Heinrich Hertz
gigatos | 2 tammikuun, 2022
Yhteenveto
Heinrich Rudolf Hertz (saks. 22. helmikuuta 1857 – 1. tammikuuta 1894) oli saksalainen fyysikko, joka ensimmäisenä todisti lopullisesti James Clerk Maxwellin sähkömagnetismin yhtälöiden ennustamien sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon. Taajuuden yksikkö, sykli sekunnissa, nimettiin hänen kunniakseen ”hertsiksi”.
Heinrich Rudolf Hertz syntyi vuonna 1857 Hampurissa, silloisessa Saksan liittovaltion itsenäisessä osavaltiossa, vauraaseen ja sivistyneeseen hansalaisperheeseen. Hänen isänsä oli Gustav Ferdinand Hertz. Hänen äitinsä oli Anna Elisabeth Pfefferkorn.
Opiskellessaan Gelehrtenschule des Johanneumsissa Hampurissa Hertz osoitti olevansa kiinnostunut luonnontieteistä ja kielistä, ja hän oppi arabiaa ja sanskritia. Hän opiskeli luonnontieteitä ja tekniikkaa saksalaisissa Dresdenin, Münchenin ja Berliinin kaupungeissa, joissa hän opiskeli Gustav R. Kirchhoffin ja Hermann von Helmholtzin johdolla. Vuonna 1880 Hertz väitteli tohtoriksi Berliinin yliopistosta, ja seuraavat kolme vuotta hän jäi Helmholtzin alaisuuteen väitöskirjan jälkeiseen opiskeluun ja toimi tämän assistenttina. Vuonna 1883 Hertz otti vastaan teoreettisen fysiikan lehtorin viran Kielin yliopistossa. Vuonna 1885 Hertzistä tuli Karlsruhen yliopiston varsinainen professori.
Vuonna 1886 Hertz avioitui Karlsruhessa geometrian lehtorin Max Dollin tyttären Elisabeth Dollin kanssa. Heillä oli kaksi tytärtä: Johanna, syntynyt 20. lokakuuta 1887, ja Mathilde, syntynyt 14. tammikuuta 1891, josta tuli merkittävä biologi. Tänä aikana Hertz teki uraauurtavaa tutkimusta sähkömagneettisista aalloista.
Hertz siirtyi fysiikan professoriksi ja Bonnin fysiikan instituutin johtajaksi 3. huhtikuuta 1889, ja hän toimi tehtävässä kuolemaansa saakka. Tänä aikana hän työskenteli teoreettisen mekaniikan parissa, ja hänen työnsä julkaistiin kirjassa Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange Darstellung (Mekaniikan periaatteet uudessa muodossa), joka julkaistiin postuumisti vuonna 1894.
Lue myös, elamakerrat – Yves Tanguy
Kuolema
Vuonna 1892 Hertzillä todettiin infektio (vaikean migreenikohtauksen jälkeen), ja hänet leikattiin sairauden hoitamiseksi. Hän kuoli komplikaatioihin, jotka johtuivat leikkauksista, joilla yritettiin korjata migreeniä aiheuttanut tila, jota jotkut pitävät pahanlaatuisena luustosairautena. Hän kuoli 36-vuotiaana Bonnissa Saksassa vuonna 1894, ja hänet haudattiin Hampurin Ohlsdorfin hautausmaalle.
Hertzin vaimo Elisabeth Hertz (1864-1941) ei mennyt uudelleen naimisiin. Hertz jätti kaksi tytärtä, Johannan (1887-1967) ja Mathilden (1891-1975). Hertzin tyttäret eivät koskaan menneet naimisiin, eikä hänellä ole jälkeläisiä.
Lue myös, elamakerrat – Paul Gauguin
Sähkömagneettiset aallot
Vuonna 1864 skotlantilainen matemaattinen fyysikko James Clerk Maxwell esitti kattavan sähkömagnetismin teorian, jota kutsutaan nykyään Maxwellin yhtälöiksi. Maxwellin teoria ennusti, että kytketyt sähkö- ja magneettikentät voivat kulkea avaruudessa ”sähkömagneettisena aaltona”. Maxwell esitti, että valo koostui lyhyiden aallonpituuksien sähkömagneettisista aalloista, mutta kukaan ei ollut pystynyt todistamaan tätä tai tuottamaan tai havaitsemaan muiden aallonpituuksien sähkömagneettisia aaltoja.
Hertzin opiskeluaikana vuonna 1879 Helmholtz ehdotti, että Hertzin väitöskirjan aiheena olisi Maxwellin teorian testaaminen. Helmholtz oli myös ehdottanut samana vuonna Preussin tiedeakatemiassa ”Berliinin palkinto-ongelmaa” sille, joka pystyisi kokeellisesti osoittamaan sähkömagneettisen vaikutuksen eristimien polarisaatiossa ja depolarisaatiossa, minkä Maxwellin teoria ennusti. Helmholtz oli varma, että Hertz oli todennäköisin ehdokas sen saajaksi. Koska Hertz ei nähnyt mitään mahdollisuutta rakentaa laitetta, jolla tämä voitaisiin kokeellisesti testata, hän piti sitä liian vaikeana ja työskenteli sen sijaan sähkömagneettisen induktion parissa. Hertz teki Kielissä ollessaan Maxwellin yhtälöistä analyysin, joka osoitti, että ne olivat pätevämpiä kuin tuolloin vallalla olleet ”etävaikutuksen” teoriat.
Saatuaan professuurin Karlsruhessa Hertz kokeili syksyllä 1886 paria Riessin spiraalia, kun hän huomasi, että Leydenin purkin purkautuminen toiseen näistä käämeistä aiheutti kipinän toisessa käämissä. Nyt kun Hertzillä oli ajatus laitteen rakentamisesta, hänellä oli keino edetä Maxwellin teorian todistamista koskevan, vuonna 1879 myönnetyn ”Berliinin palkinnon” ongelman ratkaisemisessa (vaikka varsinainen palkinto oli vanhentunut saamatta vuonna 1882). Hän käytti säteilijänä dipoliantennia, joka koostui kahdesta vierekkäisestä yhden metrin pituisesta langasta, joiden sisäpäiden välissä oli kipinäväli ja joiden ulkopäätyihin oli kiinnitetty sinkkipalloja kapasitanssin vuoksi. Antennia viritettiin noin 30 kilovoltin suurjännitepulsseilla, joita syötettiin Ruhmkorffin käämin kahden puolen väliin. Hän vastaanotti aallot resonoivalla yksisilmukka-antennilla, jonka päiden välissä oli mikrometrin kipinäväli. Tällä kokeella tuotettiin ja vastaanotettiin niin sanottuja radioaaltoja erittäin korkeilla taajuuksilla.
Vuosien 1886 ja 1889 välillä Hertz suoritti useita kokeita, jotka osoittivat, että hänen havaitsemansa vaikutukset olivat seurausta Maxwellin ennustamista sähkömagneettisista aalloista. Marraskuussa 1887 Hertz aloitti artikkelillaan ”On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators” ja lähetti Helmholtzille Berliinin akatemiaan useita artikkeleita, muun muassa vuonna 1888 julkaistuja papereita, jotka osoittivat, että vapaan tilan poikittaiset sähkömagneettiset aallot kulkevat äärellisellä nopeudella etäisyyden yli. Hertzin käyttämässä laitteessa sähkö- ja magneettikentät säteilivät johdoista poispäin poikittaisaaltoina. Hertz oli asettanut oskillaattorin noin 12 metrin päähän sinkkiheijastinlevystä seisovien aaltojen tuottamiseksi. Kukin aalto oli noin 4 metriä pitkä. Rengasilmaisimen avulla hän kirjasi, miten aallon voimakkuus ja komponenttien suunta vaihtelivat. Hertz mittasi Maxwellin aallot ja osoitti, että näiden aaltojen nopeus oli yhtä suuri kuin valon nopeus. Hertz mittasi myös aaltojen sähkökentän voimakkuuden, polarisaation ja heijastuksen. Näillä kokeilla todettiin, että valo ja nämä aallot olivat molemmat sähkömagneettisen säteilyn muotoja, jotka noudattavat Maxwellin yhtälöitä. Hertz ei ehkä ollut ensimmäinen, joka törmäsi radioaaltojen ilmiöön – David Edward Hughes oli ehkä havainnut niiden olemassaolon yhdeksän vuotta aiemmin, mutta ei julkaissut havaintojaan.
Hertz ei ymmärtänyt radioaaltokokeidensa käytännön merkitystä. Hän totesi seuraavaa,
Kysyttäessä hänen löytöjensä sovelluksista Hertz vastasi,
Hertzin todistus ilmassa kulkevien sähkömagneettisten aaltojen olemassaolosta johti räjähdysmäiseen kokeiluihin, jotka koskivat tätä uutta sähkömagneettisen säteilyn muotoa, jota kutsuttiin ”Hertzin aalloiksi”, kunnes noin vuonna 1910 termi ”radioaallot” tuli käyttöön. Kymmenen vuoden kuluessa Oliver Lodgen, Ferdinand Braunin ja Guglielmo Marconin kaltaiset tutkijat käyttivät radioaaltoja ensimmäisissä langattoman lennätyksen radioviestintäjärjestelmissä, jotka johtivat radiolähetyksiin ja myöhemmin televisioon. Vuonna 1909 Braun ja Marconi saivat Nobelin fysiikanpalkinnon ”panoksestaan langattoman lennätyksen kehittämiseen”. Nykyään radio on olennainen teknologia maailmanlaajuisissa televiestintäverkoissa, ja se on nykyaikaisten langattomien laitteiden perustana oleva siirtoväline.
Lue myös, elamakerrat – Juan Sebastián Elcano
Katodisäteet
Vuonna 1892 Hertz aloitti kokeilut ja osoitti, että katodisäteet voivat läpäistä hyvin ohuen metallikalvon (kuten alumiinin). Heinrich Hertzin oppilas Philipp Lenard tutki tätä ”sädeilmiötä” edelleen. Hän kehitti version katodiputkesta ja tutki röntgensäteiden tunkeutumista eri materiaaleihin. Lenard ei kuitenkaan tajunnut tuottavansa röntgensäteitä. Hermann von Helmholtz muotoili matemaattiset yhtälöt röntgensäteille. Hän esitti dispersioteorian ennen kuin Röntgen teki löytönsä ja ilmoitti siitä. Se muodostettiin valon sähkömagneettisen teorian pohjalta (Wiedmannin Annalen, Vol. XLVIII). Hän ei kuitenkaan työskennellyt todellisten röntgensäteiden parissa.
Lue myös, elamakerrat – Hans Holbein nuorempi
Valosähköinen vaikutus
Hertz auttoi luomaan valosähköisen ilmiön (jonka Albert Einstein selitti myöhemmin), kun hän havaitsi, että varattu esine menettää varauksensa helpommin, kun sitä valaisee ultraviolettisäteily (UV). Vuonna 1887 hän teki havaintoja valosähköisestä ilmiöstä sekä sähkömagneettisten (EM) aaltojen tuottamisesta ja vastaanottamisesta, jotka julkaistiin Annalen der Physik -lehdessä. Hänen vastaanottimensa koostui kipinävälillä varustetusta kelasta, jolloin sähkömagneettisten aaltojen havaitsemisen yhteydessä näkyi kipinä. Hän sijoitti laitteen pimeään laatikkoon, jotta kipinä näkyisi paremmin. Hän havaitsi, että kipinän maksimipituus lyheni, kun se oli laatikossa. Sähkömagneettisten aaltojen lähteen ja vastaanottimen väliin sijoitettu lasipaneeli imi ultraviolettisäteilyä, joka auttoi elektroneja hyppäämään raon yli. Kun se poistettiin, kipinän pituus kasvoi. Hän ei havainnut kipinän pituuden pienenevän, kun hän korvasi lasin kvartsilla, sillä kvartsi ei absorboi UV-säteilyä. Hertz päätti kuukausia kestäneen tutkimuksensa ja raportoi saamistaan tuloksista. Hän ei jatkanut tämän ilmiön tutkimista eikä yrittänyt selittää, miten havaittu ilmiö saatiin aikaan.
Lue myös, elamakerrat – Knuut III Hardeknut
Yhteysmekaniikka
Vuosina 1886-1889 Hertz julkaisi kaksi artikkelia kosketinmekaniikkana tunnetuksi tulleesta alasta, joka osoittautui tärkeäksi perustaksi alan myöhemmille teorioille. Joseph Valentin Boussinesq julkaisi joitakin kriittisen tärkeitä huomautuksia Hertzin työstä, mutta totesi kuitenkin, että tämä kosketuksen mekaniikkaa koskeva työ oli valtavan tärkeä. Hänen teoksessaan tiivistetään periaatteessa, miten kaksi akselisymmetristä kosketuksissa olevaa kohdetta käyttäytyy kuormituksessa, ja hän sai tuloksia, jotka perustuvat klassiseen kimmoteoriaan ja jatkuvuusmekaniikkaan. Hänen teoriansa merkittävin puute oli se, että hän jätti huomiotta kahden kiinteän kappaleen välisen tartunnan luonteen, mikä osoittautuu tärkeäksi, kun kiinteät kappaleet muodostavat materiaalit alkavat olla erittäin kimmoisia. Adheesion huomiotta jättäminen oli kuitenkin tuolloin luonnollista, koska sen testaamiseksi ei ollut olemassa kokeellisia menetelmiä.
Teoriansa kehittämiseksi Hertz käytti havaintojaan elliptisistä Newtonin renkaista, jotka muodostuivat, kun lasipallo asetettiin linssin päälle, perustana olettamukselle, että pallon aiheuttama paine noudattaa elliptistä jakaumaa. Hän käytti Newtonin renkaiden muodostumista uudelleen, kun hän vahvisti teoriansa kokeellisesti laskiessaan pallon linssiin aiheuttamaa siirtymää. Kenneth L. Johnson, K. Kendall ja A. D. Roberts (JKR) käyttivät tätä teoriaa perustana laskiessaan teoreettista siirtymää tai painuman syvyyttä adheesion läsnä ollessa vuonna 1971. Hertzin teoria palautuu heidän muotoilustaan, jos materiaalien adheesio oletetaan nollaksi. B. V. Derjaguin, V. M. Muller ja Y. P. Toporov julkaisivat vuonna 1975 toisen teorian, joka tuli tutkijayhteisössä tunnetuksi nimellä DMT-teoria ja joka myös palauttaa Hertzin muotoilut olettaen, että adheesio on nolla. Tämä DMT-teoria osoittautui ennenaikaiseksi ja vaati useita tarkistuksia, ennen kuin se hyväksyttiin JKR-teorian ohella toiseksi materiaalikontaktiteoriaksi. Sekä DMT- että JKR-teoriat muodostavat kontaktimekaniikan perustan, johon kaikki siirtymäkontaktimallit perustuvat ja jota käytetään materiaaliparametrien ennustamisessa nanoindentaatiossa ja atomivoimamikroskopiassa. Nämä mallit ovat keskeisiä tribologian alalla, ja Duncan Dowson nimesi hänet yhdeksi 23:sta ”Tribologian miehestä”. Hertzin luennoitsija-aikojen tutkimus, joka edelsi hänen suurta työtään sähkömagnetismin parissa, jota hän itse piti hänelle ominaisella selväjärkisyydellä vähäpätöisenä, on mahdollistanut nanoteknologian aikakauden.
Hertz kuvasi myös ”Hertzin kartiota”, joka on eräänlainen murtumismuoto hauraassa kiinteässä aineessa, joka johtuu jännitysaaltojen siirtymisestä.
Lue myös, sivilisaatiot – Lezgit
Meteorologia
Hertz oli aina syvästi kiinnostunut meteorologiasta, mikä johtui luultavasti hänen yhteyksistään Wilhelm von Bezoldiin (joka oli hänen professorinsa Münchenin ammattikorkeakoulun laboratoriokurssilla kesällä 1878). Helmholtzin assistenttina Berliinissä hän kirjoitti muutaman pienen alan artikkelin, muun muassa nesteiden haihtumista koskevan tutkimuksen, uudenlaisen hygrometrin ja graafisen keinon kostean ilman ominaisuuksien määrittämiseksi adiabaattisten muutosten yhteydessä.
Heinrich Hertz oli koko elämänsä ajan luterilainen eikä olisi pitänyt itseään juutalaisena, sillä hänen isänsä perhe oli kääntynyt luterilaisuuteen, kun hänen isänsä oli vielä lapsena (seitsemänvuotias) vuonna 1834.
Kun natsihallinto sai vallan vuosikymmeniä Hertzin kuoleman jälkeen, sen virkamiehet kuitenkin poistivat hänen muotokuvansa Hampurin kaupungintalossa (Rathaus) sijaitsevasta kunniakkaasta paikastaan, koska hän oli osittain juutalaista syntyperää. Maalaus on sittemmin palautettu julkiseen näytteillepanoon.
Hertzin leski ja tyttäret lähtivät Saksasta 1930-luvulla ja asettuivat Englantiin.
Heinrich Hertzin veljenpoika Gustav Ludwig Hertz sai Nobel-palkinnon, ja Gustavin poika Carl Helmut Hertz keksi lääketieteellisen ultraäänitutkimuksen. Hänen tyttärensä Mathilde Carmen Hertz oli tunnettu biologi ja vertaileva psykologi. Hertzin veljenpoika Hermann Gerhard Hertz, Karlsruhen yliopiston professori, oli NMR-spektroskopian uranuurtaja ja julkaisi vuonna 1995 Hertzin laboratoriomuistiinpanot.
Kansainvälinen sähkötekninen komissio otti hänen kunniakseen käyttöön SI-yksikön hertsi (Hz) vuonna 1930 taajuutta varten, joka ilmaisee, kuinka monta kertaa toistuva tapahtuma toistuu sekunnissa. CGPM (Conférence générale des poids et mesures) otti sen käyttöön vuonna 1960 korvaten virallisesti aiemman nimityksen ”syklit sekunnissa” (cps).
Vuonna 1928 Berliiniin perustettiin Heinrich-Hertzin värähtelytutkimusinstituutti. Nykyään se tunnetaan Fraunhofer-instituuttina, Heinrich-Hertz-instituuttina tai HHI:nä.
Vuonna 1969 Itä-Saksassa valettiin Heinrich Hertzin muistomitali. IEEE:n Heinrich Hertz -mitali, joka perustettiin vuonna 1987, myönnetään vuosittain yksittäiselle henkilölle teoreettisista tai kokeellisista saavutuksista Hertzin aaltojen alalla.
Vuonna 1980 perustettiin Italiassa ”Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz” -niminen korkeakoulu Cinecittà Estin lähistölle Roomaan.
Vuonna 1992 Arizonan Graham-vuorelle rakennettu Submillimetrin radioteleskooppi on nimetty hänen mukaansa.
Hänen kunniakseen on nimetty kraatteri, joka sijaitsee Kuun toisella puolella, heti itäisen reunan takana. Hänen mukaansa on nimetty radioelektroniikkatuotteiden Hertz-markkinat Nižni Novgorodissa Venäjällä. Hampurissa sijaitseva Heinrich-Hertz-Turm-radiotietoliikennemasto on nimetty kaupungin kuuluisan pojan mukaan.
Japani kunnioittaa Hertziä jäsenyydellä Pyhän aarteen ritarikunnassa (Order of the Sacred Treasure), jossa on useita kunniamerkkejä merkittäville henkilöille, myös tiedemiehille.
Useat maat ympäri maailmaa ovat kunnioittaneet Heinrich Hertziä postimerkkipainoksissaan, ja toisen maailmansodan jälkeisinä aikoina hän on esiintynyt myös useissa saksalaisissa postimerkkipainoksissa.
Hänen syntymäpäivänään vuonna 2012 Google kunnioitti Hertziä hänen elämäntyönsä inspiroimalla Google-doodlella kotisivullaan.
lähteet
