En una serie de brillantes experimentos, Heinrich Hertz descubrió ondas de radio y estableció que la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell es correcta.
Hertz también descubrió el efecto fotoeléctrico, proporcionando una de las primeras pistas de la existencia del mundo cuántico. La unidad de frecuencia, el hertz, lleva su nombre en su honor.
Comienzos
Heinrich Rudolf Hertz nació el 22 de febrero de 1857 en la ciudad portuaria alemana de Hamburgo. Era el primogénito de cinco hijos.
Su madre era Anna Elisabeth Pfefferkorn, hija de un médico.
Su padre fue Gustav Ferdinand Hertz, un abogado que se convirtió en senador.
Su abuelo paterno, un rico hombre de negocios judío, se había casado con una familia luterana y se había convertido al cristianismo.
Ambos padres de Heinrich eran luteranos, y fue criado en esta fe. Sus padres, sin embargo, estaban más interesados en su educación que en su estatus religioso.
Escuela
A los seis años, Heinrich comenzó en la Escuela Dr. Wichard Lange en Hamburgo. Era una escuela privada para niños dirigida por el famoso educador Friedrich Wichard Lange. La escuela funcionó sin influencia religiosa; utilizó métodos de enseñanza centrados en el niño, teniendo en cuenta las diferencias individuales de los estudiantes. También era estricto; se esperaba que los estudiantes trabajaran duro y compitieran entre sí para ser los mejores de la clase. Heinrich disfrutó de su tiempo en la escuela, y de hecho fue el mejor de su clase.
Inusualmente, la escuela del Dr. Lange no enseñaba griego y latín, los clásicos, necesarios para ingresar a la universidad. El muy joven Heinrich le dijo a sus padres que quería convertirse en ingeniero. Cuando buscaron una escuela para él, decidieron que el enfoque alternativo del Dr. Lange, que incluía las ciencias, era la mejor opción.
Heinrich Hertz, de unos 12 años, con su padre, su madre y dos hermanos menores.
La madre de Heinrich era especialmente apasionada por su educación. Al darse cuenta de que tenía un talento natural para hacer cosas y dibujar, organizó clases de dibujo para él los domingos en una universidad técnica. Empezó con 11 años.
Escuela en el hogar y Aparatos Científicos de Construcción
A los 15 años, Heinrich dejó la escuela del Dr. Lange para ser educado en casa. Había decidido que tal vez le gustaría ir a la universidad después de todo. Ahora recibió clases particulares en griego y latín para prepararlo para los exámenes.
Se destacó en idiomas, un regalo que parece haber heredado de su padre.
El profesor Redslob, un especialista en idiomas que dio clases de árabe a Heinrich, aconsejó a su padre que Heinrich se convirtiera en un estudiante de lenguas orientales. Nunca antes había conocido a alguien con mayor talento natural.
Heinrich también comenzó a estudiar ciencias y matemáticas en casa, de nuevo con la ayuda de un tutor privado.
Tenía un apetito colosal por el trabajo duro. Su madre dijo::
Cuando se sentaba con sus libros nada podía molestarlo o alejarlo de ellos.
Aunque había dejado su escuela normal, continuó asistiendo a la escuela técnica los domingos por la mañana.
Por las noches trabajaba con las manos. Aprendió a operar un torno. Construyó modelos y comenzó a construir aparatos científicos cada vez más sofisticados, como un espectroscopio. Usó este aparato para hacer sus propios experimentos de física y química.
Arquitectura y Ejército
A los 17 años, Heinrich regresó a la escuela, el Johanneum, durante un año para prepararse completamente para los exámenes clásicos para la universidad. Habiendo aprobado los exámenes, rápidamente cambió de opinión de nuevo, decidiendo convertirse en aprendiz de arquitecto. Se mudó a Frankfurt, donde de día trabajó en una oficina de arquitectos y por la noche leyó libros de física en alemán y literatura griega antigua en el griego antiguo original, ¡naturalmente!
La arquitectura le aburrió rápidamente.
En la primavera de 1876, a los 19 años, se trasladó de nuevo a Dresde para estudiar ingeniería. Después de solo unos meses fue reclutado en el ejército para un año de servicio obligatorio. A pesar de que disfrutaba de la disciplina de la vida en el ejército, lo encontró aburrido. Más bien miserablemente, escribió a casa en un momento dado:
» day día a día me hago más consciente de lo inútil que permanezco en este mundo.»
Mientras tanto, su interés por las matemáticas y la física continuó creciendo.
La vida de Hertz en Contexto
La vida de Hertz y las vidas de científicos y matemáticos relacionados.
Convertirse en científico
Física en Múnich
Después de completar su servicio militar, Hertz, de 20 años, se mudó a Múnich para comenzar un curso de ingeniería en octubre de 1877. Un mes después, después de mucha angustia interna, abandonó el curso. Había decidido que, por encima de todo, quería convertirse en físico.
Se matriculó en la Universidad de Múnich, eligiendo cursos de matemáticas y mecánica avanzadas, física experimental y química experimental.
Después de un año de éxito en Múnich, se trasladó a la Universidad de Berlín porque tenía mejores laboratorios de física que Múnich.
Berlín, Helmholtz, y Reconocimiento
En Berlín, a los 21 años, Hertz comenzó a trabajar en los laboratorios del gran físico Hermann von Helmholtz.
Helmholtz debe haber reconocido un talento raro en Hertz, pidiéndole inmediatamente que trabajara en un problema cuya solución le interesaba particularmente. El problema fue objeto de un feroz debate entre Helmholtz y otro físico llamado Wilhelm Weber.
El Departamento de Filosofía de la Universidad de Berlín, con el apoyo de Helmholtz, había ofrecido un premio a cualquiera que pudiera resolver el problema: ¿La electricidad se mueve con inercia? Alternativamente, podríamos enmarcar la pregunta en la forma: ¿La corriente eléctrica tiene masa? O, como lo describe Hertz: ¿La corriente eléctrica tiene energía cinética?
Hertz comenzó a trabajar en el problema y rápidamente entró en una rutina agradable: asistir a una conferencia cada mañana en dinámica analítica o magnetismo de electricidad &, realizar experimentos en el laboratorio hasta las 4 pm, luego leer, calcular y pensar por la noche.
Diseñó personalmente experimentos que pensó que responderían a la pregunta de Helmholtz. Comenzó a divertirse mucho, escribiendo en casa:
» No puedo decirte cuánta más satisfacción me da obtener conocimiento para mí y para los demás directamente de la naturaleza, en lugar de simplemente aprender de los demás y solo de mí mismo.»
El Premio
En agosto de 1879, a la edad de 22 años, Hertz ganó el premio, una medalla de oro. En una serie de experimentos altamente sensibles demostró que si la corriente eléctrica tiene alguna masa, debe ser increíblemente pequeña. Tenemos que tener en cuenta que cuando Hertz realizó este trabajo, el electrón, el portador de corriente eléctrica, ni siquiera había sido descubierto. El descubrimiento de J. J. Thomson se realizó en 1897, 18 años después del trabajo de Hertz.
1.109 x 1030 electrones tienen una masa de 1 kg.
La masa de 1.109 x 1030 humanos equivaldrían a más de 30 sistemas solares como el nuestro.
La masa del electrón es muy pequeña.
Otros físicos comenzaron a notar lo deslumbrante que era el trabajo de Hertz: el joven estudiante armó experimentos a la vanguardia de la física, modificando personalmente los aparatos según fuera necesario. Sus habilidades prácticas, desarrolladas en casa por las noches, estaban demostrando ser invaluables. Su obra premiada fue publicada en la prestigiosa revista Annalen der Physik.
Reconociendo el increíble talento que tenía en su laboratorio, Helmholtz ahora le pidió a Hertz que compitiera por un premio ofrecido por la Academia de Berlín: verificar la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell. Maxwell había declarado en 1864 que la luz era una onda electromagnética y que también podían existir otros tipos de onda electromagnética.
Doctor en Física
Hertz rechazó este proyecto; creía que el intento, sin garantías de éxito, llevaría varios años de trabajo. Era ambicioso y quería publicar nuevos resultados rápidamente para establecer su reputación.
En lugar de trabajar para el premio, llevó a cabo un proyecto magistral de tres meses sobre inducción electromagnética. Escribió esto como una tesis. En febrero de 1880, a la edad de 23 años, su tesis le valió la concesión de un doctorado en física. Helmholtz rápidamente lo nombró profesor asistente. Más tarde ese año Hertz escribió:
» Me doy cuenta cada vez más, y de más maneras de lo esperado, de que estoy en el centro de mi propio campo; y ya sea locura o sabiduría, es una sensación muy agradable.»
Hertz permaneció en el laboratorio de Helmholtz hasta 1883, tiempo durante el cual publicó 15 artículos en revistas académicas.
Física Matemática en Kiel
Hertz era un físico experimental talentoso, pero la competencia para asegurar una cátedra en Berlín era alta.
En cambio, con el apoyo de Helmholtz, Hertz se convirtió en profesor de física matemática en la Universidad de Kiel. Esta posición, teórica en lugar de experimental, amplió sus habilidades. En Kiel comenzó a familiarizarse con las ecuaciones de Maxwell, escribiendo en su diario:
» Hard at Maxwellian electromagnetism in the evening. Nada más que electromagnetismo.»
El resultado del trabajo de Hertz fue un documento de gran prestigio que comparaba la teoría electromagnética de Maxwell con teorías competidoras. Concluyó que la teoría de Maxwell parecía la más prometedora. De hecho, reelaboró las ecuaciones de Maxwell en una forma más conveniente.
Más tarde escribió:
» Desde el principio, la teoría de Maxwell fue la más elegante de todas the la hipótesis fundamental de la teoría de Maxwell contradecía los puntos de vista habituales, y no estaba respaldada por la evidencia de experimentos decisivos.»
El descubrimiento de ondas de Radio
Si desea un relato técnico algo más detallado del descubrimiento de ondas de radio de Hertz, tenemos uno aquí.
Laboratorios bien equipados y Atacando el Mayor Problema
En marzo de 1885, desesperado por volver a la física experimental, Hertz se trasladó a la Universidad de Karlsruhe. A los 28 años, se había asegurado una cátedra completa. En realidad, se le ofrecieron otras dos cátedras completas, una señal de su floreciente reputación. Eligió Karlsruhe porque tenía las mejores instalaciones de laboratorio.
Preguntándose por qué dirección debía tomar su investigación, sus pensamientos se desviaron hacia el trabajo premiado que Helmholtz no había logrado persuadirlo para que lo hiciera seis años antes: probar la teoría de Maxwell por experimento.
Hertz decidió que esta poderosa empresa sería el foco de su investigación en Karlsruhe.
Una chispa que Lo Cambió todo
Después de algunos meses de pruebas experimentales, las paredes aparentemente irrompibles que habían frustrado todos los intentos de probar la teoría de Maxwell comenzaron a desmoronarse.
Empezó con una chispa.
Comenzó con una observación casual a principios de octubre de 1886, cuando Hertz mostraba chispas eléctricas a los estudiantes. Hertz comenzó a pensar profundamente en las chispas y sus efectos en los circuitos eléctricos. Comenzó una serie de experimentos, generando chispas de diferentes maneras.
descubrió algo increíble. Las chispas producían una vibración eléctrica regular dentro de los cables eléctricos entre los que saltaban. La vibración se movía hacia adelante y hacia atrás más a menudo cada segundo que cualquier cosa que Hertz hubiera encontrado antes en su trabajo eléctrico.
Sabía que la vibración se componía de cargas eléctricas que aceleraban y desaceleraban rápidamente. Si la teoría de Maxwell fuera correcta, estas cargas radiarían ondas electromagnéticas que pasarían a través del aire al igual que la luz.
Producir y Detectar ondas de radio
En noviembre de 1886, Hertz construyó el aparato que se muestra a continuación.
El Oscilador. En los extremos hay dos esferas huecas de zinc de 30 cm de diámetro. Cada una de las esferas está conectada a cables de cobre que corren hacia el centro, donde hay un espacio para que salten chispas.
Aplicó electricidad A.C. de alto voltaje a través de la brecha de chispa central, creando chispas.
Las chispas causaron pulsos violentos de corriente eléctrica dentro de los cables de cobre. Estos pulsos reverberaban dentro de los cables, aumentando de un lado a otro a una velocidad de aproximadamente 100 millones por segundo.
Como Maxwell había predicho, las cargas eléctricas oscilantes producían ondas electromagnéticas-ondas de radio-que se extendían a través del aire alrededor de los cables. Algunas de las olas alcanzaron un bucle de alambre de cobre a 1,5 metros de distancia, produciendo oleadas de corriente eléctrica dentro de él. Estas oleadas provocaron que las chispas salten a través de una brecha de chispas en el bucle.
Este fue un triunfo experimental. Hertz había producido y detectado ondas de radio. Había pasado energía eléctrica a través del aire de un dispositivo a otro ubicado a más de un metro de distancia. No se necesitaban cables de conexión.
Llevándolo más lejos
Durante los siguientes tres años, en una serie de brillantes experimentos, Hertz verificó completamente la teoría de Maxwell. Demostró sin lugar a dudas que su aparato estaba produciendo ondas electromagnéticas, demostrando que la energía que irradia de sus osciladores eléctricos podía reflejarse, refractarse, producir patrones de interferencia y producir ondas estacionarias como la luz.
El experimento de Hertz demostró que las ondas de radio y las ondas de luz formaban parte de la misma familia, a la que hoy llamamos espectro electromagnético.
El espectro electromagnético. Hertz descubrió la parte de radio del espectro.
Extrañamente, sin embargo, Hertz no apreciaba la importancia práctica monumental de las ondas electromagnéticas que había producido.
«No creo que las ondas inalámbricas que he descubierto tengan ninguna aplicación práctica.»
Esto se debía a que Hertz era uno de los científicos más puros. Solo estaba interesado en diseñar experimentos para atraer a la Naturaleza a revelarle sus misterios. Una vez que lo hubiera logrado, seguiría adelante, dejando cualquier aplicación práctica para que otros la explotaran.
Las olas que Hertz generó por primera vez en noviembre de 1886 cambiaron rápidamente el mundo.
Para 1896 Guglielmo Marconi había solicitado una patente para comunicaciones inalámbricas. En 1901 había transmitido una señal inalámbrica a través del Océano Atlántico desde Gran Bretaña a Canadá.
El descubrimiento de Hertz fue la piedra angular de gran parte de nuestra tecnología de comunicaciones moderna. La radio, la televisión, las comunicaciones por satélite y los teléfonos móviles dependen de ella. Incluso los hornos de microondas utilizan ondas electromagnéticas: las ondas penetran en los alimentos, calentándolos rápidamente desde el interior.
Nuestra capacidad para detectar ondas de radio también ha transformado la ciencia de la astronomía. La radioastronomía nos ha permitido «ver» características que no podemos ver en la parte visible del espectro. Y debido a que los rayos emiten ondas de radio, incluso podemos escuchar tormentas eléctricas en Júpiter y Saturno.
Tanto los científicos como los no científicos le deben mucho a Heinrich Hertz.
El Efecto Fotoeléctrico
En 1887, como parte de su trabajo sobre electromagnetismo, Hertz reportó un fenómeno que tuvo enormes implicaciones para el futuro de la física y nuestra comprensión fundamental del universo. Llegó a conocerse como el efecto fotoeléctrico.
Iluminó con luz ultravioleta el metal cargado eléctricamente, observando que la luz UV parecía hacer que el metal perdiera su carga más rápido que de otra manera.
Escribió el trabajo, lo publicó en Annalen der Physik, y lo dejó para que otros lo siguieran. Habría sido un fenómeno fascinante para el propio Hertz investigarlo, pero estaba demasiado involucrado en su proyecto Maxwell en ese momento.
Los experimentadores se apresuraron a investigar el nuevo fenómeno que Hertz había anunciado.
En 1899 J. J. Thomson, el descubridor de electrones, estableció que la luz ultravioleta en realidad expulsaba electrones del metal.
Esto llevó a Albert Einstein a repensar la teoría de la luz. En 1905 propuso correctamente que la luz venía en paquetes distintos de energía llamados fotones. Los fotones de luz ultravioleta tienen la cantidad correcta de energía para interactuar con los electrones en los metales, dando a los electrones suficiente energía para escapar del metal.
La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico fue uno de los impulsores clave en la construcción de una forma completamente nueva de describir eventos a escala atómica: la física cuántica. Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1921 por explicar el efecto que Hertz había descubierto 34 años antes.
El efecto fotoeléctrico. Los fotones de luz UV transportan la cantidad correcta de energía para expulsar electrones de un metal.
Algunos datos personales y el final
En 1886, a los 29 años, Hertz se casó con Elisabeth Doll en Karlsruhe. Era hija de un matemático. Tuvieron dos hijas, Johanna y Mathilde. Mathilde se convirtió en una bióloga influyente, haciendo descubrimientos que invitan a la reflexión en el campo de cómo los animales resuelven problemas.
A la edad de 35 años, Hertz se enfermó gravemente, sufriendo migrañas severas. Los médicos pensaron que tenía una infección. Realizaron una serie de operaciones, pero Hertz continuó deteriorándose.
Heinrich Rudolf Hertz murió a los 36 años de edad en Bonn el 1 de enero de 1894 de inflamación de los vasos sanguíneos como resultado de problemas del sistema inmunológico, específicamente granulomatosis con poliangeítis. Fue enterrado en su ciudad natal de Hamburgo, en el Cementerio de Ohlsdorf.
En 1930 la unidad de frecuencia fue nombrada hertz por la Comisión Electrotécnica Internacional. En 1960 la unidad fue oficializada por la Asociación General de Pesos y Medidas.
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Lecturas complementarias
Heinrich Hertz
Ondas eléctricas
Macmillan and Co., 1893
Sir Oliver Lodge
El trabajo de Hertz y algunos de sus sucesores
D. van Nostrand Company, 1894
Rollo Appleyard
Pioneros de la Comunicación Eléctrica: Heinrich Rudolf Hertz
Comunicación Eléctrica, No. 2, 2, p63-77, octubre de 1927
G. R. M. Garratt
La historia temprana de la Radio: De Faraday a Marconi
IET, 1994
Jed Z. Buchwald
La Creación de Efectos Científicos: Heinrich Hertz y Ondas eléctricas
University of Chicago Press, 1994
Michael Heidelberger, Gregor Schiemann
El significado de lo Hipotético en las Ciencias Naturales
Walter de Gruyter, 2009
D. Baird, R. I. Hughes, Alfred Nordmann (Editores)
Heinrich Hertz: Físico Clásico, Filósofo Moderno
Springer Science &Business Media, 2013