Heinrich Hertz
gigatos | február 22, 2022
Összegzés
Heinrich Rudolf Hertz (németül: 1857. február 22. – 1894. január 1.) német fizikus volt, aki elsőként bizonyította egyértelműen a James Clerk Maxwell elektromágneses egyenletei által megjósolt elektromágneses hullámok létezését. A frekvencia mértékegysége, a másodpercenkénti ciklus, az ő tiszteletére kapta a „hertz” nevet.
Heinrich Rudolf Hertz 1857-ben született Hamburgban, a Német Szövetség akkori szuverén államában, jómódú és művelt hanzai családban. Apja Gustav Ferdinand Hertz volt. Édesanyja Anna Elisabeth Pfefferkorn volt.
A hamburgi Gelehrtenschule des Johanneumsban folytatott tanulmányai során Hertz a természettudományok és a nyelvek iránt is hajlamosnak mutatkozott, arabul és szanszkritul tanult. Tudományokat és mérnöki tanulmányokat folytatott a németországi Drezdában, Münchenben és Berlinben, ahol Gustav R. Kirchhoff és Hermann von Helmholtz mellett tanult. 1880-ban Hertz a berlini egyetemen doktorált, és a következő három évben posztdoktori tanulmányokat folytatott Helmholtz mellett, akinek asszisztenseként dolgozott. 1883-ban Hertz a kieli egyetem elméleti fizika előadói állását foglalta el. 1885-ben Hertz a karlsruhei egyetem rendes professzora lett.
1886-ban Hertz feleségül vette Elisabeth Dollt, Max Doll, a karlsruhei geometria előadójának lányát. Két lányuk született: Johanna, aki 1887. október 20-án született, és Mathilde, aki 1891. január 14-én született, és aki később neves biológus lett. Hertz ebben az időben végezte az elektromágneses hullámokkal kapcsolatos, korszakalkotó kutatásait.
Hertz 1889. április 3-án elfoglalta a bonni Fizikai Intézet fizikaprofesszori és igazgatói állását, amelyet haláláig töltött be. Ez idő alatt az elméleti mechanikán dolgozott, munkáit a Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (A mechanika alapelvei új formában bemutatva) című könyvében tette közzé, amely posztumusz jelent meg 1894-ben.
Halál
1892-ben Hertznél (egy súlyos migrénes rohamot követően) fertőzést diagnosztizáltak, és a betegség kezelésére műtéteket végeztek rajta. A migrént okozó állapotának helyreállítására irányuló műtétek során fellépő komplikációkat követően halt meg, amit egyesek rosszindulatú csontbetegségnek tartanak. A németországi Bonnban halt meg 36 éves korában, 1894-ben, és a hamburgi Ohlsdorf temetőben temették el.
Hertz felesége, Elisabeth Hertz (1864-1941) nem ment újra férjhez, és lányai, Johanna (1887-1967) és Mathilde (1891-1975) maradtak utána. Egyikük sem ment férjhez, így Hertznek nincsenek élő leszármazottai.
Elektromágneses hullámok
1864-ben James Clerk Maxwell skót matematikus fizikus átfogó elméletet javasolt az elektromágnesességről, amelyet ma Maxwell-egyenleteknek nevezünk. Maxwell elmélete azt jósolta, hogy a kapcsolt elektromos és mágneses mezők „elektromágneses hullámként” terjedhetnek a térben. Maxwell azt javasolta, hogy a fény rövid hullámhosszú elektromágneses hullámokból áll, de ezt senki sem tudta bizonyítani, illetve más hullámhosszú elektromágneses hullámokat létrehozni vagy érzékelni.
Hertz tanulmányai során 1879-ben Helmholtz azt javasolta, hogy Hertz doktori disszertációjának témája Maxwell elméletének tesztelése legyen. Helmholtz ugyanebben az évben a Porosz Tudományos Akadémián a „Berlin-díj” problémáját is felvetette annak, aki kísérletileg bizonyítani tudja az elektromágneses hatást a szigetelők polarizációjában és depolarizációjában, amit Maxwell elmélete előre jelzett. Helmholtz biztos volt benne, hogy Hertz a legesélyesebb jelölt a díj elnyerésére. Mivel Hertz nem látott módot arra, hogy olyan készüléket építsen, amellyel ezt kísérletileg tesztelhette volna, úgy gondolta, hogy ez túl nehéz, és helyette az elektromágneses indukcióval foglalkozott. Hertz kieli tartózkodása alatt elkészítette a Maxwell-egyenletek elemzését, amely kimutatta, hogy azok érvényesebbek, mint az akkoriban elterjedt „távolsági hatás” elméletek.
Miután Hertz megkapta karlsruhei professzori állását, 1886 őszén egy Riess-spirálpárral kísérletezett, amikor észrevette, hogy egy Leyden-üveg kisütése az egyik tekercsben szikrát kelt a másik tekercsben. Mivel Hertznek már volt ötlete arra, hogy hogyan építsen egy készüléket, most már volt módja arra, hogy a Maxwell-elmélet bizonyítására vonatkozó 1879-es „berlini díj” problémáját megoldja (bár a tényleges díj 1882-ben lejárt, és nem vették át). Sugárzóként egy dipólantennát használt, amely két egymás melletti egyméteres vezetékből állt, belső végeik között szikraközzel, a külső végekre pedig kapacitást biztosító cinkgömböket erősített. Az antennát egy Ruhmkorff-tekercsből a két oldal közé kapcsolt kb. 30 kilovoltos nagyfeszültségű impulzusokkal gerjesztette. A hullámokat egy rezonáns egyhurokú antennával fogadta, amelynek végei között mikrométeres szikraköz volt. Ez a kísérlet a ma rádióhullámoknak nevezett, nagyon magas frekvenciatartományba tartozó hullámokat állított elő és fogott.
1886 és 1889 között Hertz olyan kísérletsorozatot végzett, amely bebizonyította, hogy az általa megfigyelt hatások a Maxwell által megjósolt elektromágneses hullámok eredményei. Hertz 1887 novemberében „On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators” című tanulmányával kezdődően egy sor tanulmányt küldött Helmholtznak a berlini akadémiára, köztük olyanokat 1888-ban, amelyekben a szabad térben véges sebességgel terjedő, keresztirányú elektromágneses hullámokat mutattak ki. A Hertz által használt készülékben az elektromos és mágneses mezők transzverzális hullámokként sugároztak el a vezetékektől. Hertz az oszcillátort körülbelül 12 méterre helyezte el egy cinket visszaverő lemeztől, hogy állóhullámokat hozzon létre. Minden egyes hullám körülbelül 4 méter hosszú volt. A gyűrűs detektor segítségével feljegyezte, hogyan változik a hullám nagysága és a komponensek iránya. Hertz megmérte a Maxwell-hullámokat, és kimutatta, hogy e hullámok sebessége megegyezik a fénysebességgel. A hullámok elektromos térerősségét, polarizációját és visszaverődését is megmérte Hertz. Ezek a kísérletek megállapították, hogy a fény és ezek a hullámok egyaránt a Maxwell-egyenleteknek engedelmeskedő elektromágneses sugárzás egyik formája. Lehet, hogy nem Hertz találkozott először a rádióhullámok jelenségével – David Edward Hughes kilenc évvel korábban észlelhette létezésüket, de nem publikálta eredményeit.
Hertz nem ismerte fel rádióhullám-kísérleteinek gyakorlati jelentőségét. Ezt állította,
Arra a kérdésre, hogy miként lehet alkalmazni felfedezéseit, Hertz így válaszolt,
Hertz bizonyítása a levegőben terjedő elektromágneses hullámok létezéséről az elektromágneses sugárzás ezen új formájával kapcsolatos kísérletek robbanásszerű elterjedéséhez vezetett, amelyet „Hertz-hullámoknak” neveztek egészen 1910 körülig, amikor a „rádióhullámok” kifejezés vált általánossá. Tíz éven belül olyan kutatók, mint Oliver Lodge, Ferdinand Braun és Guglielmo Marconi a rádióhullámokat alkalmazták az első vezeték nélküli távíró rádiótávközlési rendszerekben, ami a rádióműsorok, majd később a televízió kialakulásához vezetett. Braun és Marconi 1909-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat „a vezeték nélküli távírászat fejlesztéséhez való hozzájárulásukért”. Napjainkban a rádió a globális távközlési hálózatok alapvető technológiája, és a modern vezeték nélküli eszközök hordozója a gázközegekben és az űrben.
Katódsugarak
1892-ben Hertz kísérletezni kezdett, és bebizonyította, hogy a katódsugarak képesek áthatolni a nagyon vékony fémfólián (például az alumíniumon). Philipp Lenard, Heinrich Hertz tanítványa tovább kutatta ezt a „sugárhatást”. Kifejlesztette a katódcső egy változatát, és tanulmányozta a különböző anyagok röntgensugarak általi áthatolását. Lenard azonban nem vette észre, hogy röntgensugarakat állít elő. Hermann von Helmholtz matematikai egyenleteket fogalmazott meg a röntgensugárzásra vonatkozóan. Még azelőtt posztulálta a diszperziós elméletet, hogy Röntgen felfedezését és bejelentését megtette volna. Ezt a fény elektromágneses elmélete alapján alkotta meg (Wiedmann’s Annalen, XLVIII. kötet). Valódi röntgensugárzással azonban nem dolgozott.
Fényelektromos hatás
Hertz hozzájárult a fotoelektromos hatás megállapításához (amelyet később Albert Einstein magyarázott meg), amikor észrevette, hogy egy töltött tárgy könnyebben veszíti el töltését, ha ultraibolya (UV) sugárzás éri. 1887-ben megfigyeléseket tett a fotoelektromos hatásról, valamint az elektromágneses (EM) hullámok keletkezéséről és vételéről, amelyeket az Annalen der Physik című folyóiratban publikált. Vevője egy szikraközzel ellátott tekercsből állt, amelynek segítségével az EM-hullámok észlelésekor szikra keletkezett. A készüléket egy elsötétített dobozban helyezte el, hogy a szikrát jobban láthassa. Megfigyelte, hogy a szikra maximális hossza csökkent, amikor a dobozban volt. Az EM-hullámok forrása és a vevő között elhelyezett üveglap elnyelte az UV-sugárzást, ami segítette az elektronok átugrását a résen. Ha eltávolították, a szikra hossza megnőtt. Nem figyelte meg a szikrahossz csökkenését, amikor az üveget kvarccal helyettesítette, mivel a kvarc nem nyeli el az UV-sugárzást. Hertz befejezte több hónapos vizsgálatát, és beszámolt a kapott eredményekről. Nem vizsgálta tovább ezt a hatást, és nem tett kísérletet arra sem, hogy megmagyarázza, hogyan jött létre a megfigyelt jelenség.
Kapcsolat mechanika
1881-ben és 1882-ben Hertz két cikket publikált az érintkezési mechanika néven ismertté vált területről, amely fontos alapnak bizonyult a későbbi elméletek számára. Joseph Valentin Boussinesq néhány kritikusan fontos észrevételt tett közzé Hertz munkájával kapcsolatban, mindazonáltal megállapította, hogy az érintkezési mechanikával kapcsolatos ezen munkája óriási jelentőségű. Munkája alapvetően azt foglalja össze, hogy két, egymással érintkezésbe kerülő tengelyszimmetrikus tárgy hogyan viselkedik terhelés hatására, a klasszikus rugalmassági elmélet és a kontinuummechanika alapján kapott eredményeket. Elméletének legjelentősebb hibája az volt, hogy elhanyagolta a két szilárd test közötti bármilyen jellegű tapadást, ami fontosnak bizonyul, amint a szilárd testeket alkotó anyagok nagy rugalmasságot kezdenek felvenni. Az adhézió elhanyagolása azonban akkoriban természetes volt, mivel nem léteztek kísérleti módszerek annak vizsgálatára.
Elméletének kidolgozásához Hertz az üveggömb lencsére helyezésekor kialakuló elliptikus Newton-gyűrűk megfigyelését használta fel annak feltételezéséhez, hogy a gömb által kifejtett nyomás elliptikus eloszlást követ. A Newton-gyűrűk kialakulását ismét felhasználta, miközben elméletét kísérletekkel igazolta, amikor kiszámította a gömbnek a lencsébe való elmozdulását. Kenneth L. Johnson, K. Kendall és A. D. Roberts (JKR) 1971-ben ezt az elméletet vette alapul az elméleti elmozdulás vagy behatolási mélység kiszámításakor tapadás jelenlétében. Hertz elmélete az ő megfogalmazásukból nyerhető vissza, ha az anyagok tapadását nullának feltételezzük. Ehhez az elmélethez hasonlóan, de más feltevéseket használva B. V. Derjaguin, V. M. Muller és Y. P. Toporov 1975-ben egy másik elméletet publikáltak, amely a kutatóközösségben DMT-elmélet néven vált ismertté, és amely szintén Hertz megfogalmazásait állította vissza nulla adhézió feltételezése mellett. Ez a DMT-elmélet korainak bizonyult, és több átdolgozásra volt szükség, mielőtt a JKR-elmélet mellett egy másik anyagérintkezési elméletként elfogadták. Mind a DMT-, mind a JKR-elmélet az érintkezési mechanika alapját képezi, amelyre minden átmeneti érintkezési modell épül, és amelyet a nanoindentáció és az atomerő-mikroszkópia anyagparaméter-előrejelzésében használnak. Ezek a modellek központi szerepet játszanak a tribológia területén, és Duncan Dowson a „Tribológia 23 emberének” egyikeként nevezte meg. Annak ellenére, hogy az elektromágnesességgel kapcsolatos nagyszerű munkásságát megelőzte (amelyet ő maga a rá jellemző józansággal triviálisnak tartott), Hertz érintkezési mechanikával kapcsolatos kutatásai elősegítették a nanotechnológia korszakát.
Hertz leírta a „Hertz-kúpot” is, amely egyfajta törési módot jelent rideg szilárd anyagokban, amelyet a feszültséghullámok átvitele okoz.
Meteorológia
Hertz mindig is mélyen érdeklődött a meteorológia iránt, valószínűleg Wilhelm von Bezolddal (aki 1878 nyarán professzora volt a müncheni Műszaki Egyetem laboratóriumi kurzusán) való kapcsolataiból eredően. Berlinben Helmholtz asszisztenseként néhány kisebb cikket írt a témában, többek között a folyadékok párolgásával kapcsolatos kutatásokat, egy újfajta higrométert és egy grafikus módszert a nedves levegő adiabatikus változásoknak kitett tulajdonságainak meghatározására.
Mivel a Hertz családja két évtizeddel a születése előtt áttért a zsidóságról a lutheránus vallásra, öröksége az 1930-as évek náci kormányával ütközött, amely a vallási hovatartozás helyett a „faj” alapján osztályozta az embereket.
Hertz nevét eltávolították az utcákról és intézményekről, és még az is felmerült, hogy a tiszteletére elnevezett frekvenciaegységet (hertz) Hermann von Helmholtzról nevezzék át, a szimbólum (Hz) változatlanul hagyása mellett.
Családját is üldözték nem árja státuszuk miatt. Hertz legfiatalabb lánya, Mathilde a nácik hatalomra kerülése után elvesztette a berlini egyetemi tanári állását, és néhány éven belül nővérével és édesanyjukkal együtt elhagyta Németországot, és Angliában telepedett le.
Heinrich Hertz unokaöccse, Gustav Ludwig Hertz Nobel-díjas volt, Gustav fia, Carl Helmut Hertz pedig feltalálta az orvosi ultrahangvizsgálatot. Lánya, Mathilde Carmen Hertz ismert biológus és összehasonlító pszichológus volt. Hertz unokaöccse, Hermann Gerhard Hertz, a Karlsruhei Egyetem professzora, az NMR-spektroszkópia úttörője volt, és 1995-ben kiadta Hertz laboratóriumi feljegyzéseit.
A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság 1930-ban az ő tiszteletére hozta létre a hertz (Hz) SI-egységet, amely a frekvenciát jelöli, vagyis azt, hogy egy ismétlődő esemény másodpercenként hányszor fordul elő. A CGPM (Conférence générale des poids et mesures) 1960-ban fogadta el, és hivatalosan felváltotta a korábbi „ciklus per másodperc” (cps) elnevezést.
1928-ban Berlinben megalapították a Heinrich-Hertz Oszcillációkutató Intézetet. Ma Fraunhofer Távközlési Intézet, Heinrich Hertz Intézet, HHI néven ismert.
1969-ben Kelet-Németországban Heinrich Hertz-emlékérmet öntöttek. Az 1987-ben alapított IEEE Heinrich Hertz-érmet „a Hertz-hullámok területén elért kiemelkedő eredményekért évente egy egyénnek ítélik oda elméleti vagy kísérleti jellegű eredményekért”.
1980-ban Olaszországban, Rómában, a Cinecittà Est negyedben alapítottak egy középiskolát „Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz” néven.
Róla nevezték el az arizonai Graham-hegyen 1992-ben épített szubmilliméteres rádióteleszkópot.
Az ő tiszteletére nevezték el a Hold túlsó oldalán, közvetlenül a keleti perem mögött található krátert. Róla nevezték el az oroszországi Nyizsnyij Novgorodban található Hertz rádióelektronikai termékek piacát. A hamburgi Heinrich-Hertz-Turm rádiótávközlési torony a város híres fiáról kapta a nevét.
Hertzöt Japán a Szent Kincsrend tagságával tiszteli meg, amely a kiemelkedő emberek, köztük a tudósok számára többszörös tiszteletadással jár.
Heinrich Hertz tiszteletére a világ számos országa adott ki bélyegeket, és a második világháború utáni időkben számos német bélyegkiadáson is megjelent.
2012-ben, a születésnapján a Google egy, az életműve által inspirált Google doodle-lal tisztelgett Hertz előtt a főoldalán.
Cikkforrások
