Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
С этими улучшениями Герцу удалось зафиксировать возникновение в пространстве стоячих электромагнитных волн. Измерив расстояния между их пучностями и узлами, он определил длину возбуждаемых излучателем электромагнитных волн. Она была равна девяти метрам. Измерив затем емкость и индуктивность приемника, он вычислил частоту соответствующих электромагнитных колебаний и определил скорость распространения электромагнитных волн, умножив их частоту на длину волны. Скорость электромагнитных волн оказалась равной скорости света!
Так была подтверждена правильность предсказания теории Максвелла.
После этого Герц сделал решающий шаг, заменив
Излучатель такой формы генерировал электромагнитные волны длиной 66 сантиметров. Диполь-излучатель и диполь-приемник были расположены вдоль оси двух параболических зеркал так, что излучаемые электромагнитные волны были линейно-поляризованы и распространялись не во все стороны, а в форме слабо расходящегося пучка. Этим Герц достиг концентрации электромагнитной энергии, излучая электромагнитные волны преимущественно в избранном направлении.
Второе зеркало, направленное в сторону излучателя, отбрасывало падающие на него электромагнитные волны, возбуждаемые излучателем, на диполь-приемник. Так значительно увеличивалась падающая на него энергия по отношению к той, которая попадала на приемник в отсутствие зеркала.
С этими приборами Герц наблюдал и изучал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн. Для исследования преломления были изготовлены полные трехгранные призмы длиной в 1,5 метра. Когда в них наливали асфальт или смолу, они весили около 400 кг. Для исследования поляризации служила деревянная рама, на которую были натянуты параллельные проволоки.
В январе 1888 года вышла статья Герца «О скорости распространения электромагнитных эффектов». Она положила начало признанию теории Максвелла подобно тому, как сообщение Галилея об открытии спутников Юпитера дало толчок признанию теории Коперника.
Знаменитый физик, экспериментально доказавший существование предсказанного Максвеллом давления света, П. Н. Лебедев вспоминал, что в 1887 году (за год до публикации Герца) профессор Э. Кон читал курс оптики на основе эфирной теории Френеля. А в 1889 году (через год после этой публикации) преподносил новый курс полностью на основе теории Максвелла.
В сентябре 1889 года в Гейдельберге состоялся ежегодный съезд Германской ассоциации естествоиспытателей и медиков. Герц выступил там с докладом «О связи между светом и электричеством». Он сообщил о результатах четырехлетних исследований и отметил, что они стали возможны только потому, что человеческий глаз, адаптированный к темноте, может в надежно затемненном помещении замечать искры длиной всего в одну сотую долю миллиметра.
Все экспериментаторы, воспроизводившие опыты Герца, единодушно отмечали чрезвычайные трудности работы со столь примитивными приборами.
Спор между теорией Максвелла и теориями Неймана-Вебера и Гельмгольца был окончательно решен в пользу Максвелла.
Метод измерения частоты и длины волны электромагнитного излучения с применением стоячих волн, придуманный Герцем, остается наиболее удобным и точным способом измерения скорости распространения электромагнитного излучения. Наиболее точные измерения были проведены в наши дни в диапазоне сантиметровых радиоволн при помощи квантовых стандартов частоты
Таким образом Герц бесспорно установил, что предсказанные Максвеллом электромагнитные волны в эфире являются реальностью. Он подтвердил мнение Максвелла о глубокой общности между волнами света и, отличающимися только большей длиной, электромагнитными волнами. Вера в эфир дала трещину.
После того, как гипотеза электромагнитного эфира стала общепризнанной теорией, вопрос о противоречивых механических свойствах эфира был сдан в архив науки, хранящий множество заблуждений ученых, заблуждений, казавшихся прежде бесспорными истинами. Но похоронен эфир не был. Ему еще предстояла долгая — предолгая жизнь…
ПЕРВЫЙ ПУТЬ. ГЕРЦ В ТУПИКЕ
Наблюдая искру в своих приемниках электромагнитных волн, Герц открыл фотоэффект — влияние света на электрические явления. Он обнаружил, что при освещении разрядника искра в нем возникает при большей длине разрядного промежутка, чем это наблюдается в темноте.
Герц посвятил около полугода исследованию этого явления. Он заметил, что длина искры зависит от спектра источника света. Применив кварцевую призму, установил, что фотоэффект резко обрывается, если длина волны превышает 0,3 микрона. Существование этой границы было одной из наиболее интригующих тайн, возникших перед наукой на рубеже 20-го века.
Установив существование фотоэффекта для множества металлов и других веществ и не найдя путей объяснения природы этого эффекта, Герц возвратился к своей главной задаче — исследованию электромагнитных волн.
Загадка фотоэффекта не могла уйти со сцены нерешенной — чувствовалось, что за ней стоят фундаментальные тайны строения вещества и природы электромагнитного излучения. Но для ее решения потребовался гений Эйнштейн. Об этом мы будем говорить подробно в следующей главе.
Систематические исследования свойств электромагнитных волн привели Герца к открытию скин-эффекта, явления, существование которого было предсказано Хевисайдом и Пойнтингом. Суть этого явления состоит в том, что переменный электрический ток распространяется не по всей толще проводника, а оттесняется в его поверхностные слои. При этом толщина слоя, в котором распространяется переменный ток, тем меньше, чем выше частота тока. Это затрудняло наблюдение скин-слоя для обычного электрического тока, применяемого в промышленности и для освещения.
Для тех высоких частот, с которыми работал Герц, толщина скин-слоя очень мала, и ее нужно учитывать при определении сопротивления проводника. Сопротивление зависит не от полного сечения проводника, а от сечения тонкого приповерхностного «скин-слоя». Это обстоятельство определило термин скин-эффект и скин-слой. Скин — по-английски — кожа. Высококачественный ток течет не по всему сечению проводника, а лишь по его «коже».
В 1889 году Герц получил от университета в Бонне приглашение возглавить кафедру, которую до того занимал Р. Клаузиус, известный своими работами в области термодинамики и кинетической теории газов. Это было почетное приглашение. Герц принял его, исходя из двух соображений. Он считал, что внес достаточный вклад в исследование электромагнитных волн и искал для себя новых интересных задач. Вторым соображением был низкий в то время уровень преподавания в университете Карлсруэ, где он не мог найти способных учеников. В этом отношении университет Бонна открывал лучшие перспективы.