خارج وعينا يكمن عالم بارد وغريب من الأشياء الفعلية. وبين العالمين يمتد نطاق ضيق للحواس. لا يوجد تواصل بين العالمين إلا عبر هذا النطاق الضيق. إن فهم أنفسنا والعالم بشكل صحيح يتطلب استكشاف هذا النطاق بعناية فائقة.
Heinrich Rudolf Hertz كان فيزيائياً ألمانياً أثبت للمرة الأولى بشكل قاطع وجود الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأت بها معادلات James Clerk Maxwell للكهرومغناطيسية. تم تسمية وحدة التردد، الدورة في الثانية، باسم "hertz" تكريماً له.
السيرة الذاتية
وُلد Heinrich Rudolf Hertz عام 1857 في Hamburg، التي كانت آنذاك دولة ذات سيادة في الاتحاد الألماني، في عائلة هانسياتية مزدهرة ومثقفة. والده كان Gustav Ferdinand Hertz. وأمه كانت Anna Elisabeth Pfefferkorn.
أثناء دراسته في Gelehrtenschule des Johanneums في Hamburg، أظهر Hertz موهبة في العلوم وكذلك اللغات، حيث تعلم اللغة العربية والسنسكريتية. درس العلوم والهندسة في المدن الألمانية Dresden وMunich وBerlin، حيث درس تحت إشراف Gustav R. Kirchhoff وHermann von Helmholtz. في عام 1880، حصل Hertz على درجة الدكتوراه من جامعة Berlin، وبقي لمدة ثلاث سنوات إضافية لمتابعة الدراسات العليا تحت إشراف Helmholtz، حيث عمل كمساعده. في عام 1883، تولى Hertz منصب محاضر في الفيزياء النظرية بجامعة Kiel. في عام 1885، أصبح Hertz أستاذاً كاملاً في جامعة Karlsruhe.
في عام 1886، تزوج Hertz من Elisabeth Doll، ابنة Max Doll، محاضر الهندسة في Karlsruhe. كان لديهما ابنتان: Johanna، وُلدت في 20 أكتوبر 1887 وMathilde، وُلدت في 14 يناير 1891، والتي أصبحت عالمة أحياء مرموقة فيما بعد. خلال هذه الفترة أجرى Hertz أبحاثه الرائدة حول الموجات الكهرومغناطيسية.
تولى Hertz منصب أستاذ الفيزياء ومدير معهد الفيزياء في Bonn في 3 أبريل 1889، وظل في هذا المنصب حتى وفاته. خلال هذه الفترة عمل على الميكانيكا النظرية مع نشر أعماله في الكتاب Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt The Principles of Mechanics Presented in a New Form، والذي نُشر بعد وفاته عام 1894.
الوفاة
في عام 1892، تم تشخيص Hertz بعدوى بعد فترة من الصداع الشديد وخضع لعمليات جراحية لعلاج المرض. توفي بسبب مضاعفات في الجراحة في محاولات لإصلاح حالته التي كانت تسبب له هذه الصداعات، والتي يعتقد البعض أنها كانت حالة عظمية خبيثة. توفي في سن 36 في Bonn، ألمانيا عام 1894، ودُفن في مقبرة Ohlsdorf في Hamburg.
زوجة Hertz، Elisabeth Hertz née Doll 1864–1941، لم تتزوج مرة أخرى. ترك Hertz ابنتين، Johanna 1887–1967 وMathilde 1891–1975. ابنات Hertz لم تتزوجا ولا يوجد له ذرية.
الأعمال العلمية
الموجات الكهرومغناطيسية
في عام 1864 اقترح الفيزيائي الرياضي الاسكتلندي James Clerk Maxwell نظرية شاملة للكهرومغناطيسية، تُعرف الآن باسم معادلات Maxwell. تنبأت نظرية Maxwell بأن المجالات الكهربائية والمغناطيسية المترابطة يمكن أن تنتقل عبر الفضاء كـ "موجة كهرومغناطيسية". اقترح Maxwell أن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية ذات طول موجي قصير، لكن لم يتمكن أحد من إثبات ذلك أو توليد أو كشف موجات كهرومغناطيسية بأطوال موجية أخرى.
خلال دراسات Hertz عام 1879 اقترح Helmholtz أن تكون أطروحة Hertz للدكتوراه حول اختبار نظرية Maxwell. كان Helmholtz قد اقترح أيضاً مشكلة "جائزة Berlin" في تلك السنة في أكاديمية Prussia للعلوم لأي شخص يمكنه إثبات تأثير كهرومغناطيسي بشكل تجريبي في استقطاب وإزالة استقطاب العوازل، وهو شيء تنبأت به نظرية Maxwell. كان Helmholtz متأكداً من أن Hertz هو المرشح الأرجح للفوز بها. عدم رؤية أي طريقة لبناء جهاز لاختبار هذا بشكل تجريبي، اعتقد Hertz أنه صعب جداً، وعمل على الحث الكهرومغناطيسي بدلاً من ذلك. أنتج Hertz تحليلاً لمعادلات Maxwell خلال وجوده في Kiel، مما أظهر أنها تتمتع بصحة أكبر من نظريات "العمل عن بعد" السائدة في ذلك الوقت.
بعد حصول Hertz على منصبه الأكاديمي في Karlsruhe، كان يُجري تجارب باستخدام زوج من Riess spirals في خريف عام 1886 عندما لاحظ أن تفريغ Leyden jar في أحد هذه الملفات سينتج عنه شرارة في الملف الآخر. بفكرة عن كيفية بناء جهاز، أصبح لدى Hertz الآن طريقة للمضي قدماً مع مشكلة "جائزة Berlin" عام 1879 الخاصة بإثبات نظرية Maxwell على الرغم من أن الجائزة الفعلية قد انتهت بدون حائز عام 1882. استخدم Ruhmkorff coil-driven spark gap وزوج من الأسلاك بطول متر واحد كمشع. كانت كرات السعة موجودة في النهايات لضبط رنين الدارة. كان جهاز الاستقبال الخاص به هو حلقة هوائية مع فجوة شرارة ميكروميترية بين العناصر. أنتجت هذه التجربة واستقبلت ما يُعرف الآن بالموجات الراديوية في نطاق التردد العالي جداً.
أول جهاز إرسال راديو لـ Hertz: مرنان ثنائي القطب محمل بالسعة يتكون من زوج من أسلاك النحاس بطول متر واحد مع فجوة شرارة 7.5 ملم بينهما، وينتهي بكرات زنك بقطر 30 سم. عندما طبق ملف الحث جهداً عالياً بين الطرفين، أنتجت الشرارات عبر فجوة الشرارة موجات واقفة من التيار ذي التردد الراديوي في الأسلاك، التي أشعت موجات راديوية. كان تردد الموجات حوالي 50 MHz، تقريباً ما يستخدمه جهاز الإرسال التلفزيوني الحديث.
بين عامي 1886 و1889 أجرى Hertz سلسلة من التجارب التي ستثبت أن التأثيرات التي كان يلاحظها كانت نتائج الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأ بها Maxwell. بدءاً من نوفمبر 1887 مع ورقته "على التأثيرات الكهرومغناطيسية الناتجة عن الاضطرابات الكهربائية في العوازل"، أرسل Hertz سلسلة من الأوراق إلى Helmholtz في أكاديمية Berlin، بما في ذلك أوراق عام 1888 التي أظهرت موجات كهرومغناطيسية حرة عرضية تنتقل بسرعة محدودة عبر مسافة. في الجهاز الذي استخدمه Hertz، كانت المجالات الكهربائية والمغناطيسية تشع بعيداً عن الأسلاك على شكل موجات عرضية. وضع Hertz المذبذب على بعد حوالي 12 متراً من لوح عاكس من الزنك لإنتاج موجات واقفة. كانت كل موجة بطول حوالي 4 أمتار. باستخدام كاشف الحلقة، سجّل كيف تغيرت حجم الموجة واتجاهها. قاس Hertz موجات Maxwell وأظهر أن سرعة هذه الموجات كانت مساوية لسرعة الضوء. تم قياس شدة المجال الكهربائي واستقطاب الموجات وانعكاسها بواسطة Hertz أيضاً. أثبتت هذه التجارب أن الضوء وهذه الموجات كانا كلاهما شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي يمتثل لمعادلات Maxwell.
مركز جهاز إرسال Hertz الموجه، هوائي ثنائي القطب نصف موجي مصنوع من قضيبي نحاس بطول 13 سم مع فجوة شرارة في المركز، تم تكبيره من اليسار مدفوع بملف Ruhmkorff، على خط بؤري لعاكس معادن أسطواني 1.2 م × 2 م. أشع شعاعاً من موجات 66 سم بتردد حوالي 450 MHz. جهاز الاستقبال على اليمين هو هوائي قطع مكافئ ثنائي القطب مشابه مع فجوة شرارة ميكروميترية. عرض Hertz لاستقطاب الموجات الراديوية: جهاز الاستقبال لا يستجيب عندما تكون الهوائيات متعامدة كما هو موضح، لكن مع دوران جهاز الاستقبال يزداد الإشارة المستقبلة بشكل أقوى كما يظهر من طول الشرارات حتى تصل إلى الحد الأقصى عندما تكون ثنائيات القطب متوازية. عرض آخر للاستقطاب: تمر الموجات عبر مرشح استقطاب إلى جهاز الاستقبال فقط عندما تكون الأسلاك متعامدة مع ثنائيات القطب A، وليس عندما تكون متوازية B. عرض الانكسار: تنحني موجات الراديو عند مرورها عبر منشور مصنوع من القار، بشكل مشابه لموجات الضوء عند مرورها عبر منشور زجاجي. مخطط Hertz للموجات الواقفة التي تتشكل عندما تنعكس موجات الراديو من صفيحة معادن
لم يدرك Hertz الأهمية العملية لتجارب الموجات الراديوية الخاصة به. قال أنه،
"لا فائدة لها على الإطلاق[...] هذه مجرد تجربة تثبت أن Maestro Maxwell كان محقاً—لدينا فقط هذه الموجات الكهرومغناطيسية الغامضة التي لا يمكننا رؤيتها بالعين المجردة. لكنها موجودة."
عندما سُئل عن تطبيقات اكتشافاته، ردّ Hertz،
"لا شيء، أعتقد."
إن إثبات Hertz لوجود الموجات الكهرومغناطيسية المحمولة جواً أدى إلى انفجار من التجارب مع هذا الشكل الجديد من الإشعاع الكهرومغناطيسي، والذي كان يُسمى "موجات Hertzian" حتى حوالي عام 1910 عندما أصبح مصطلح "موجات الراديو" شائعاً. في غضون 10 سنوات استخدم باحثون مثل Oliver Lodge وFerdinand Braun وGuglielmo Marconi الموجات الراديوية في أول أنظمة الاتصالات اللاسلكية للبرقية اللاسلكية، مما أدى إلى البث الإذاعي، والتلفزيون لاحقاً. في عام 1909، تلقى Braun وMarconi جائزة Nobel في الفيزياء عن "مساهماتهم في تطوير البرقية اللاسلكية". اليوم الراديو هو تكنولوجيا أساسية في شبكات الاتصالات العالمية، ووسيط النقل الأساسي لأجهزة الاتصالات اللاسلكية الحديثة."Heinrich Hertz". تم الاسترجاع في 3 فبراير 2020.
أشعة المهبط
في عام 1892، بدأ Hertz إجراء تجارب وأثبت أن أشعة المهبط يمكنها أن تخترق رقائق معادن رقيقة جداً مثل الألومنيوم. Philipp Lenard، وهو طالب في Heinrich Hertz، أجرى أبحاثاً إضافية حول هذا "تأثير الشعاع". طوّر نسخة من أنبوب المهبط ودرس الاختراق بواسطة أشعة X للمواد المختلفة. Philipp Lenard، مع ذلك، لم يدرك أنه كان ينتج أشعة X. صاغ Hermann von Helmholtz معادلات رياضية لأشعة X. افترض نظرية تشتت قبل أن يُعلن Röntgen عن اكتشافه. تم تشكيلها على أساس نظرية الضوء الكهرومغناطيسية Wiedmann's Annalen، المجلد XLVIII. ومع ذلك، لم يعمل مع أشعة X الفعلية.
التأثير الكهروضوئي
ساعد Hertz في إنشاء التأثير الكهروضوئي والذي تم شرحه لاحقاً بواسطة Albert Einstein عندما لاحظ أن الجسم المشحون يفقد شحنته بسهولة أكبر عندما يتم إضاءته بالإشعاع فوق البنفسجي UV. في عام 1887، قام بملاحظات للتأثير الكهروضوئي وإنتاج واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية EM، والتي نُشرت في مجلة Annalen der Physik. تكون جهاز الاستقبال الخاص به من ملف مع فجوة شرارة، حيث ستُرى شرارة عند كشف موجات EM. وضع الجهاز في صندوق مظلم لرؤية الشرارة بشكل أفضل. لاحظ أن أقصى طول شرارة تم تقليله عندما كان في الصندوق. امتص لوح زجاجي مُوضع بين مصدر موجات EM وجهاز الاستقبال الأشعة فوق البنفسجية UV التي ساعدت الإلكترونات على القفز عبر الفجوة. عند إزالته، زاد طول الشرارة. لم يلاحظ أي تقليل في طول الشرارة عندما استبدل الكوارتز بالزجاج، لأن الكوارتز لا يمتص الإشعاع فوق البنفسجي. خلص Hertz من أشهر التحقيق الخاص به وأبلغ عن النتائج التي تم الحصول عليها. لم يتابع التحقيق في هذا التأثير، ولم يحاول تفسير كيفية حدوث الظاهرة المرصودة.
ميكانيكا التلامس
في 1886–1889، نشر Hertz مقالتين حول ما أصبح يُعرف بمجال ميكان
