали, что подтверждение теории Джеймса Клерка Максвелла возможно только с помощью быстрых электрических колебаний. Но доказать их существование в лаборатории не удавалось. Герцу помог случай: при разряде Лейденской банки — устройства, предназначенного для накопления электрического заряда — через одну спираль во второй возникал «вторичный» разряд. Он понял, что одна спираль передает, а другая принимает электрические колебания.
Продолжая эксперименты, он заменил спирали на собственно изобретение - специальное устройство для генерации электромагнитных волн, которое позже стало известно как «вибратор Герца». Это был довольно сложный прибор, состоящий из двух медных стержней длиной 1,3 м и диаметром 5 мм, на концах которых располагались маленькие латунные шарики диаметром 3 см и большие цинковые сферы диаметром 30 см. Между маленькими шариками оставался небольшой зазор, через который пропускались искры — искровой промежуток.
Искры представляли собой кратковременные разряды и выглядели как миниатюрные молнии, возникающие в результате электрического пробоя сопротивления воздуха.
Чтобы создать высоковольтные импульсы, Герц использовал катушку Румкорфа, это устройство превращало слабый постоянный ток с низким напряжением в переменный ток с высоким напряжением. Катушка была сделана из проволоки, намотанной в спираль, и соединена с конденсатором, который хранил заряд. Когда ток проходил через катушку, между металлическими шариками возникали искры.
В момент появления искры в окружающее пространство излучались электромагнитные волны.
Характеристики волны зависели от того, как настроена вся цепь — Герц мог менять её настройки, двигая большие сферы вдоль стержней, что изменяло индуктивность и ёмкость цепи и, соответственно, частоту колебаний, а значит и длину волны.
Для приема этих волн Герц использовал резонатор — проволочное кольцо диаметром 70 см с латунными шариками на концах, как у передатчика. Изменяя размеры и положение кольца, он подстраивал его под частоту излучаемых волн, настраивая резонатор на резонанс с передатчиком. Здесь он воспользовался своим предположением, что это может быть похоже на акустический резонанс, когда звук вызывает вибрации в предметах, настроенных на ту же частоту. Когда резонатор был правильно настроен, между его шариками возникали искры в тот момент, когда они появлялись на вибраторе.
Эти искры были очень слабыми (длиной менее десятой части миллиметра), и их можно было увидеть только в темноте. Большую часть времени приходилось сидеть в кромешной темноте и всматриваться в искровой промежуток. Отточив этот навык Герц, спустя время, мог углядеть подобные разряды даже при свете дня. Цена оказалась высокой - продолжительная работа в темноте отрицательно сказалась на его зрении.
Герцу удалось не только обнаружить волны, в том числе, и стоячие, но и исследовать скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию
Последующие показательные опыты перед научным сообществом окончательно подтвердили выводы максвелловской теории о том, что скорость распространения электромагнитных волн в воздухе равна скорости света и их свойства тождественны свойствам волн видимого света, разница была лишь в частоте колебаний.
Открытие электрических волн было полностью оценено. Королевское общество пригласило Герца в Лондон, где он с удовольствием встретился с многими выдающимися британскими физиками.
Последовали приглашения в Америку, в Гиссен, в Берлин, в Бонн.
Герц быстро выбрал Бонн и переехал туда в 1889 году.
В Бонне Герц сосредоточился на теории. Он исправил некоторые несоответствия в теории Максвелла, превратив свои выводы в работу «О фундаментальных уравнениях электромагнитизма для тел в покое». Позже он развил теорию для движущихся тел, что стало основой для теории относительности Эйнштейна. А так же успел приложить руку к теоретическому объяснению эффекта, открытого Рентгеном в 1888 году.

К сожалению, здоровье Герца стало ухудшаться…Он страдал от множества мелких недомоганий, начиная с конца его пребывания в Карлсруэ в ноябре 1889 года. Летом 1892 года Герц схватил опасную инфекция челюсти - незаживающий абсцесс; последовали операции, временные улучшения и неудачи.

Одной из возможных причин ухудшения здоровья стало здание Института физики в Бонне, которое ранее использовалось для лечения инфекционных заболеваний. Этот фактор мог объяснить проблемы Герца, а также болезни других сотрудников института.
1 января 1894 года, вскоре после того как отправил основную часть своей работы по механике издателю, Герц навсегда закрыл глаза, не дожив до 37 лет.
Его наследием была вся его работа, которая стала основой для будущих технологий, включая радио и беспроводную связь. Британский ученый Оливер Лодж первым расширил эксперименты Герца, затем за это взялся Александр Попов, а уже молодой Гульельмо Маркони взял его идеи и превратил их в практическую радиосвязь. И это лишь небольшая часть его вклада в развитие классической физики.
В 1930 году Международная электротехническая комиссия в честь Герца установила новую единицу измерения — герц. Применяемую как мера количества повторяющихся событий в единицу времени. А в 1960-м, 11 Генеральной конференцией мер и весов была принята за единицу частоты в системе СИ.
Помимо жены, у него остались две дочери; он не подозревал, что несколько десятилетий спустя эти трое, после прихода Гитлера к власти, из-за их связи с ним, поскольку он «частично еврейского происхождения», будут вынуждены покинуть Германию и поселиться в Англии.
Название Герца было удалено с улиц и учреждений, его портрет был снят нацистами с почётного места в городской ратуше Гамбурга и было даже движение за переименование частотной единицы, названной в его честь, в пользу Германа Гельмгольца, чтобы не менять общепринятое сокращение.
Закончить хотелось бы отрывком из письма 1878 года к родителям: «Иногда я действительно жалею, что не жил в те времена, когда еще было так много нового; конечно, многое еще не известно, но я не думаю, что сегодня будет возможно легко открыть что-то, что радикально изменит наше восприятие мира, как это было возможно в те времена, когда телескоп и микроскоп были еще новыми»

Этот выпуск для вас готовили ведущий Ковальчук Артём и звукорежисер Алексей Попов