نگاهی به زندگی هاینریش هرتز؛ کاشف امواج رادیویی

هاینریش رودولف هرتز فیزیکدان آلمانی در طول حیات خود کشفیات متعددی را رقم زد و پاسخ برخی از مهمترین سوالاتی که پیش از او در حوزه فیزیک مطرح شده بود را یافت. با این حال معمولاً تنها به اثبات مسائل می پرداخت و کار بیشتر را به سایر دانشمندان واگذار می کرد.

هرتز موفق شده بود وجود امواج تابش الکترومغناطیسی را به نمایش بگذارد و دستگاهی برای تولید و تشخیص آنها بسازد. دستاوردهای او نقش کلیدی در استفاده از امواج رادیویی برای ارتباطات ایفا کرد البته او تصوری از کاربردهای آتی احتمالی امواج الکترومغناطیسی نداشت. این موضوع در نهایت توسط افراد دیگری که راه کشفیات او را ادامه دادند محقق شد.

هاینریش هرتز در 22 فوریه 1857 در هامبورگ آلمان به دنیا آمد و بزرگترین فرزند خانواده بود. پدر او گوستاو فردیناند هرتز و مادرش آنا الیزابت فِفِرکورن بود. پدر وکیل مجلس سنا و مادر دختر یک پزشک بود.

هرتز در جوانی در زمینه ریاضیات استعداد فراوانی از خود نشان داد و در دورانی از تخصیل خود درس اضافه هندسه را برای روزهای یکشنبه برداشته بود. علاوه بر این علاقه فراوانی با یادگیری زبان های جدید داشت و به سرعت لاتین، یونانی، عربی و سانسکریت را یاد گرفت.

در کنار اینها استعدادهای خود در زمینه نقاشی و مجسمه سازی را هم نشان داده بود. به منظور دنبال کردن علایق خود در ابتدا در پی شغلی در حوزه مهندسی ساختمان رفت.

دوران دانشگاه

در سال 1875 هرتز یک سال را در حوزه ساخت و ساز در فرانکفورت گذراند. پس از آن به حوزه پلی تکنیک در درسدن و سخنرانی های حوزه ریاضیات که در آنجا برگزار می شد علاقه نشان داد. همچنین به حوزه های تاریخ و فلسفه هم اشتیاق داشت.

پس از گذراندن تنها یک نیم سال در درسدن به ارتش پیوست و یک سال خدمت کرد. در 1877 به دانشگاه پلی تکنیک مونیخ رفت و این بار رشته فیزیک را دنبال کرد. هاینریش هرتز در دروس ریاضیات پیشرفته، مکانیک ، فیزیک آزمایشگاهی و شیمی آزمایشگاهی ثبت نام کرد. به تشویق استادان خود به مطالعه کارهای فیزیکدانان مشهور از جمله آیزاک نیوتن، گوتفرید لایبنیتس، ژوزف-لویی لاگرانژ و پیر سیمون لاپلاس پرداخت.

آزمایشگاه هلمهولتز و آغاز آینده ای درخشان

هرتز از سطح آموزش فیزیک در مونیخ ناراضی بود و به همین دلیل در 21 سالگی به مونیخ رفت تا در آزمایشگاه های پیشرفته تر رویاهای خود را دنبال کند. در آنجا به تحصیل در آزمایشگاه فیزیکدان بزرگ هرمان فون هلمهولتز مشغول شد. این فیزیکدان بزرگ در آینده تأثیر فراوانی بر پیشرفت های هرتز گذاشت.

هلمهولتز استعداد فراوانی را در هرتز کشف کرد و به سرعت از او خواست که به دنبال راه حل مشکلی بگردد که از مدت ها پیش هلمهولتز اشتیاق فراوانی به یافتن پاسخ آن داشت.

این مسئله مناظره های متعددی بین هلمهولتز و ویلهلم وبر دیگر دانشمند مشهور آن دوران را به دنبال داشت. بخش فلسفه دانشگاه برلین به همراه هلمهولتز پیشنهاد جایزه ای برای اولین فردی را دادند که بتواند این مسئله را حل کند: آیا الکتریسیته با اینرسی حرکت می کند؟ اگر بخواهیم این سوال را ساده تر توضیح دهیم باید این گونه گفت: آیا جریان الکتریکی دارای جرم است؟ یا آن طور که هرتز می گفت: آیا جریان الکتریکی انرژی جنبشی دارد؟

هرتز به سرعت تحقیقات خود را آغاز و یک برنامه مشخص را دنبال کرد؛ هر روز صبح در سخنرانی هایی در زمینه های دینامیک تحلیلی یا الکتریسیته و مغناطیس شرکت می کرد، تا 4 بعد از ظهر در آزمایشگاه مشغول بود و در انتها به مطالعه، محاسبه و تفکر می پرداخت. او آزمایشهای ویژه ای را ترتیب داده بود تا بتواند پاسخ سوال را بیابد.

در 1879 هرتز در 22 سالگی برنده جایزه مدال طلا شد. دریک سری آزمایشات حساس نشان داد در صورتی که جریان الکتریکی جرم داشته باشد باید به شدت کوچک باشد. جالب تر این که باید در نظر داشت که در زمانی که هرتز این کار را انجام داد هنوز الکترون (که حاوی بار الکتریکی است) کشف نشده بود. الکترون 18سال بعد در 1897 کشف شد.

پس از این کشف هرتز دانشمندان دیگر اذعان کردند که نتایج کار او تا چه اندازه خیره کننده بوده است. نتیجه تحقیقات این دانشجوی جوان در مجله معتبر «Annalen der Physik» منتشر شد.پس از آن هلمهولتز از او درخواست کرد که برای برنده شدن جایزه ای که توسط دانشگاه برلین اهدا می شد رقابت کند.

این بار هدف اثبات تئوری «جیمز کلرک ماکسول» فیزیکدان بریتانیایی درباره الکترومغناطیس بود. در سال 1864 ماکسول ادعا کرده بود که نور، یک موج الکترومغناطیسی است و انواع دیگری از امواج الکترومغناطیسی هم می توانند وجود داشته باشند.

با این حال هرتز این پروژه را رد کرد و معتقد بود که تضمینی برای به نتیجه رسیدن تلاش هایش وجود ندارد و ممکن است نیاز به سال ها کار کردن روی این پروژه باشد. در عوض بلند پروازی های دیگری داشت و تصمیم گرفته بود برای شهرت بیشتر یافته های جدید خود را به سرعت منتشر کند.

به جای تلاش برای پروژه یک پروژه استادانه روی القای الکترومغناطیسی را برای مدت 3 ماه شروع کرد. در فوریه سال 1880، در سن 23 سالگی پایان نامه خود را بر این اساس گذاشت. در نهایت همین پایان نامه مدرک دکترای فیزیک را برایش به ارمغان آورد. پس از آن هلمهولتز به سرعت او را به سمت استادیار منسوب کرد. هاینریش هرتز تا سال 1883 در آزمایشگاه هلمهولتز به کار ادامه داد و در این مدت 15 مقاله در مجله های دانشگاهی منتشر کرد.

ریاضی فیزیک در کیِل

هرتز مهارت های بالایی در زمینه فیزیک آزمایشگاهی داشت اما در عین حال دست یافتن به امکان سخنرانی در برلین هم کار ساده ای برای او نبود. هلمهولتز به هرتز کمک کرد تا استادی ریاضی فیزیک دانشگاه کیل را به دست آورد. در این دانشگاه بیش از پیش با معادلات ماکسول خود را مشغول کرد.

هرتز در نهایت مقاله ای را ارائه داد که تئوری الکترومغناطیس ماکسول را با تئوری های مشابه دیگر مقایسه می کرد و نتیجه گرفت که تئوری ماکسول بیش از بقیه امیدوار کننده به نظر می رسد. در واقع او تلاش کرده بود معادلات را به شکل ساده تری تغییر داده و تشریح کند.

آزمایشگاهی پیشرفته و تلاش برای حل پیچیده ترین مشکلات

در مارس 1885 هرتز در حالی که از بازگشت به فیزیک آزمایشگاهی ناامید شده بود به موسسه فناوری کارلروهه رفت. در آن زمان تنها 28 سال داشت و مقام استاد تمام را دریافت کرد. دلیلی که او این دانشگاه را انتخاب کرد به تجهیزات پیشرفته آزمایشگاهی آن مرتبط بود.

این بار تلاش کرد به دنبال همان مسئله ای برود که سال ها قبل، از قبول کردن پروژه مرتبط با آن سر باز زده بود: اثبات تئوری ماکسول از طریق آزمایشات.

جرقه ای که همه چیز را تغییر داد

بعد از ماه ها آزمایش، دیوارهای مستحکمی که پیش از این در مقابل اثبات تئوری ماکسول قد علم کرده بودند، شروع به ریختن کردند. اولین نشانه ها برای اثبات تئوری در اکتبر 1886 نمایان شد. هنگامی که هاینریش هرتز در حال نشان دادن جرقه الکتریکی به دانشجویان بود جرقه ای هم در ذهنش شکل گرفت. او تفکر عمیق درباره جرقه و تأثیر آن روی مدارات الکتریکی را آغاز کرد. در ادامه تلاش کرد به شکل های مختلف، جرقه های متنوعی را تولید کند.

در نهایت یک مورد عجیب کشف شد: جرقه یک لرزش الکتریکی معمول را در سیم های الکتریکی ایجاد می کرد. این لرزشِ به سمت جلو و عقب در هر ثانیه بیش از آن چیزی بود که هرتز پیش از این در کارش با آن روبرو شده بود. او می دانست که لرزش، از بار الکتریکی که به سرعت شتاب مثبت یا منفی می گیرد ایجاد می شود. اگر تئوری ماکسول صحیح بود این بارها باید امواج الکترومغناطیس از خود می تاباندند که مشابه با نور از هوا عبور می کرد.

تولید و تشخیص امواج رادیویی

در نوامبر 1886 هرتز دستگاهی به شکل زیر را ساخت:

هرتز ابتدا ولتاژ بالای متناوبی را در مرکز شکاف جرقه اعمال کرد که این موضوع موجب ایجاد جرقه شد. این جرقه پالس شدیدی از جریان الکتریکی را در سیم های مسی ایجاد کرد و پالس ها درون سیم ها پخش شد. پالس ها موجب ایجاد موج هایی در سیم ها شدند. هرتز دریافت که برخی از این موج ها حتی تا 1.5 متر به صورت دایره ای در اطراف سیم مسی ایجاد می شوند و در حلقه شکاف دار دیگر که در اطراف سیم قرار گرفته جرقه ای در شکاف جرقه حلقه را ایجاد می کنند.

به این ترتیب مشخص شد که همان طور که ماکسول پیشبینی کرده بود شارژهای الکتریکی می توانند امواج الکترومغناطیس را ایجاد کنند. این امواج در اطراف سیم های حامل جریان در فضا پخش می شوند.

این یک پیروزی آزمایشی مهم بود و موجب شد هرتز امواج رادیویی را تشخیص داده و تولید کند. به عبارتی او موفق شده بود انرژی الکتریکی را بین دو دستگاه با فاصله بیش از یک متر در هوا انتقال دهد؛ بدون اینکه نیازی به ارتباط با سیم باشد.

در 3 سال آتی و طی آزمایش هایی درخشان هرتز به طور کامل تئوری ماکسول را مورد ارزیابی قرار داد. او  با دستگاه تولید اموااج الکترو مغاطیسی اش ثابت کرد که انرژی تابش شده از نوسانگر الکتریکی می تواند منعکس یا منکسر شود، الگوهای تداخلی ایجاد کند و در عین حال موج هایی ایستا مشابه با نور تولید کند.

آزمایش های هرتز همچنین نشان داد که امواج رادیویی و امواج نوری در واقع بخشی از یک خانواده هستند. امروزه به این خانواده طیف الکترومغناطیسی می گوییم.

عجیب این  که در آن زمان هرتز اهمیت کاربردی امواج الکترومغناطیسی را که تولید کرده بود درک نکرد. این موضوع از آن جایی ناشی شده بود که یک دانشمند خالصِ به معنای واقعی بود. به عبارتی او تنها مشتاق طراحی آزمایشات برای پرده برداشتن از رازهای طبیعت بود. هنگامی که به نتایج مورد نظر خود دست پیدا می کرد به سراغ کار دیگری می رفت و هر گونه کاربردهای عملی را به دیگران واگذار می کرد.

امواجی که هرتز در سال 1886 موفق به تولید آنها شد به سرعت جهان را تغییر داد. در سال 1896 گولیلمو مارکونی، مهندس برق ایتالیایی درخواست ثبت پتنتی برای ارتباطات بیسیم را ارائه داد. مارکونی در سال 1901 موفق شد سیگنال بیسیم را بر فراز اقیانوس اطلس از بریتانیا به کانادا ارسال کند.

اکنون پایه های تمامی ارتباطات بیسیم مدرن بر اکتشافات هرتز بنا شده است. ارتباطات تلویزیونی، ماهواره ای و گوشی های موبایل به فرکانس های رادیویی وابسته است. حتی اجاق های ماکرویو هم از امواج الکترو مغناطیس برای گرم کردن غذاها استفاده می کنند.

قابلیت های تشخیص امواج رادیویی به حوزه های دیگری از جمله نجوم هم گسترش پیدا کرده. نجوم رادیویی به ما امکان مشاهده هایی را داده که از محدوده نور مرئی خارج است. به لطف این فناوری اکنون توانسته ایم به توفان سیاره های مشتری و زحل گوش فرا دهیم. به این ترتیب هم دانشمندان و هم سایرین به کشفیات هرتز مدیون هستند.

اثر فوتو الکتریک

در 1887 هرتز همزمان با کار روی الکترومغناطیس پدیده ای را گزارش کرد که تأثیرات فراوانی بر آینده فیزیک و درک بنیادی ما از جهان گذاشت. این موضوع را اکنون به نام اثر فوتو الکتریک یا اثر هرتز می شناسیم.

هرتز دریافت که نور ماورای بنفش موجب می شود فلزات با سرعت بیشتری شارژ الکتریکی خود را از دست دهند. او این یافته ها را در سالمنامه فیزیک (Annalen der Physik) منتشر کرد و مشابه با روند معمول خود بقیه پژوهش ها را به سایرین واگذار کرد.

اگر یک صفحه فلزی در معرض تابش امواج پر انرژی قرار بگیرد، الکترون های شتاب دار یا پرتو کاتدی از خود منتشر می کند. این موضوع را جوزف جان تامسون، فیزیکدان انگلیسی که وجود الکترون را ثابت کرد (و نه کشف آن را) در سال 1899 نشان داد.

همین موضوع سبب شد که آلبرت اینشتین درباره تئوری نور تفکر کند. در سال 1905 او به درستی پیشنهاد کرد که نور در بسته های متمایزی از انرژی به نام فوتون آمده است. فوتون های نور ماورای بنفش میزان کافی از انرژی را برای تعامل با الکترون در فلزات دارند و به الکترون ها انرژی کافی برای فرار از فلز را می دهند.

توضیحات اینشتین از اثر فوتوالکتریک یکی از کلیدی ترین موارد برای توصیف یک روش کاملاً جدید درباره رویدادهای در مقیاس اتمی فیزیک کوانتومی بود. اینشتین در سال 1921 جایزه نوبل فیزیک را برای تشریح اثر هرتز که 34 سال قبل از آن کشف شده بود دریافت کرد.

زندگی شخصی هاینریش رودولف هرتز و پایان عمر

در 1886 و در 29 سالگی هاینریش هرتز با الیزابت دال در کارلروهه ازدواج کرد. الیزابت دختر یک ریاضیدان بود بود. جوهانا و ماتیلدا دو دختر آنها بودند. ماتیلدا بعدها زیست شناس با نفوذی شد و به موضوع حل مشکلات توسط حیوانات پرداخت.

در 35 سالگی هرتز به شدت بیمار شد و از میگرن شدید رنج می برد. البته پزشکان تصور می کردند به یک بیماری عفونی مبتلا شده است و چندین عمل جراحی روی او انجام دادند. با این حال به مرور شرایط هاینریش هرتز بدتر و بدتر شد.

هرتز در اول ژانویه 1894 و در حالی که تنها 36 سال داشت در اثر التهاب رگ ناشی از مشکلات سیستم ایمنی فوت کرد و در زادگاه خود، هامبورگ به خاک سپرده شد.

در سال 1930 کمیسیون الکتروتکنیکی بین المللی واحد اندازه گیری فرکانس را به افتخار تلاش های این دانشمند، هرتز نامگذاری کرد. هر یک هرتز تعداد دفعات تکرار یک رویداد در واحد زمان (ثانیه) است که سیکل در ثانیه هم نامیده می شود، در نظر گرفته شد. در سال 1960 در جریان کنفرانس عمومی اوزان و اندازه گیری ها این واحد رسمی شد.