Al di fuori della nostra coscienza giace il mondo freddo e alieno delle cose reali. Tra i due si estende la stretta zona di confine dei sensi. Nessuna comunicazione tra i due mondi è possibile se non attraverso la stretta striscia. Per una corretta comprensione di noi stessi e del mondo, è della massima importanza che questa zona di confine sia accuratamente esplorata.
Heinrich Rudolf Hertz era un fisico tedesco che fu il primo a provare conclusivamente l'esistenza delle onde elettromagnetiche predette dalle equazioni dell'elettromagnetismo di James Clerk Maxwell. L'unità di frequenza, cicli al secondo, fu denominata "hertz" in suo onore.
Biografia
Heinrich Rudolf Hertz nacque nel 1857 ad Amburgo, allora stato sovrano della Confederazione Germanica, in una famiglia prospera e colto hanseatica. Suo padre era Gustav Ferdinand Hertz. Sua madre era Anna Elisabeth Pfefferkorn.
Durante gli studi presso la Gelehrtenschule des Johanneums ad Amburgo, Hertz mostrò un'attitudine per le scienze così come per le lingue, imparando l'arabo e il sanscrito. Studiò scienze e ingegneria nelle città tedesche di Dresda, Monaco e Berlino, dove studiò sotto Gustav R. Kirchhoff e Hermann von Helmholtz. Nel 1880, Hertz ottenne il suo dottorato dall'Università di Berlino e per i tre anni successivi rimase per studi post-dottorato sotto Helmholtz, servendo come suo assistente. Nel 1883, Hertz prese un incarico di docente di fisica teorica presso l'Università di Kiel. Nel 1885, Hertz divenne professore ordinario presso l'Università di Karlsruhe.
Nel 1886, Hertz sposò Elisabeth Doll, la figlia di Max Doll, un docente di geometria a Karlsruhe. Ebbero due figlie: Johanna, nata il 20 ottobre 1887 e Mathilde, nata il 14 gennaio 1891, che divenne una biologa notevole. Durante questo periodo Hertz condusse la sua ricerca storica sulle onde elettromagnetiche.
Hertz prese un incarico di Professore di Fisica e Direttore dell'Istituto di Fisica a Bonn il 3 aprile 1889, posizione che mantenne fino alla sua morte. Durante questo periodo lavorò sulla meccanica teorica con il suo lavoro pubblicato nel libro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt The Principles of Mechanics Presented in a New Form, pubblicato postumo nel 1894.
Morte
Nel 1892, Hertz fu diagnosticato con un'infezione dopo un episodio di gravi emicranie e si sottopose a operazioni per curare la malattia. Morì a causa di complicazioni in chirurgia nel tentativo di correggere la sua condizione che causava queste emicranie, che alcuni considerano essere stata una condizione ossea maligna. Morì all'età di 36 anni a Bonn, Germania nel 1894, ed fu sepolto nel Cimitero di Ohlsdorf ad Amburgo.
La moglie di Hertz, Elisabeth Hertz nata Doll 1864–1941, non si risposò. Hertz lasciò due figlie, Johanna 1887–1967 e Mathilde 1891–1975. Le figlie di Hertz non si sposarono mai e non ha discendenti.
Lavoro scientifico
Onde elettromagnetiche
Nel 1864 il fisico matematico scozzese James Clerk Maxwell propose una teoria completa dell'elettromagnetismo, ora chiamata equazioni di Maxwell. La teoria di Maxwell predisse che campi elettrici e magnetici accoppiati potessero viaggiare attraverso lo spazio come un'"onda elettromagnetica". Maxwell propose che la luce consistesse di onde elettromagnetiche di lunghezza d'onda breve, ma nessuno era stato in grado di provarlo, o generare o rilevare onde elettromagnetiche di altre lunghezze d'onda.
Durante gli studi di Hertz nel 1879 Helmholtz suggerì che la dissertazione di dottorato di Hertz fosse sulla verifica della teoria di Maxwell. Helmholtz aveva anche proposto il problema del "Premio di Berlino" quell'anno all'Accademia prussiana delle scienze per chiunque potesse provare sperimentalmente un effetto elettromagnetico nella polarizzazione e depolarizzazione di isolanti, qualcosa predetto dalla teoria di Maxwell. Helmholtz era sicuro che Hertz fosse il candidato più probabile per vincerlo. Non vedendo alcun modo di costruire un apparato per testare sperimentalmente questo, Hertz pensò che fosse troppo difficile, e invece lavorò sull'induzione elettromagnetica. Hertz produsse comunque un'analisi delle equazioni di Maxwell durante il suo tempo a Kiel, mostrando che avevano più validità delle allora prevalenti teorie dell'"azione a distanza".
Dopo che Hertz ricevette la sua cattedra a Karlsruhe stava sperimentando con un paio di spirali di Riess nell'autunno del 1886 quando notò che scaricare un vaso di Leyden in una di queste bobine avrebbe prodotto una scintilla nell'altra bobina. Con un'idea su come costruire un apparato, Hertz aveva ora un modo di procedere con il problema del "Premio di Berlino" del 1879 su provare la teoria di Maxwell anche se il premio vero e proprio era scaduto senza essere riscosso nel 1882. Utilizzò una bobina di Ruhmkorff azionata da una scintilla e un paio di fili di un metro come radiatore. Sfere di capacità erano presenti alle estremità per gli aggiustamenti della risonanza del circuito. Il suo ricevitore era un'antenna ad anello con un varco di scintilla micrometrico tra gli elementi. Questo esperimento produsse e ricevette quelle che ora sono chiamate onde radio nella gamma di frequenza molto alta.
Il primo trasmettitore radio di Hertz: un risonatore dipolo caricato da capacità costituito da un paio di fili di rame di un metro con un varco di scintilla di 7,5 mm tra loro, terminante in sfere di zinco di 30 cm. Quando una bobina di induzione ha applicato un'alta tensione tra i due lati, le scintille attraverso il varco di scintilla hanno creato onde stazionarie di corrente a radiofrequenza nei fili, che hanno irradiato onde radio. La frequenza delle onde era di circa 50 MHz, simile a quella utilizzata nei trasmettitori televisivi moderni.
Tra il 1886 e il 1889 Hertz condusse una serie di esperimenti che avrebbero provato che gli effetti che stava osservando erano risultati delle onde elettromagnetiche predette da Maxwell. A partire da novembre 1887 con il suo articolo "On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators", Hertz avrebbe inviato una serie di articoli ad Helmholtz all'Accademia di Berlino, inclusi articoli nel 1888 che mostravano onde elettromagnetiche trasversali nello spazio libero che viaggiavano a una velocità finita su una distanza. Nell'apparato utilizzato da Hertz, i campi elettrici e magnetici si irradierebbero dai fili come onde trasversali. Hertz aveva posizionato l'oscillatore a circa 12 metri da una piastra riflettente di zinco per produrre onde stazionarie. Ogni onda era lunga circa 4 metri. Utilizzando il rilevatore ad anello, registrò come la grandezza dell'onda e la direzione del componente variavano. Hertz ha misurato le onde di Maxwell e ha dimostrato che la velocità di queste onde era uguale alla velocità della luce. L'intensità del campo elettrico, la polarizzazione e la riflessione delle onde sono state anch'esse misurate da Hertz. Questi esperimenti stabilirono che la luce e queste onde erano entrambe una forma di radiazione elettromagnetica che obbediva alle equazioni di Maxwell.
Il centro del trasmettitore a scintilla direzionale di Hertz, un'antenna dipolo a mezza onda realizzata con due aste di ottone di 13 cm con varco di scintilla al centro, primo piano a sinistra alimentato da una bobina di Ruhmkorff, sulla linea focale di un riflettore parabolico in lamiera cilindrica di 1,2 m x 2 m. Ha irradiato un fascio di onde di 66 cm con frequenza di circa 450 MHz. Il ricevitore a destra è un'antenna dipolo parabolica simile con varco di scintilla micrometrico. Dimostrazione di Hertz della polarizzazione delle onde radio: il ricevitore non risponde quando le antenne sono perpendicolari come mostrato, ma man mano che il ricevitore viene ruotato il segnale ricevuto diventa più forte come mostrato dalla lunghezza delle scintille fino a raggiungere un massimo quando i dipoli sono paralleli. Un'altra dimostrazione della polarizzazione: le onde passano attraverso il filtro polarizzante al ricevitore solo quando i fili sono perpendicolari ai dipoli A, non quando paralleli B. Dimostrazione della rifrazione: le onde radio si piegano quando passano attraverso un prisma realizzato con pece, in modo simile alle onde luminose quando passano attraverso un prisma di vetro. Grafico di Hertz delle onde stazionarie create quando le onde radio si riflettono da un foglio di metallo
Hertz non ha realizzato l'importanza pratica dei suoi esperimenti con le onde radio. Ha affermato che,
"Non ha alcun uso[...] questo è solo un esperimento che prova che il Maestro Maxwell aveva ragione—abbiamo solo queste onde elettromagnetiche misteriose che non possiamo vedere ad occhio nudo. Ma sono lì."
Quando gli è stato chiesto delle applicazioni delle sue scoperte, Hertz ha risposto,
"Niente, credo."
La prova di Hertz dell'esistenza delle onde elettromagnetiche aeree ha condotto a un'esplosione di sperimentazione con questa nuova forma di radiazione elettromagnetica, che è stata chiamata "onde hertziane" fino a circa 1910 quando il termine "onde radio" è diventato corrente. Entro 10 anni ricercatori come Oliver Lodge, Ferdinand Braun e Guglielmo Marconi hanno impiegato onde radio nei primi sistemi di comunicazione radio telegrafia wireless, conducendo alla trasmissione radiofonica e in seguito alla televisione. Nel 1909, Braun e Marconi hanno ricevuto il Premio Nobel in fisica per i loro "contributi allo sviluppo della telegrafia wireless". Oggi la radio è una tecnologia essenziale nelle reti di telecomunicazione globale e il mezzo di trasmissione alla base dei moderni dispositivi wireless."Heinrich Hertz". Retrieved 3 February 2020.
Raggi catodici
Nel 1892, Hertz iniziò a sperimentare e dimostrò che i raggi catodici potevano penetrare sottilissime lamine metalliche come l'alluminio. Philipp Lenard, uno studente di Heinrich Hertz, ricercò ulteriormente questo "effetto di raggio". Sviluppò una versione del tubo catodico e studiò la penetrazione dei raggi X di vari materiali. Philipp Lenard, però, non si rese conto che stava producendo raggi X. Hermann von Helmholtz formulò equazioni matematiche per i raggi X. Propose una teoria di dispersione prima che Röntgen facesse la sua scoperta e annuncio. Fu formata sulla base della teoria elettromagnetica della luce Wiedmann's Annalen, Vol. XLVIII. Tuttavia, non lavorò con raggi X reali.
Effetto fotoelettrico
Hertz aiutò a stabilire l'effetto fotoelettrico che fu successivamente spiegato da Albert Einstein quando notò che un oggetto carico perde la sua carica più prontamente quando illuminato da radiazione ultravioletta UV. Nel 1887, fece osservazioni dell'effetto fotoelettrico e della produzione e ricezione di onde EM elettromagnetiche, pubblicate nel giornale Annalen der Physik. Il suo ricevitore consisteva di una bobina con un varco di scintilla, per cui una scintilla sarebbe stata vista al rilevamento di onde EM. Pose l'apparato in una scatola oscurata per vedere meglio la scintilla. Osservò che la lunghezza massima della scintilla era ridotta quando nella scatola. Un pannello di vetro posizionato tra la fonte di onde EM e il ricevitore assorbiva UV che assisteva gli elettroni nel saltare il varco. Se rimosso, la lunghezza della scintilla aumenterebbe. Non osservò alcuna diminuzione nella lunghezza della scintilla quando sostituì la quarzo al vetro, poiché la quarzo non assorbe la radiazione UV. Hertz concluse i suoi mesi di indagine e riferì i risultati ottenuti. Non proseguì ulteriormente nell'indagine di questo effetto, né tentò di spiegare come il fenomeno osservato fosse stato causato.
Meccanica di contatto
Nel 1886–1889, Hertz pubblicò due articoli su quella che sarebbe diventata conosciuta come il campo della meccanica di contatto, che si rivelò essere una base importante per le teorie successive nel campo. Joseph Valentin Boussinesq pubblicò alcune osservazioni criticamente importanti sul lavoro di Hertz, stabilendo comunque questo lavoro sulla meccanica di contatto come di enorme importanza. Il suo lavoro fondamentalmente riassume come due oggetti assi-simmetrici posti a contatto si comporteranno sotto carico, ottenne risultati basati sulla teoria classica dell'elasticità e della meccanica del continuo. Il fallimento più significativo della sua teoria era la negligenza di qualsiasi natura di adesione tra i due solidi, che si rivela importante quando i materiali che compongono i solidi iniziano ad assumere alta elasticità. Era naturale trascurare l'adesione in quell'epoca poiché non c'erano metodi sperimentali per testarla.
Per sviluppare la sua teoria Hertz utilizzò la sua osservazione degli anelli di Newton ellittici formati nel posizionare una sfera di vetro su una lente come base per assumere che la pressione esercitata dalla sfera segua una distribuzione ellittica. Utilizzò di nuovo la formazione degli anelli di Newton mentre convalidava la sua teoria con esperimenti nel calcolo dello spostamento che la sfera ha nella lente. K. L. Johnson, K. Kendall e A. D. Roberts JKR utilizzarono questa teoria come base nel calcolo dello spostamento teorico o della profondità di indentazione in presenza di adesione nel 1971. La teoria di Hertz viene recuperata dalla loro formulazione se l'adesione dei materiali è assunta come zero. Simile a questa teoria, però utilizzando diverse assunzioni, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov pubblicarono un'altra teoria nel 1975, che divenne conosciuta come la teoria DMT nella comunità di ricerca, che anche recuperò le formulazioni di Hertz sotto l'assunzione di zero adesione. Questo DMT il
