Heinrich Rudolf Hertz

Alex Rover | 5 júla, 2022

Heinrich Rudolf Hertz (nemecky 22. februára 1857 – 1. januára 1894) bol nemecký fyzik, ktorý ako prvý presvedčivo dokázal existenciu elektromagnetických vĺn predpovedaných rovnicami elektromagnetizmu Jamesa Clerka Maxwella. Jednotka frekvencie, cyklus za sekundu, bola na jeho počesť pomenovaná „hertz“.

Heinrich Rudolf Hertz sa narodil v roku 1857 v Hamburgu, vtedy suverénnom štáte Nemeckého spolku, v prosperujúcej a kultúrnej hanzovnej rodine. Jeho otcom bol Gustav Ferdinand Hertz. Jeho matka bola Anna Elisabeth Pfefferkornová.

Počas štúdia na Gelehrtenschule des Johanneums v Hamburgu prejavil Hertz nadanie pre prírodné vedy, ako aj pre jazyky a naučil sa arabčinu a sanskrit. Študoval prírodné a technické vedy v nemeckých mestách Drážďany, Mníchov a Berlín, kde študoval u Gustava R. Kirchhoffa a Hermanna von Helmholtza. V roku 1880 získal Hertz doktorát na Berlínskej univerzite a nasledujúce tri roky zostal na postdoktorandskom štúdiu u Helmholtza, kde pôsobil ako jeho asistent. V roku 1883 Hertz nastúpil na miesto lektora teoretickej fyziky na univerzite v Kieli. V roku 1885 sa Hertz stal riadnym profesorom na univerzite v Karlsruhe.

V roku 1886 sa Hertz oženil s Elisabeth Dollovou, dcérou Maxa Dolla, lektora geometrie v Karlsruhe. Mali dve dcéry: Johanna, narodená 20. októbra 1887, a Mathilde, narodená 14. januára 1891, ktorá sa stala významnou biologičkou. V tomto období Hertz uskutočnil svoj prelomový výskum elektromagnetických vĺn.

Hertz nastúpil 3. apríla 1889 na miesto profesora fyziky a riaditeľa Fyzikálneho ústavu v Bonne, ktoré zastával až do svojej smrti. Počas tohto obdobia pracoval na teoretickej mechanike, pričom svoje práce uverejnil v knihe Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (Princípy mechaniky podané v novej podobe), ktorá vyšla posmrtne v roku 1894.

Smrť

V roku 1892 bola Hertzovi diagnostikovaná infekcia (po záchvate silnej migrény) a podstúpil operácie na liečbu choroby. Zomrel po komplikáciách pri operácii, ktorou sa pokúšal napraviť svoj stav spôsobujúci migrény, ktorý niektorí považujú za zhubné ochorenie kostí. Zomrel vo veku 36 rokov v nemeckom Bonne v roku 1894 a bol pochovaný na cintoríne Ohlsdorf v Hamburgu.

Hertzova manželka Elisabeth Hertzová (1864-1941) sa už nevydala a prežili ho dcéry Johanna (1887-1967) a Mathilde (1891-1975). Ani jedna z nich sa nikdy nevydala a nemala deti, preto Hertz nemá žiadnych žijúcich potomkov.

Elektromagnetické vlny

V roku 1864 škótsky matematický fyzik James Clerk Maxwell navrhol komplexnú teóriu elektromagnetizmu, ktorá sa dnes nazýva Maxwellove rovnice. Maxwellova teória predpovedala, že spojené elektrické a magnetické pole sa môže pohybovať priestorom ako „elektromagnetická vlna“. Maxwell navrhol, že svetlo sa skladá z elektromagnetických vĺn krátkej vlnovej dĺžky, ale nikto to nedokázal dokázať, ani generovať či detekovať elektromagnetické vlny iných vlnových dĺžok.

Počas Hertzových štúdií v roku 1879 Helmholtz navrhol, aby sa Hertzova doktorandská dizertačná práca venovala testovaniu Maxwellovej teórie. Helmholtz v tom istom roku na Pruskej akadémii vied navrhol aj problém „Berlínskej ceny“ pre každého, kto experimentálne dokáže elektromagnetický efekt pri polarizácii a depolarizácii izolantov, čo Maxwellova teória predpovedala. Helmholtz si bol istý, že Hertz je najpravdepodobnejším kandidátom na jej získanie. Keďže Hertz nevidel žiadny spôsob, ako zostrojiť prístroj na experimentálne overenie tohto problému, považoval to za príliš zložité a namiesto toho pracoval na elektromagnetickej indukcii. Hertz počas svojho pôsobenia v Kieli vypracoval analýzu Maxwellových rovníc, ktorá ukázala, že majú väčšiu platnosť ako vtedy prevládajúce teórie „pôsobenia na diaľku“.

Po získaní profesúry v Karlsruhe Hertz na jeseň 1886 experimentoval s dvojicou Riessových špirál, keď si všimol, že vybitie Leydenskej nádoby do jednej z týchto cievok vyvolalo iskru v druhej cievke. S nápadom, ako zostrojiť prístroj, mal teraz Hertz možnosť pokračovať v riešení problému „berlínskej ceny“ z roku 1879 za dôkaz Maxwellovej teórie (hoci skutočná cena zanikla nevyzdvihnutím v roku 1882). Ako žiarič použil dipólovú anténu pozostávajúcu z dvoch kolineárnych metrov dlhých drôtov s iskrovým medzerníkom medzi ich vnútornými koncami a zinkovými guľôčkami pripevnenými na vonkajších koncoch kvôli kapacite. Anténa bola budená impulzmi vysokého napätia asi 30 kilovoltov, ktoré sa privádzali medzi obe strany z Ruhmkorffovej cievky. Vlny prijímal pomocou rezonančnej jednosmyčkovej antény s mikrometrovým iskrišťom medzi koncami. Tento experiment vytváral a prijímal to, čo sa dnes nazýva rádiové vlny v oblasti veľmi vysokých frekvencií.

V rokoch 1886 až 1889 Hertz uskutočnil sériu experimentov, ktoré mali dokázať, že efekty, ktoré pozoroval, boli výsledkom Maxwellových predpovedí elektromagnetických vĺn. Počnúc prácou „On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators“ (O elektromagnetických účinkoch vyvolaných elektrickými poruchami v izolátoroch) z novembra 1887 poslal Hertz Helmholtzovi na Berlínsku akadémiu sériu prác, vrátane prác z roku 1888, ktoré ukázali priečne elektromagnetické vlny vo voľnom priestore pohybujúce sa konečnou rýchlosťou na určitú vzdialenosť. V prístroji, ktorý Hertz použil, sa elektrické a magnetické polia vyžarovali od vodičov ako priečne vlny. Hertz umiestnil oscilátor asi 12 metrov od zinkovej odrazovej dosky, aby vzniklo stojaté vlnenie. Každá vlna bola dlhá asi 4 metre. Pomocou kruhového detektora zaznamenával, ako sa mení veľkosť a smer zložiek vlny. Hertz zmeral Maxwellove vlny a dokázal, že rýchlosť týchto vĺn sa rovná rýchlosti svetla. Hertz meral aj intenzitu elektrického poľa, polarizáciu a odraz vĺn. Tieto experimenty potvrdili, že svetlo aj tieto vlny sú formou elektromagnetického žiarenia, ktoré sa riadi Maxwellovými rovnicami. Hertz možno nebol prvý, kto sa stretol s fenoménom rádiových vĺn – David Edward Hughes možno zistil ich existenciu o deväť rokov skôr, ale svoje zistenia nepublikoval.

Hertz si neuvedomoval praktický význam svojich pokusov s rádiovými vlnami. Uviedol, že,

Na otázku o využití svojich objavov Hertz odpovedal,

Hertzov dôkaz existencie elektromagnetických vĺn prenášaných vzduchom viedol k explózii experimentov s touto novou formou elektromagnetického žiarenia, ktorá sa nazývala „Hertzove vlny“ až do roku 1910, keď sa vžil termín „rádiové vlny“. V priebehu 10 rokov výskumníci ako Oliver Lodge, Ferdinand Braun a Guglielmo Marconi použili rádiové vlny v prvých rádiokomunikačných systémoch bezdrôtovej telegrafie, čo viedlo k rozhlasovému vysielaniu a neskôr k televízii. V roku 1909 dostali Braun a Marconi Nobelovu cenu za fyziku za „prínos k rozvoju bezdrôtovej telegrafie“. Dnes je rádio základnou technológiou v globálnych telekomunikačných sieťach a komunikačným médiom, ktoré používajú moderné bezdrôtové zariadenia.

Katódové lúče

V roku 1892 začal Hertz experimentovať a dokázal, že katódové lúče môžu preniknúť veľmi tenkou kovovou fóliou (napríklad hliníkovou). Philipp Lenard, študent Heinricha Hertza, ďalej skúmal tento „lúčový efekt“. Vyvinul verziu katódovej trubice a skúmal prenikanie röntgenových lúčov do rôznych materiálov. Lenard si však neuvedomil, že produkuje röntgenové žiarenie. Hermann von Helmholtz sformuloval matematické rovnice pre röntgenové žiarenie. Postuloval teóriu rozptylu skôr, ako Röntgen urobil svoj objav a oznámenie. Vytvoril ju na základe elektromagnetickej teórie svetla (Wiedmann’s Annalen, zv. XLVIII). Nepracoval však so skutočným röntgenovým žiarením.

Fotoelektrický efekt

Hertz pomohol vytvoriť fotoelektrický efekt (ktorý neskôr vysvetlil Albert Einstein), keď si všimol, že nabitý objekt stráca svoj náboj rýchlejšie, keď je osvetlený ultrafialovým žiarením (UV). V roku 1887 uskutočnil pozorovania fotoelektrického javu a vzniku a príjmu elektromagnetických (EM) vĺn, ktoré uverejnil v časopise Annalen der Physik. Jeho prijímač pozostával z cievky s iskrišťom, pričom pri detekcii EM vĺn sa objavila iskra. Prístroj umiestnil do zatemnenej škatule, aby lepšie videl iskru. Pozoroval, že maximálna dĺžka iskry sa v krabici zmenšila. Sklenená doska umiestnená medzi zdrojom EM vĺn a prijímačom absorbovala UV žiarenie, ktoré pomáhalo elektrónom pri preskakovaní cez medzeru. Po jeho odstránení sa dĺžka iskry zväčšovala. Nepozoroval žiadne zníženie dĺžky iskry, keď sklo nahradil kremeňom, pretože kremeň neabsorbuje UV žiarenie. Hertz ukončil svoje niekoľkomesačné skúmanie a oznámil získané výsledky. V ďalšom skúmaní tohto javu nepokračoval a ani sa nepokúsil vysvetliť, ako k pozorovanému javu došlo.

Kontakt na mechanikov

V rokoch 1881 a 1882 Hertz publikoval dva články o tom, čo sa neskôr stalo známym ako kontaktná mechanika, ktoré sa stali dôležitým základom pre neskoršie teórie v tejto oblasti. Joseph Valentin Boussinesq uverejnil niekoľko kriticky dôležitých poznámok k Hertzovej práci, čím však stanovil, že táto práca o kontaktnej mechanike má nesmierny význam. Vo svojej práci v podstate zhrnul, ako sa budú pri zaťažení správať dva osovo súmerné objekty umiestnené v kontakte, získal výsledky založené na klasickej teórii pružnosti a mechanike kontinua. Najvýznamnejším nedostatkom jeho teórie bolo zanedbanie akejkoľvek povahy adhézie medzi dvoma telesami, čo sa ukazuje ako dôležité, keď materiály tvoriace telesá začnú nadobúdať vysokú pružnosť. Zanedbanie adhézie však bolo v tom čase prirodzené, pretože neexistovali žiadne experimentálne metódy na jej testovanie.

Pri rozvíjaní svojej teórie Hertz použil svoje pozorovanie eliptických Newtonových prstencov, ktoré sa vytvorili po umiestnení sklenenej gule na šošovku, ako základ pre predpoklad, že tlak vyvíjaný guľou má eliptické rozloženie. Pri výpočte posunu, ktorý má guľa do šošovky, použil opäť tvorbu Newtonových prstencov, pričom svoju teóriu potvrdil experimentmi. Kenneth L. Johnson, K. Kendall a A. D. Roberts (JKR) použili túto teóriu ako základ pri výpočte teoretického posunu alebo hĺbky vtlačenia v prítomnosti adhézie v roku 1971. Hertzova teória sa z ich formulácie obnovuje, ak sa predpokladá, že adhézia materiálov je nulová. Podobne ako táto teória, avšak s použitím iných predpokladov, publikovali B. V. Derjaguin, V. M. Muller a J. P. Toporov v roku 1975 ďalšiu teóriu, ktorá sa vo výskumnej komunite stala známou ako teória DMT, ktorá tiež obnovila Hertzove formulácie za predpokladu nulovej adhézie. Táto teória DMT sa ukázala ako predčasná a potrebovala niekoľko revízií, kým sa začala akceptovať ako ďalšia teória kontaktu materiálov popri teórii JKR. Teórie DMT aj JKR tvoria základ kontaktnej mechaniky, na ktorej sú založené všetky modely prechodových kontaktov a používajú sa pri predpovedaní materiálových parametrov v nanoindentácii a mikroskopii atómových síl. Tieto modely sú kľúčové pre oblasť tribológie a Duncan Dowson ho vymenoval za jedného z 23 „mužov tribológie“. Napriek tomu, že mu predchádzala veľká práca v oblasti elektromagnetizmu (ktorú sám so svojou charakteristickou triezvosťou považoval za triviálnu), Hertzov výskum kontaktnej mechaniky uľahčil éru nanotechnológií.

Hertz tiež opísal „Hertzov kužeľ“, typ lomového režimu v krehkých pevných látkach spôsobený prenosom napäťových vĺn.

Meteorológia

Hertz sa vždy hlboko zaujímal o meteorológiu, čo pravdepodobne vyplynulo z jeho kontaktov s Wilhelmom von Bezoldom (ktorý bol jeho profesorom na laboratórnom kurze na mníchovskej polytechnike v lete 1878). Ako Helmholtzov asistent v Berlíne prispel niekoľkými menšími článkami v tejto oblasti vrátane výskumu vyparovania kvapalín, nového druhu vlhkomeru a grafického spôsobu určovania vlastností vlhkého vzduchu pri adiabatických zmenách.

Keďže Hertzova rodina konvertovala zo židovstva na luteránstvo dve desaťročia pred jeho narodením, jeho odkaz narazil na nacistickú vládu v 30. rokoch 20. storočia, režim, ktorý klasifikoval ľudí podľa „rasy“ a nie podľa náboženskej príslušnosti.

Hertzovo meno bolo odstránené z ulíc a inštitúcií a dokonca vzniklo hnutie za premenovanie jednotky frekvencie pomenovanej na jeho počesť (hertz) podľa Hermanna von Helmholtza, pričom symbol (Hz) zostal nezmenený.

Jeho rodina bola tiež prenasledovaná pre svoj neárijský status. Hertzova najmladšia dcéra Mathilde prišla po nástupe nacistov k moci o miesto lektorky na Berlínskej univerzite a o niekoľko rokov spolu so sestrou a matkou opustili Nemecko a usadili sa v Anglicku.

Synovec Heinricha Hertza Gustav Ludwig Hertz bol nositeľom Nobelovej ceny a Gustavov syn Carl Helmut Hertz vynašiel lekársku ultrasonografiu. Jeho dcéra Mathilde Carmen Hertzová bola známa biologička a komparatívna psychologička. Hertzov vnuk Hermann Gerhard Hertz, profesor na univerzite v Karlsruhe, bol priekopníkom NMR-spektroskopie a v roku 1995 vydal Hertzove laboratórne poznámky.

Na jeho počesť Medzinárodná elektrotechnická komisia v roku 1930 zaviedla jednotku SI hertz (Hz) pre frekvenciu, ktorá vyjadruje, koľkokrát za sekundu sa opakuje určitá udalosť. V roku 1960 ju prijala CGPM (Conférence générale des poids et mesures) a oficiálne nahradila predchádzajúci názov „cykly za sekundu“ (cps).

V roku 1928 bol v Berlíne založený Heinrich-Hertzov inštitút pre výskum oscilácií. Dnes je známy ako Fraunhoferov inštitút pre telekomunikácie, Heinrich Hertz Institute, HHI.

V roku 1969 bola vo východnom Nemecku odliata pamätná medaila Heinricha Hertza. Medaila IEEE Heinricha Hertza, založená v roku 1987, je „za vynikajúce výsledky v oblasti Hertzových vĺn, ktorá sa každoročne udeľuje jednotlivcovi za výsledky, ktoré majú teoretický alebo experimentálny charakter“.

V roku 1980 bola v Taliansku založená stredná škola s názvom „Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz“ v štvrti Cinecittà Est v Ríme.

Submilimetrový rádioteleskop na hore Graham v Arizone, postavený v roku 1992, je pomenovaný po ňom.

Na jeho počesť je pomenovaný kráter, ktorý sa nachádza na odvrátenej strane Mesiaca, hneď za východným okrajom. Je po ňom pomenovaný trh s rádioelektronickými výrobkami Hertz v Nižnom Novgorode v Rusku. Rádiotelekomunikačná veža Heinrich-Hertz-Turm v Hamburgu je pomenovaná po slávnom synovi mesta.

Hertz je v Japonsku poctený členstvom v Ráde posvätného pokladu, ktorý má viacero úrovní ocenenia pre významné osobnosti vrátane vedcov.

Heinricha Hertza si na svojich poštových známkach uctili viaceré krajiny sveta a po druhej svetovej vojne sa objavil aj na rôznych nemeckých známkach.

V roku 2012, v deň Hertzových narodenín, si spoločnosť Google uctila jeho pamiatku na domovskej stránke Google doodle inšpirovaným jeho životným dielom.

1. Heinrich Hertz
2. Heinrich Rudolf Hertz
3. ^ Krech, Eva-Maria; Stock, Eberhard; Hirschfeld, Ursula; Anders, Lutz Christian (2009). Deutsches Aussprachewörterbuch [German Pronunciation Dictionary] (in German). Berlin: Walter de Gruyter. pp. 575, 580. ISBN 978-3-11-018202-6.
4. ^ Dudenredaktion; Kleiner, Stefan; Knöbl, Ralf (2015) [First published 1962]. Das Aussprachewörterbuch [The Pronunciation Dictionary] (in German) (7th ed.). Berlin: Dudenverlag. p. 440. ISBN 978-3-411-04067-4.
5. ^ Robertson, O’Connor. „Heinrich Rudolf Hertz“. MacTutor. University of Saint Andrews, Scotland. Retrieved 20 October 2020.
6. ^ Plan Ohlsdorfer Friedhof (Map of Ohlsdorf Cemetery). friedhof-hamburg.de.
7. ^ Susskind, Charles. (1995). Heinrich Hertz: A Short Life. San Francisco: San Francisco Press. ISBN 0-911302-74-3
8. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор
9. 1 2 Heinrich Hertz // Encyclopædia Britannica (англ.)
10. 1 2 Heinrich Rudolf Hertz // Энциклопедия Брокгауз (нем.) / Hrsg.: Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus, Wissen Media Verlag
11. 1 2 Герц Генрих Рудольф // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / под ред. А. М. Прохорова — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969.
12. Éditions Larousse, « Heinrich Hertz – LAROUSSE », sur www.larousse.fr (consulté le 28 mai 2022)
13. a b et c Cf. Alice Rolland, « L’impatience du savoir », Les Cahiers de Science et VIe, no 30,‎ décembre 1995, p. 7
14. La carrière et l’enfance d’Heinrich Hertz sont connues par le livre de souvenirs de sa fille, Dr. Johanna Hertz, Heinrich Hertz, Erinnerungen, Briefe, Tagebücher, Leipzig, Akademie Verlag, 1927.
15. Buildings Integral to the Former Life and/or Persecution of Jews in Hamburg – Eimsbüttel/Rotherbaum I. (Memento vom 4. August 2009 im Internet Archive)
16. Hardwin Jungclaussen: Frei in drei Diktaturen – Wie ich mein Leben erlebte und wie ich mein Glück fand. Autobiografie. trafo Verlagsgruppe Dr. Wolfgang Weist, trafo Literaturverlag, Reihe Autobiographien Band 48, Berlin 2015, ISBN 978-3-86465-050-5.
17. Jörg Willer: Fachdidaktik im Dritten Reich am Beispiel der Physik. In: Medizinhistorische Mitteilungen. Zeitschrift für Wissenschaftsgeschichte und Fachprosaforschung. Band 34, 2015 (2016), ISBN 978-3-86888-118-9, S. 105–121, hier: S. 105.