|
Экспериментальное подтверждение предсказания Максвелла Герцем. 6. Исследования Герца. Любая теория, насколько бы полной и стройной она ни была, переживает свой настоящий триумф только после подтверждения её на практике. Такое победоносное шествие теории Максвелла началось после 1888 года, когда Г. Герц экспериментально открыл электромагнитные волны, предсказанные этой теорией. Генрих Рудольф Герц (1857— 1894) родился 22 февраля в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позднее сенатором. Учился Герц прекрасно и был непревзойдённым по сообразительности учеником. Он любил все предметы, любил писать стихи и работать на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье. В 1875 году после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а затем в Мюнхенское высшее техническое училище. Дело шло до тех пор, пока изучались предметы общего характера. Но как только началась специализация, Герц изменил своё решение. Он более не желает быть узким специалистом, он рвётся к научной работе и поступает в Берлинский университет. Герцу повезло: его непосредственным наставником оказался Гельмгольц. Хотя знаменитый физик был приверженцем теории дальнодействия, но как истинный учёный он безоговорочно признавал, что идеи Фарадея — Максвелла о близкодействии и физическое поле дают прекрасное согласие с экспериментом. Попав в Берлинский университет, Герц с большим желанием стремится к занятиям в физических лабораториях. Но к работе в лабораториях допускались лишь те студенты, которые занимались решением конкурсных задач. Гельмгольц предложил Герцу задачу из области электродинамики: обладает ли ток кинетической энергией? Гельмгольц хотел направить силы Герца в область электродинамики, считая её наиболее запутанной. Герц принимается за решение поставленной задачи, рассчитанной на 9 месяцев. Он сам изготовляет приборы и отлаживает их. При работе над первой проблемой сразу же выяснились заложенные в Герце черты исследователя: упорство, редкое трудолюбие и искусство экспериментатора. Задача была решена за 3 месяца. Результат, как и ожидалось, был отрицательным (Сейчас нам ясно, что электрический ток, представляющий собой направленное движение электрических зарядов (электронов, протонов), обладает кинетической энергией. Для того чтобы Герц мог обнаружить это, надо было повысить точность его эксперимента в тысячи раз.). Полученный результат совпал с точкой зрения Гельмгольца, хотя и ошибочной, но в способностях молодого Герца он не ошибся. “ Я увидел, что имел дело с учеником совершенно необычного дарования” — отмечал он позднее. Работа Герца была удостоена премии. Вернувшись после летних каникул 1879 года, Герц добился разрешения работать над другой темой: “ Об индукции во вращающихся телах” , взятой в качестве докторской диссертации. Он предлагал завершить её за 2 — 3 месяца, защитить и получить поскорее звание доктора, хотя университет ещё не был закончен. Работая с большим подъёмом и воодушевлением, Герц быстро закончил исследование. Защита прошла успешно, и ему присудили степень доктора с “ отличием” — явление исключительно редкое, тем более для студента. С 1883 по 1885 года Герц заведовал кафедрой теоретической физики в провинциальном городке Киле, где совсем не было физической лаборатории. Герц решил заниматься здесь теоретическими вопросами. Он корректирует систему уравнения электродинамики одного из ярких представителей дальнодействия Неймана. В результате этой работы Герц написал свою систему уравнений, из которой легко получалось уравнение Максвелла. Герц разочарован, ведь он пытался доказать универсальность электродинамической теории представителей дальнодействия, а не теории Максвелла. “ Данный вывод нельзя считать доказательством максвелловской системы как единственно возможной” , — делает он для себя, по существу, успокаивающий вывод. В 1855 году Герц принимает приглашение технической школы в Карлсруэ, где будут проведены его замечательные опыты по распространению электрической силы. Ещё в 1879 году Берлинская академия наук поставила задачу: “ Показать экспериментальное наличие какой-нибудь связи между электродинамическим силами и диэлектрической поляризации диэлектриков” . Предварительные подсчёты Герца показали, что ожидаемый эффект будет очень мал даже при самых благоприятных условиях. Поэтому, видимо, он и отказался от этой работы осенью 1879 года. Однако он не переставал думать о возможных путях её решения и пришёл к выводу, что для этого нужны высокочастотные электрические колебания. Герц тщательно изучил всё, что было известно к этому времени об электротехнических колебаниях и в теоретическом, и в экспериментальном планах. Найдя в физическом кабинете технической школы пару индукционных катушек, и проводя с ними лекционные демонстрации, Герц обнаружил, что с их помощью можно было получить быстрые электрические колебания с периодом 10-8с. В результате экспериментов Герц создал не только высокочастотный генератор (источник высокочастотных колебаний), но и резонатор — приёмник этих колебаний. Генератор Герца состоял из индукционной катушки и присоединённых к ней проводов, образующих разрядный промежуток, резонатор — из провода прямоугольной формы и двух шариков на его концах, образующих также разрядный промежуток. В результате проведённых опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивала искра), то в разрядном промежутке резонатора, удалённом от генератора даже на 3 метра, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Каков же механизм её передачи? Или это электрическая индукция, согласно теории Максвелла? В 1887 году Герц пока ничего ещё не говорит об электрических волнах, хотя уже и заметил, что явление генератора на приёмник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой резонатора). Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приёмника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будет ли она вести себя, как свет? И Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогичность со световыми. Всё это было изложено в работе “ О лучах электрической силы” , вышедшей в декабре 1888 года. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла. В 1889 году, выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил: “ Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее они влекут за собой важнейшие исследования. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятным казалось ранее её воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение” . Напряжённая работа Герца не прошла безнаказанно для его и без того слабого здоровья. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Вскоре началось общее заражение крови, от которого и скончался знаменитый уже в свои 37 лет учёный Генрих Герц. Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Если Максвелл образовал представления Фарадея в Математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны, ставшие ему вечным памятником. Мы помним Г. Герца, когда слушаем радио, смотрим телевизор. И не случайно первыми словами, переданными русским физиком А. С. Поповым по первой беспроволочной связи были: “ Генрих Герц” . Эксперименты, подтверждающие предсказания Максвелла, впервые были выполнены Генрихом Герцем (1857— 1894) между 1885 и 1889 годами, примерно через 25 лет после предсказания Максвелла, вскоре после его смерти. В своей блестящей серии экспериментов Герц выяснил, как можно получить колебательные цепи для диапазона от 10 до 10 Гц. Он делал это, прерывая токи в индукционных катушках, чтобы внезапно наложить высокое напряжение на искровые промежутки. Проскакивающая в таком промежутке искра состоит из электронов и ионов воздуха, которые осциллируют туда и обратно. Частота осцилляции определяется индуктивностью и ёмкостью электродов или стержней, образующих искровой промежуток. Схематическое изображение использованного Герцем прибора показано на рисунке 8* Приёмник состоял из “разрезанного диполя” , т. е. Стержня, длина которого равна половине длины волны, разделённого в середине маленьким искровым промежутком. Искра передатчика проскакивала между двумя маленькими полированными шариками. Эта искра была обильной и пропускала сильный ток. Однако энергия излучения, которую получал приёмник, была относительно малой. Даже тогда, когда приёмная антенна была настроена на излучаемую частоту, напряжение на искровом промежутке приёмника было слабым. Искровой промежуток приёмника был образован остриями, разделёнными расстоянием лишь в доли миллиметра. Герц детектировал излучение, рассматривая крошечные искорки, проскакивающие между остриями. На частоте 10+9 Гц длина волны равна лишь 30 см. Герц изменил длину волны, отражая излучение от металлических пластин и отыскивая узлы образующие при этом стоячих волн. (Когда приёмник расположен в узле, искры в нём не проскакивают.) он продемонстрировал также, что оно испытывало преломление (в призме из смолы) и дифракцию. Одним из курьёзов этого эксперимента было сделанное Герцем наблюдение, что искровой разряд в зазоре приёмника возникал лишь тогда, когда на него попадал обычный свет от искры передатчика. Теперь мы знаем, что ультрафиолетовое излучение исходной искры способствовало высвобождению электронов из электродов приёмника, облегчая образование детектирующей искры. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом и часто приводят как решающий опыт, демонстрирующий фотонную, или корпускулярную, природу света. Оказалось, что успех эксперимента Герца продемонстрировавшего волновую природу электромагнитного излучения и существенно на неё опиравшегося, решающим образом зависел и от этого другого аспекта излучения. Герцу не удалось непосредственно измерить скорость излучения, производимого его прибором, но такой эксперимент был выполнен несколько лет спустя. Полученное значение скорости действительно оказалось равным скорости света.
Экспериментальное подтверждение предсказания Максвелла Герцем.
|