هانریش هرتز: بررسی زندگی علمی پدر امواج رادیویی
این مقاله به بررسی زندگی نامه علمی و شخصی هانریش هرتز می پردازد.
در میانه قرن نوزدهم، آلمان همچنان سرزمینی پراکنده و مجموعهای از پادشاهیهای فئودالی بود. اما طوفان انقلاب صنعتی و نبوغ دیپلماتیکی مانند اتو فون بیسمارک، این سرزمین را به قدرتی متحد و پیشرو در علم و صنعت بدل کرد. با وجود چنین چنین فضایی، دانشمندان و متفکران بزرگی در دانشگاههای آلمان ظهور کردند. جایی که اندیشههای نوین شکوفا میشد و مرزهای دانش یکی پس از دیگری گشوده میشد.
در همین دوران، درخشش ستارهای جوان در آسمان علم، مسیری تازه برای فیزیک مدرن رقم زد. هاینریش هرتز، با ذهنی کنجکاو و اشتیاقی سیریناپذیر برای فهم قوانین طبیعت، وارد دانشگاه برلین شد و تحت تأثیر بزرگانی چون هلمهولتز، راه خود را در دنیای علم پیدا کرد. اما او تنها یک دانشمند نبود؛ او کاوشگری بود که شجاعانه به دنبال حقیقت میرفت.
این مقاله، روایت تولد امواج الکترومغناطیسی و یکی از بزرگترین کشفیات علمی تاریخ است. کشفی که نهتنها نظریه ماکسول را به واقعیت تبدیل کرد، بلکه بنیانی شد برای دنیای ارتباطات مدرن، از رادیو گرفته تا تلفنهای همراه امروزی. هرتز، مردی که نمیدانست کارش روزی جهان را متحول خواهد کرد، در آزمایشگاه کوچک خود پلی ساخت بین نور و الکتریسیته، پلی که تا به امروز مسیر علم را روشن نگاه داشته است.
هاینریش هرتز: از کودکی تا نبوغ علمی
هنگامی که هاینریش هرتز در 22 فوریه ۱۸۵۷ در هامبورگ به دنیا آمد، آلمان سرزمینی تقسیم شده از پادشاهیهای فئودالی و قلعههای سر به فلک کشیده، بقایای امپراتوری مقدس روم بود که تقریباً یک هزاره بر اروپا تسلط داشت. در طول دهه بعد، اتو فون بیسمارک با خون و آهن، امپراتوری متحد آلمان را بر روی قله انقلاب صنعتی و یک صنعت شیمیایی غولپیکر بنا کرد. بیسمارک، اگرچه صدراعظمی بیرحم بود، مانند فردریک کبیر و پادشاهان پیشین پروس، حامی هنرها و علوم بود و دانشگاههای آلمان شکوفا شدند.
والدین هاینریش هرتز، گوستاو فردیناند هرتز و آنا الیزابت پفِفِرکورن بودند. گوستاو هرتز یک یهودی بود که به دین لوتریانیسم گروید. آنا، دختر یک پزشک اهل فرانکفورت، از یک خانواده لوتری بود. هاینریش بزرگترین فرزند از میان پنج فرزند والدینش بود و سه برادر و یک خواهر کوچکتر داشت. گوستاو یک وکیل در هامبورگ بود و در سال 1887 به سناتور تبدیل شد.
تحصیلات ابتدایی و مدرسه
تحصیلات رسمی هاینریش هرتز از شش سالگی آغاز شد، زمانی که او در یک مدرسه خصوصی به مدیریت ریچارد لانگه ثبتنام کرد: معلمی سختگیر که هیچگونه اشتباهی را تحمل نمیکرد. [هاینریش] مادرش با دقت بر درسهایش نظارت داشت و مصمم بود که او – چنان که شد – نفر اول کلاس باشد.
هانریش هرتز به مدت ده سال در مدرسه ریچارد لانگه تحصیل کرد. او استعدادهای زیادی از خود نشان داد: مهارتهای عملی قابل توجهی داشت که با ابزارهایی که به او داده شده بود، برای نجاری استفاده میکرد و بعدها با استفاده از یک تراش، ابزارهایی برای انجام آزمایشهایش ساخت. او همچنین مهارتهای زبانی فوقالعادهای داشت، چه در زبانهای مدرن و چه در زبانهای کلاسیک.
در سال 1872، او وارد دبیرستان یوهانهاوم در هامبورگ شد و در آنجا به برتری در طیف وسیعی از موضوعات ادامه داد. او حتی درسهای اضافی مانند عربی و طراحی فنی را با یک معلم خصوصی آموخت که در برنامه درسی مدرسه ارائه نمیشد. نهتنها در بسیاری از موضوعات خوب بود، بلکه آنها را دوست داشت و در تصمیمگیری برای انتخاب رشته دانشگاهی دچار تردید شد. آیا باید مهندسی را انتخاب میکرد و از مهارتهای عملی خود بهره میبرد، یا باید علوم طبیعی را که به آن علاقه داشت دنبال میکرد؟
تحصیلات دانشگاهی
به خاطر علاقهای که به کار در کارگاه و دستگاه تراش داشت و همچنین ساخت ابزار، هرتز جوان در دوران شکوفایی صنعت ماشینآلات، احساس کرد که باید شغلی به عنوان مهندس را دنبال کند، اما با پیشرفت تحصیلاتش به این نتیجه قطعی رسید که تنها در علم میتواند خوشحال باشد. او در نامهای به والدینش نوشت: «تمام چیزهای دیگر پوچ و ناراحتکننده به نظر میرسیدند.» این جوان به تحصیل در دانشگاه مونیخ رفت و در پاییز ۱۸۷۸ در دانشگاه برلین ثبتنام کرد که آن زمان شاید مرکز علم در قاره اروپا بود. در آنجا او به دانشجوی هرتمن فون هلمهولتز بزرگ تبدیل شد.
اگرچه والدینش میخواستند او مهندس ساختمان شود، عشق واقعی او به ریاضیات و فیزیک بود. بنابراین پس از انجام وظایف نظامی خود، او یک برنامه علمی را در دانشگاه مونیخ و مؤسسه فنی آنجا قبل از ورود به دانشگاه برلین در سال ۱۸۷۸ دنبال کرد، جایی که زیر نظر فون هلمهولتز تحصیل کرد. جایزهای برای نمایش تجربی اثر نیروهای الکترومغناطیسی بر قطبش دی الکتریک ارائه شده بود و فون هلمهولتز هرتز را تشویق کرد که در این رقابت شرکت کند. هرتز در نظر گرفت که آیا این نمایش را میتوان با استفاده از نوسانات با استفاده از بطریهای لیدن یا سیمپیچهای القایی باز انجام داد یا خیر. او به درستی نتیجه گرفت که این اثر برای مشاهده بسیار دشوار خواهد بود و این مشکل را دنبال نکرد. با این حال، بذرهای علاقه به نوسانات کاشته شده بود.
تحصیلات زیر نظر همهولتز
هلمهولتز بلافاصله توجه او را جلب کرد و نوشت: «میبینم که باید با دانشجویی با استعداد غیرمعمول روبهرو باشم.» و وقتی که این به من محول شد که به دانشجویان موضوعی برای تحقیق علمی ارائه دهم، موضوعی در الکترومغناطیس انتخاب کردم زیرا باور داشتم که هرتز علاقهمند به آن خواهد شد و آن را همانطور که باید با موفقیت انجام خواهد داد. مقاله هرتز که تحت عنوان «آزمایشهایی برای تعیین حد بالای انرژی جنبشی جریان الکتریکی» نوشته شده بود، جایزه را با تقدیر بالا دریافت کرد.
(او به خانوادهاش نوشت که تصمیم گرفت مدال طلا را به جای جایزه نقدی دریافت کند و از اینکه متوجه شد این مدال هیچگونه نوشتهای نداشت که نشان دهد از دانشگاه دریافت شده، ناراحت شد.) هرتز درجه دکتری خود را با افتخار magna cum laude دریافت کرد، که در آن زمان در برلین امتیاز نادری بود، و هلمهولتز سپس او را به عنوان دستیار خود منصوب کرد.
نخستین تحقیقات علمی هانریش هرتز
هانریش هرتز در تحقیقات خود بر روی مسائل مختلف، هم تجربی و هم نظری، غرق شد. نخستین مقالات او به بررسی رفتار جریانهای الکتریکی نوسانی پرداخته بود. سپس او چند مطالعه زیبا در مورد سختی به عنوان یک ویژگی مکانیکی و کشسانی مواد جامد انجام داد؛ مقاله دومی هنوز یکی از دستاوردهای مهم در این شاخه دشوار فیزیک است. کنجکاوی او درباره برخوردهای بلوکهای یخ در رودخانه در زمستانهای عمیق، او را به یک مطالعه نظری در مکانیک سوق داد؛ تحقیقات او در مورد تبخیر او را به سمت کار در زمینه خلا و تخلیه کاتدی کشاند.
اختراع هیگرومتر
هانریش هرتز همچنان والدینش را از کارها و آزمایشهایش مطلع میکرد. هنگامی که یک هیگرومتر جدید اختراع کرد، نامهای طولانی به خانوادهاش نوشت و در پایان نوشت: “من ممکن است در اینجا یک محاسبه کوچک بکنم که نشان دهد چگونه باید هوای اتاق صبحگاهی را مرطوب نگه داریم این تبدیل به یک سخنرانی طولانی شد و هزینه پستی نامه مرا ورشکسته خواهد کرد؛ اما چه کسی نمیخواهد برای جلوگیری از خشکی کامل والدین و برادران و خواهران عزیزش چنین کاری کند؟”
ساخت باطری
او به خانوادهاش با جزئیات توضیح داد که چگونه یک باتری ذخیرهسازی از ۱۰۰۰ سلول کوچک ساخت، “که مثل یک مکانیک سخت مشغول کار بودم”، و چگونه برای صرفهجویی در وقت و هزینه لولههای شیشهای برای آزمایشهای تخلیه گاز ساخت: “صبر من اجازه نمیدهد که امروز از شیشهگری لولهای سفارش دهم که تا چند روز دیگر آماده نمیشود، پس ترجیح میدهم به همان چیزی که با مهارت ناچیز خودم میتوانم انجام دهم محدود شوم.”
هانریش هرتز و کرسی استادی دانشگاه
سه سال پس از فارغ التحصیلی، هرتز مدرس (Privatdozent) در دانشگاه کیل شد و دو سال دیگر، در سن ۲۸ سالگی، به عنوان استاد فیزیک در مؤسسه فناوری در کارلسروهه منصوب شد. او به زودی با الیزابت دول ازدواج کرد و در طول چند سال آینده در این محیط جدید، زنجیره تاریخی رویدادهایی را آغاز کرد که منجر به گشایش طیف رادیویی و اثبات نظریه ماکسول شد.
همانطور که دیدهایم، هرتز پیشینه گسترده، متنوع و تجربه زیادی داشت که میتوانست از آنها بهره ببرد. او هم نظریهپرداز و هم آزمایشگر بود. او از هر نظر دارای “ذهن آماده” بود. صحنه آماده شده بود و نمایش آماده شروع بود.
اولین فرستنده و گیرنده رادیویی هانریش هرتز
هانریش هرتز با نظریه ماکسول و اهمیت رابطه متقابل بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آشنا بود. اگرچه نظریه ماکسول شکاکان زیادی داشت، هرتز یکی از آنها نبود و به نظر من مطمئنم که او متوجه شد که اثبات نظریه ماکسول فقط از طریق تأیید تجربی خواهد آمد.
یک وسیله رایج آزمایشگاهی در آن زمان شامل دو سیمپیچ القایی مسطح بود که به صورت هممحور نصب شده و به عنوان مارپیچهای Knochenhauer شناخته میشدند. یک خازن بطری لیدن که از طریق یک سیمپیچ (تصویر زیر) تخلیه میشد، جرقهای را بین پایانههای سیمپیچ بالایی القا میکرد.
هانریش هرتز در یک سری مراحل، یکی از مارپیچهای Knochenhauer را با یک سیم مستقیم که دارای شکاف جرقه در مرکز بود و یک سیمپیچ القایی تولید کننده جرقه که در سراسر شکاف متصل بود، جایگزین کرد. این دوقطبی هرتزی λ/2 سیم مستقیم یک گام حیاتی بود زیرا یک سیستم رزونانسی باز بود. سیستمهای رزونانسی قبلی بسته بودند. هرتز به جای مارپیچ دیگر، یک حلقه تک دور گرد یا مربع با یک شکاف کوچک ساخت.
دستگاه هرتز
دستگاه هرتز در تصویر زیر شامل اولین آنتن دوقطبی بود و با گیرنده حلقه، اولین سیستم رادیویی کامل بود. هرتز با آن تنظیم یا رزونانس را نشان داد.
هرتز تجهیزات دستگاه خود را و آزمایشهای بالا که در سال 1886 و اوایل 1887 انجام شد را در مقاله خود با عنوان “درباره نوسانات الکتریکی بسیار سریع” در جلد 31 از Wiedemann’s Annalen که در سال 1887 منتشر شد، شرح داد. بنابراین، این سال یا 1886 را میتوان به عنوان تاریخ تولد رادیو در نظر گرفت.
گام بعدی نشان دادن رزونانس بود. هرتز این کار را با تنظیم محیط حلقه انجام داد که نتایج آن در شکل زیر نشان داده شده است. طول (محیط) رزونانسی حدود 4.3 متر است که مربوط به طول موج حدود 8 متر است.
یکی از نوآوریهای ماکسول، معرفی جریان جابجایی (dD/dt) بود، یعنی جریانی که از تغییر جابجایی الکتریکی (D = εE) در فضای خالی یا در یک دیالکتریک ناشی میشود. برای نشان دادن وجود جریان جابجایی، هرتز طرح هوشمندانهای ابداع کرد که با آن نشان داد که یک بلوک پارافین برای امواج رادیویی اثر حامل جریان مشابه با یک ورق فلزی دارد. این اثبات تجربی درستی ماکسول بود.
نگاهی به فیزیک زمان از نگاه هانریش هرتز
ارزشمند است که فیزیک زمان را از نگاه هرتز مشاهده کنیم. رمز و رازی پیرامون انتقال برق و مغناطیس وجود داشت. بدون شک، نبوغ جیمز کلرک مکسول نظریه کاملی از الکترومغناطیس را فرموله کرده بود که در معادلات دیفرانسیل فشرده و زیبا خلاصه شده بود. اما این نظریه برای آن زمان دشوار بود. این کمی شبیه به نظریه پل دیراک از الکترون چرخان در سال 1932 یا حدود آن بود؛ زیبا، مبهم، ظاهراً قدرتمند، اما در آن زمان به طرز ناراحتکنندهای دور از هر روش واضحی برای آزمایش تجربی بود.
نبوغ مکسول و معادلات الکترومغناطیس
هانریش هرتز در مورد نظریه مکسول نوشت:
“به دلیل دشواری نظریه، تعداد پیروان آن ابتدا به طور طبیعی کم بود. اما هر کسی که آن را به طور کامل مطالعه میکرد، به پیرو آن تبدیل میشد و بلافاصله به دقت به دنبال آزمایش فرضیات اصلی و نتایج نهایی آن میگشت.”
بزرگترین پیرو آن هرتز جوان بود و او شروع به بررسی فرضیات و “نتایج نهایی” آن به صورت عینی کرد. مسئله این بود که وجود رابطهای بین نور و برق را اثبات کند. همانطور که هرتز به شنوندگان خود در سخنرانیهای عمومی عالی خود درباره نظریه مکسول گفت:
“من اینجا هستم تا از ادعای این که نور از هر نوع خود یک پدیده الکتریکی است، پشتیبانی کنم – نور خورشید، نور شمع، نور کرم شبتاب.”
اولین اقدامات هانریش هرتز برای اثبات تجربی نظریه ماکسول
در روزگار ما که آنتن تلویزیون و بشقاب رادار همهجا پیدا میشوند، سخت است که خود را به آن زمان برگردانیم؛ زمانی که به نظر میرسید امواج نور هیچ ارتباطی با بطریهای لیدن (بطری لِیدِن (یا لایدن) یک قطعه الکتریکی ابتدایی است که بار الکتریکی را در ولتاژ بالا (از یک منبع خارجی) روی هادیهای الکتریکی داخل و خارج بطری شیشهای ذخیره میکند. این وسیله شبیه یک خازن است.) و دیگر لوازم آزمایشگاه الکتریکی نداشته باشند. اما بر روی پایههای استوار معادلات مکسول، هرتز شروع به ساختن پلی بین آنها کرد.
طراحی او برای آزمایش نظریه به سادگی تولید امواج به وسیله روشهای الکتریکی بود و نشان دادن این که این امواج از “اتر” عبور میکنند به همان شیوه و با همان سرعتی که نور عبور میکند. تولید چنین امواجی نباید مشکل زیادی میبود. این به خوبی شناخته شده بود که تخلیه الکتریکی از یک بطری لیدن جریان یکطرفه نیست بلکه نوسانی سریع است.
ساخت آنتن یا دریافت کننده
فیزیکدان آلمانی براند ویلهلم فدرسن نوسانات را با مشاهده تخلیه جرقهای از طریق یک آینه سریعچرخان که نشان میداد جرقهها به جلو و عقب در شکاف میپریدند و به وضوح جهت خود را صد هزار بار در ثانیه معکوس میکردند، مشاهده کرده بود. هرتز استدلال کرد که چنین نوساناتی، اگر از طریق “اتر” منتشر شوند، باید توسط یک گیرنده رزونانسی در فاصلهای از منبع ارسال قابل شناسایی باشند.
یک گیرنده با طول مناسب، نوسانات را دریافت کرده و جریان الکتریکی در آن القا میشد که با ظاهر شدن یک جرقه در شکاف آن، سیگنال داده میشد. به عنوان “آنتن” دریافتکننده، هرتز از یک سیم یا میله برنجی به طول یک فوت یا بیشتر استفاده کرد که به این معنی بود که امواجی که او با آنها کار میکرد باید فرکانس بسیار بالایی داشته باشند. او میتوانست تخمین بزند که فرکانس مناسب در صدها میلیون سیکل در ثانیه است؛ یعنی در ناحیهای که امروزه آن را ناحیه مایکروویو مینامیم.
ساخت فرستنده
هرتز دستگاهی ساده برای تولید این امواج طراحی کرد. در نسخه کاملاً توسعهیافته آزمایشهایش، او از یک سیمپیچ القایی مشابه با سیمپیچ جرقهای در موتور اتومبیل مدل تی برای تبدیل جریان باتری به پالسهای ولتاژ بالا استفاده کرد؛ این پالسها از طریق سیمها به یک میله برنجی یکفوتی که در وسط آن شکافی کوچک داشت منتقل میشدند.
با دکمههایی به عنوان قطبها. جرقههای تولید شده در شکاف، نوسانات جریان در میله ایجاد میکردند که طول موج آن حدود دو فوت بود (تقریباً دو برابر طول میله)، که معادل فرکانسی در حدود 500 یا 600 مگا سیکل بود. در فاصلهای از این فرستنده، او گیرندهاش را قرار داد؛ یک میله مستقیم شکسته مشابه، با یک شکاف جرقهای کوچک که دو قطب آن دکمهای کوچک و یک نوک تیز بود.
اندازه گیری سرعت امواج
پس اینجا امواج الکترومغناطیسی غیر از نور بودند که از “اتر” مانند نور عبور میکردند. چگونه میتوان ثابت کرد که این امواج مشابه امواج نور هستند؟ زمان یک پارامتر اساسی بود. آیا این امواج با سرعت نور حرکت میکردند؟ در آزمایشگاه هرتز، اندازهگیری سرعت آنها غیرممکن بود. برای اندازهگیری زمان سفر از فرستنده به گیرنده نیاز به زمانسنجی دقیق با پالسهای بسیار تیز بود.
همانطور که هرتز اشاره کرد: “اگر بخواهیم طولی را با دقت یک دهم میلیمتر اندازهگیری کنیم، نشان دادن شروع آن با یک خط گچ وسیع، احمقانه خواهد بود.” هرز نه اسیلوسکوپ داشت، نه لولههای الکترونیکی از هیچ نوع- به عبارت دیگر، هیچ وسیلهای برای اندازهگیری مستقیم سرعت امواج خود نداشت. بلکه او طول موج های آنها را اندازهگیری کرد و بدین وسیله محاسبات مکسول را تأیید کرد.
نحوه اندازیه گیری امواج
هرتز این اندازهگیریها را با مطالعه تداخل بین امواج مستقیم و امواج بازتابیده از یک دیوار پوشیده از روی که به عنوان آینه عمل میکرد، انجام داد. آزمایشهای او که نشان میداد امواج الکتریکیاش مانند امواج نور در زمینههای مختلف رفتار میکنند، از نظر علمی قانعکنندهتر بود. او امواج خود را با آینههای بزرگ ورق گالوانیزه متمرکز کرد؛ آنها را با منشورهای بزرگ ساخته شده از قیر ذغالسنگ انکسار کرد.
او متوجه شد که زمانی که یک صفحه فویل آلومینیومی یا بدن دستیارش در مسیر پرتوهای الکتریکی قرار میگیرد، “سایهای” ایجاد میکند. اما عجیب اینکه تنها مواد هادی چنین سایهای ایجاد میکردند؛ عایقها پرتو را متوقف نمیکردند. هرتز نوشت: “پرتوها از دیوار چوبی یا در عبور میکند، و نه بدون تعجب است که میبینید جرقهها درون یک اتاق بسته ظاهر میشوند.”
پس اکنون امواجی داشتیم که برای چشم غیرقابل تشخیص بودند، امواجی که در برابر درهای ضخیم نه مات بلکه شفاف بودند، امواجی که صدها هزار بار از طولموجهای نور مرئی بزرگتر بودند، اما با این حال امواجی که قوانین اپتیک فیزیکی را رعایت میکردند. همه چیز همانطور که مکسول تصور کرده بود بود: نور خورشید، نور شمع، نور کرم شبتاب و جریان برق از یک نوع بودند.
تاثیر کار های هانریش هرتز
اهمیت کار هانریش هرتز فوراً شناخته شد. افتخارات زیادی از سراسر اروپا به او تعلق گرفت. در سال 1889، سه سال پس از کشف او، به کرسی فیزیک دانشگاه بن دعوت شد. که پیش از آن توسط رودیف کلازیوس بزرگ، که به تازگی با مرگش آن را ترک کرده بود. فیزیکدانها شروع به بررسی کاربردهای جدید طیف الکترومغناطیسی کردند که هرتز به طور چشمگیری گسترش داده بود. و برخی از آنها کاربردهای عملی برای امواج هرتزی پیشبینی کردند.
کاربردی شدن امواچ هرتز
در سال 1892، سر ویلیام کروکس درباره امکان ارتباط با امواج هرتزی نوشت و گوگلیلمو مارکونی، که از مطالعه شرح خود هرتز در مورد این امواج الهام گرفته بود، اولین پیامهای بیسیم خود را در سال 1895 ارسال کرد، تنها نه سال پس از کشف آزمایشگاهی هرتز. اما خود هرتز، به طرز عجیبی، هیچ پیشبینیای درباره کاربردهای ممکن امواج خود نداشت؛ حتی استدلال کرد که آنها نمیتوانند کاربرد عملی داشته باشند.
نزدیک شدن به پدیده های کوانتومی
هانریش هرتز اکنون وارد آزمایشهایی شد که تقریباً به دنیای جدید فیزیک- دنیای الکترون و اتم- پا گذاشت. در واقع، او قبلاً برخی از پدیدههای اتمی را مشاهده کرده بود بدون آنکه متوجه معنای آنها شود. او متوجه شده بود که نور فرابنفش از جرقه فرستنده میتواند جرقههایی را در گیرنده به وجود آورد. اما او نمیدانست که این پدیده اثر فتوالکتریک است. یعنی اینکه نور با آزاد کردن الکترونها از سطح قطب منفی گیرنده، جریان الکتریکی در آن ایجاد میکرد.
الکترون هنوز کشف نشده بود. هرز در آزمایشهای قبلی خود با پرتوهای کاتدی در برلین به کشف الکترونها نزدیک شده بود. او در تلاش برای تعیین اینکه آیا پرتوهای کاتدی امواج الکترومغناطیسی هستند یا پرتوهایی از ذرات، پرتوهای کاتدی را در یک خلأ تحت تأثیر یک میدان الکتریکی قوی قرار داده بود. اگر پرتوها از ذرات باردار تشکیل شده بودند، میدان باید پرتو را منحرف میکرد؛ اگر امواج بودند، آنها باید میدان را نادیده میگرفتند.
هرتز دریافت که پرتوها کاملاً تحت تأثیر میدان قرار نگرفتند. متأسفانه خلأ او مناسب نبود؛ در آن مقداری گاز باقیمانده وجود داشت که پرتوها را از میدان الکتریکی او محافظت میکرد. جی. جی. تامسون، با خلأ بهتر، بعداً الکترون را کشف کرد و دقیقاً همان تأثیری را که هرتز جستجو کرده بود، تولید کرد.
نردیک شدن به کشف پرتو ایکس
در بن، هرتز دوباره آزمایشهای خود با پرتوهای کاتدی را آغاز کرد. او نشان داد که پرتوها میتوانند از ورقههای نازک فلز عبور کنند. اگر او به تحقیقات خود ادامه میداد، ممکن بود کشف کند که پرتوهای خروجی همان پرتوهای ایکس هستند. اما این آخرین آزمایش او بود. هرتز، با استعداد فراوان، سرشار از شادی و هنوز جوان در اوج عمر خود، به دلیل سرطان از بین رفت.
یک عمل ناموفق روی استخوانهای سرطانی در سال 1892 او را بیمار و افسرده کرد؛ دفتر خاطرات او حاوی عبارت “زمانی ناخوشایند، خستگی، انزجار” است. او آزمایشگاه را رها کرد و به کار نظری در زمینه مکانیک پرداخت. بازنگری در نظریهای تولید کرد که پس از مرگش تحت عنوان “اصول مکانیک” منتشر شد. این کتاب مقدمهای از هلمهولتز داشت – یک ادای احترام احساسی از سوی استاد 73 سالهای که هنوز زنده بود به دوست جوانی که در 37 سالگی درگذشته بود.
کتاب عجیب، سرد و درخشان هانریش هرتز در مورد مکانیک تأثیر چندانی بر علم نداشته است، هرچند که از جهات زیادی عمیق و نوآورانه است. اما اخیراً فلاسفه علم دوباره آن را تحت بررسی قرار داده اند و اکنون این کتاب به زبان انگلیسی ترجمه و مجدداً چاپ شده است – تنها اثر هرتز که امروز به زبان انگلیسی در دسترس است.
خلاصه فعالیتهای علمی هاینریش هرتز
1. امواج ایستاده روی سیمها:
هرتز با ایجاد امواج ایستاده در یک سیم بلند، فاصله بین کمینههای موج را اندازه گرفت و از آن برای محاسبه طول موج استفاده کرد.
2. اثر پوستی:
او نشان داد که جریان متناوب با فرکانس بالا در سطح خارجی رساناها حرکت میکند و درون آنها نفوذ عمیقی ندارد، پدیدهای که امروزه بهعنوان اثر پوستی شناخته میشود.
3. امواج ایستاده در هوا:
هرتز با استفاده از یک صفحه فلزی، امواج ایستاده در هوا ایجاد کرد و وجود نوسانات الکترومغناطیسی در فضا را که ماکسول پیشبینی کرده بود، اثبات نمود.
4. پرتو افکنی، انعکاس و انکسار:
او با طراحی آنتن و بازتابندههای سهمی، پرتوهای الکترومغناطیسی را متمرکز کرد و اصول انعکاس و انکسار آنها را بررسی نمود، حتی ضریب شکست امواج را با استفاده از یک منشور آسفالتی اندازهگیری کرد.
5. قطبش:
هرتز ثابت کرد که امواج الکترومغناطیسی قطبیده هستند و مشابه نور میتوانند از طریق شبکهای از سیمهای موازی عبور یا مسدود شوند، مشابه عملکرد کریستالها در قطبش نور.
6. بردار هرتز:
او یک کمیت برداری معرفی کرد که برای محاسبه میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در فواصل مختلف از یک منبع تابش مورد استفاده قرار میگیرد.
7. میدانهای ناشی از دوقطبی:
هرتز اولین نمودارهای دقیق از نحوه انتشار میدانهای الکتریکی و مغناطیسی از یک آنتن دوقطبی را ارائه داد و مشخص کرد که در فاصله زیاد، میدان تابشی کاملاً عرضی است.
8. دستگاههای آزمایشی:
او مجموعهای از ابزارهای دقیق شامل بازتابندههای سهمی، منشور آسفالتی، گیرندههای حلقه رزونانسی و سیمپیچهای القایی را برای مطالعه ویژگیهای امواج الکترومغناطیسی به کار گرفت.
کارهای هرتز نهتنها نظریه ماکسول را تأیید کرد، بلکه زمینهساز پیشرفتهای اساسی در فناوریهای مخابراتی و الکترونیکی شد.
پایان زندگی و مرگ هانریش هرتز
هاینریش هرتز در زندگی کوتاه و غمانگیز 37 ساله خود، دوران فیزیک “کلاسیک” را به اوج باشکوهی رساند. بینش او در معنای نظریه ماکسول در مورد الکتریسیته و مغناطیس، که منجر به کشف امواج رادیویی توسط او شد، طیف وسیعی از امواج غیر از نور را گشود، که به هزاران روش توسط فناوری مدرن مورد بررسی قرار گرفته است.
هرتز او اولین کسی بود که پدیده اثر فوتوالکتریک را مشاهده کرد، اما نتوانست تشخیص دهد که معنای آن چیست. هرتز دقیقاً در آستانه تولد فیزیک مدرن درگذشت. کشف اشعه ایکس، رادیواکتیویته و الکترون تا سه سال پس از مرگ او رخ داد.
هرتز، در حالی که در درد و سلامتی ضعیف بود، تا دسامبر 1893 به سخنرانی ادامه داد. او در روز اول سال 1894 درگذشت. بیوهاش تا سال 1942 زندگی کرد و دو دخترش، یکی بیوشیمیست و دیگری پزشک، هنوز در کمبریج انگلستان زندگی میکنند. جایی که آنها در سال 1937 با مادرشان به آنجا آمدند، زمانی که زندگی در آلمان نازی برای خانواده هرتز غیرقابل تحمل شد.
هایندریش رودولف هرتز به عنوان آخرین فیزیکدان بزرگ کلاسیک به یاد خواهد ماند؛ اما اگر بیماری اجازه جان او را نمی گرفت، او ممکن بود به یک نام بزرگ در فیزیک اتمی تبدیل شود. یادآوری این مرد با استعداد و دوستداشتنی که در آزمایشها ابتکاری و پرانرژی، در نظریهها عمیق، با گرایش فلسفی و در هر جنبهای خوشبرخورد بود، دلگرمکننده است.
برای آگاهی از تحقیقات علمی جیمز کلارک ماکسول، پیشنهاد می کنیم مقاله ما با عنوان “زندگی و دستاوردهای جیمز کلارک ماکسول” را حتما مطالعه بفرمایید.
نتیجهگیری
میراث علمی هاینریش هرتز فراتر از کشفی صرف در دنیای فیزیک است. او با اثبات امواج الکترومغناطیسی، دریچهای به سوی دنیای جدیدی از فناوریها گشود. که امروزه در رادیو، تلویزیون، ارتباطات بیسیم و حتی سیستمهای پیشرفتهتری مانند GPS و اینترنت نقشی اساسی دارند. کارهای او نشان داد که چگونه پژوهشهای بنیادین علمی میتوانند، حتی بدون نیت کاربردی مستقیم، آینده بشر را تغییر دهند.
اگرچه زندگی کوتاهش مجالی برای بهرهبرداری از پیامدهای عظیم یافتههایش نداد، اما نام او تا همیشه در تاریخ علم جاودانه خواهد ماند. امواجی که روزی در آزمایشگاه کوچک او به حرکت درآمدند، هنوز در سراسر جهان، در هر ارتباط رادیویی و سیگنالی که دریافت میشود، طنیناندازند.
آیا میتوانیم اکنون تصور کنیم که کاربردهای جدید امواج هرتزی ممکن است ما را در 100 سال آینده به کجا ببرد؟ از شما سپاسگزارم، هاینریش رودولف هرتز، برای کار باشکوه و برجستهتان!
منابع مطالعاتی
- Heinrich Hertz
Author(s): Philip Morrison and Emily Morrison
Source: Scientific American, Vol. 197, No. 6 (December 1957), pp. 98-108 - Heinrich Hertz-Theorist and Experimenter by Jokn D.Kraus
دیدگاهتان را بنویسید