Au cours d’une série d’expériences brillantes, Heinrich Hertz a découvert les ondes radio et a établi que la théorie de l’électromagnétisme de James Clerk Maxwell était correcte.
Hertz a également découvert l’effet photoélectrique, fournissant l’un des premiers indices de l’existence du monde quantique. L’unité de fréquence, le hertz, est nommée en son honneur.
Débuts
Heinrich Rudolf Hertz est né le 22 février 1857 dans la ville portuaire allemande de Hambourg. Il était le premier-né de cinq enfants.
Sa mère était Anna Elisabeth Pfefferkorn, fille d’un médecin.
Son père était Gustav Ferdinand Hertz, avocat devenu sénateur.
Son grand-père paternel, un riche homme d’affaires juif, s’était marié dans une famille luthérienne et s’était converti au christianisme.
Les deux parents d’Heinrich étaient luthériens, et il a été élevé dans cette foi. Ses parents, cependant, étaient plus intéressés par son éducation que par son statut religieux.
École
À l’âge de six ans, Heinrich a commencé à l’école Dr. Wichard Lange à Hambourg. C’était une école privée pour garçons dirigée par le célèbre éducateur Friedrich Wichard Lange. L’école fonctionnait sans influence religieuse; elle utilisait des méthodes d’enseignement centrées sur l’enfant, en tenant compte des différences individuelles des élèves. C’était également strict; les étudiants devaient travailler dur et rivaliser les uns avec les autres pour être en tête de la classe. Heinrich appréciait son temps à l’école et était en effet en tête de sa classe.
Fait inhabituel, l’école du Dr Lange n’enseignait pas le grec et le latin – les classiques – nécessaires à l’entrée à l’université. Le très jeune Heinrich a dit à ses parents qu’il voulait devenir ingénieur. Quand ils ont cherché une école pour lui, ils ont décidé que l’orientation alternative du Dr Lange, qui comprenait les sciences, était la meilleure option.
Heinrich Hertz, âgé d’environ 12 ans, avec son père, sa mère et ses deux jeunes frères.
La mère de Heinrich était particulièrement passionnée par son éducation. Réalisant qu’il avait un talent naturel pour faire des choses et pour dessiner, elle lui organisa des cours de dessin le dimanche dans un collège technique. Il a commencé ces 11 ans.
École à la maison et Appareils scientifiques de construction
À l’âge de 15 ans, Heinrich quitta l’école du Dr Lange pour être éduqué à la maison. Il avait décidé qu’il aimerait peut-être aller à l’université après tout. Maintenant, il a reçu un tutorat en grec et en latin pour le préparer aux examens.
Il excellait dans les langues, don qu’il semble avoir hérité de son père.
Le professeur Redslob, un spécialiste des langues qui a donné à Heinrich des cours d’arabe, a conseillé à son père de devenir étudiant en langues orientales. Jamais auparavant il n’avait rencontré quelqu’un avec un talent naturel plus grand.
Heinrich a également commencé à étudier les sciences et les mathématiques à la maison, à nouveau avec l’aide d’un tuteur privé.
Il avait un appétit colossal pour le travail acharné. Sa mère a dit:
Quand il était assis avec ses livres, rien ne pouvait le déranger ou l’éloigner d’eux.
Bien qu’il ait quitté son école normale, il a continué à fréquenter le collège technique le dimanche matin.
Le soir, il travaillait de ses mains. Il a appris à utiliser un tour. Il a construit des modèles et a commencé à construire des appareils scientifiques de plus en plus sophistiqués tels qu’un spectroscope. Il a utilisé cet appareil pour faire ses propres expériences de physique et de chimie.
Architecture et armée
Âgé de 17 ans, Heinrich retourne à l’école, le Johanneum, pendant un an afin de se préparer pleinement aux examens classiques pour l’université. Après avoir réussi les examens, il a rapidement changé d’avis et a décidé de devenir apprenti architecte. Il a déménagé à Francfort, où le jour, il travaillait dans un bureau d’architecte et le soir, il lisait des livres de physique en allemand et de la littérature grecque antique en grec ancien original – naturellement!
L’architecture l’ennuie rapidement.
Au printemps 1876, âgé de 19 ans, il s’installe à nouveau, à Dresde, pour étudier l’ingénierie. Après seulement quelques mois, il a été enrôlé dans l’armée pour un service obligatoire d’un an. Bien qu’il appréciait la discipline de la vie de l’armée, il trouvait l’armée ennuyeuse. Plutôt lamentablement, il a écrit à la maison à un moment donné:
» day de jour en jour, je me rends compte à quel point je reste inutile dans ce monde. »
Pendant ce temps, son intérêt pour les mathématiques et la physique a continué de croître.
La vie de Hertz dans son contexte
La vie de Hertz et la vie de scientifiques et de mathématiciens apparentés.
Devenir scientifique
Physique à Munich
Après avoir terminé son service militaire, Hertz, âgé de 20 ans, s’installe à Munich pour commencer un cours d’ingénierie en octobre 1877. Un mois plus tard, après beaucoup d’angoisse interne, il a abandonné le cours. Il avait décidé qu’il voulait avant tout devenir physicien.
Il s’inscrit à l’Université de Munich, choisissant des cours de mathématiques avancées et de mécanique, de physique expérimentale et de chimie expérimentale.
Après une année réussie à Munich, il s’installe à l’Université de Berlin car elle possède de meilleurs laboratoires de physique que Munich.
Berlin, Helmholtz et Reconnaissance
À Berlin, âgé de 21 ans, Hertz commence à travailler dans les laboratoires du grand physicien Hermann von Helmholtz.
Helmholtz a dû reconnaître un talent rare chez Hertz, lui demandant immédiatement de travailler sur un problème dont la solution l’intéressait particulièrement. Le problème a fait l’objet d’un vif débat entre Helmholtz et un autre physicien du nom de Wilhelm Weber.
Le Département de philosophie de l’Université de Berlin, avec l’encouragement de Helmholtz, avait offert un prix à quiconque pouvait résoudre le problème: L’électricité se déplace-t-elle avec inertie? Alternativement, nous pourrions encadrer la question sous la forme: Le courant électrique a-t-il une masse? Ou, comme encadré par Hertz: Le courant électrique a-t-il de l’énergie cinétique?
Hertz a commencé à travailler sur le problème et est rapidement tombé dans une routine agréable: assister à une conférence chaque matin sur la dynamique analytique ou le magnétisme électrique &, effectuer des expériences en laboratoire jusqu’à 16h, puis lire, calculer et penser le soir.
Il a personnellement conçu des expériences qui, selon lui, répondraient à la question de Helmholtz. Il a commencé à s’amuser vraiment, écrivant à la maison:
« Je ne peux pas vous dire à quel point cela me procure plus de satisfaction d’acquérir des connaissances pour moi-même et pour les autres directement de la nature, plutôt que de simplement apprendre des autres et de moi-même seul. »
Le Prix
En août 1879, âgé de 22 ans, Hertz remporta le prix – une médaille d’or. Dans une série d’expériences très sensibles, il a démontré que si le courant électrique a une masse quelconque, il doit être incroyablement petit. Nous devons garder à l’esprit que lorsque Hertz a effectué ce travail, l’électron – le porteur du courant électrique – n’avait même pas été découvert. La découverte de J. J. Thomson a été faite en 1897, 18 ans après les travaux de Hertz.
1.109 les électrons x 1030 ont une masse de 1 kg.
La masse de 1.109 x 1030 humains équivaudraient à plus de 30 systèmes solaires comme le nôtre.
La masse de l’électron est en effet minuscule.
D’autres physiciens ont commencé à remarquer à quel point le travail de Hertz était éblouissant – le jeune étudiant a mis en place des expériences à l’avant-garde de la physique, modifiant personnellement les appareils au besoin. Ses compétences pratiques, développées à la maison le soir, se révélaient inestimables. Son travail primé a été publié dans la prestigieuse revue Annalen der Physik.
Reconnaissant l’incroyable talent qu’il avait dans son laboratoire, Helmholtz demanda maintenant à Hertz de concourir pour un prix offert par l’Académie de Berlin: vérifier la théorie de l’électromagnétisme de James Clerk Maxwell. Maxwell avait déclaré en 1864 que la lumière était une onde électromagnétique et que d’autres types d’ondes électromagnétiques pouvaient également exister.
Docteur en physique
Hertz refusa ce projet; il pensait que la tentative, sans garantie de succès, prendrait plusieurs années de travail. Il était ambitieux et souhaitait publier rapidement de nouveaux résultats pour asseoir sa réputation.
Au lieu de travailler pour le prix, il a réalisé un projet magistral de trois mois sur l’induction électromagnétique. Il a écrit cela comme une thèse. En février 1880, à l’âge de 23 ans, sa thèse lui vaut l’obtention d’un doctorat en physique. Helmholtz l’a rapidement nommé professeur adjoint. Plus tard cette année-là, Hertz écrivit:
« Je prends de plus en plus conscience, et de plus en plus que prévu, que je suis au centre de mon propre domaine; et que ce soit de la folie ou de la sagesse, c’est un sentiment très agréable. »
Hertz est resté dans le laboratoire de Helmholtz jusqu’en 1883, période pendant laquelle il a publié 15 articles dans des revues académiques.
Physique mathématique à Kiel
Hertz était un physicien expérimental doué, mais la concurrence pour obtenir une conférence à Berlin était élevée.
Au lieu de cela, avec le soutien de Helmholtz, Hertz est devenu professeur de physique mathématique à l’Université de Kiel. Cette position, théorique plutôt qu’expérimentale, a étendu ses capacités. À Kiel, il a commencé à se familiariser avec les équations de Maxwell, écrivant dans son journal:
« Dur à l’électromagnétisme maxwellien le soir. Rien que de l’électromagnétisme. »
Le résultat du travail de Hertz a été un article très apprécié comparant la théorie électromagnétique de Maxwell avec des théories concurrentes. Il a conclu que la théorie de Maxwell semblait la plus prometteuse. En fait, il a retravaillé les équations de Maxwell sous une forme plus pratique.
Il écrivit plus tard:
« Dès le début, la théorie de Maxwell était la plus élégante de toutes… l’hypothèse fondamentale de la théorie de Maxwell contredisait les vues habituelles et n’était pas étayée par des preuves d’expériences décisives. »
La découverte des ondes radio
Si vous souhaitez un compte rendu technique un peu plus détaillé de la découverte des ondes radio par Hertz, nous en avons un ici.
Laboratoires bien équipés et attaquant le Plus grand Problème
En mars 1885, désireux de retourner à la physique expérimentale, Hertz s’installe à l’Université de Karlsruhe. Âgé de 28 ans, il avait obtenu un poste de professeur titulaire. On lui offrit en fait deux autres postes de professeur titulaire, signe de sa réputation florissante. Il a choisi Karlsruhe parce qu’il avait les meilleures installations de laboratoire.
Se demandant quelle direction devrait prendre sa recherche, ses pensées dérivèrent vers le travail primé qu’Helmholtz n’avait pas réussi à le persuader de faire six ans plus tôt: prouver la théorie de Maxwell par l’expérience.
Hertz décida que cette entreprise puissante serait au centre de ses recherches à Karlsruhe.
Une étincelle qui a tout changé
Après quelques mois d’essais expérimentaux, les murs apparemment incassables qui avaient contrarié toutes les tentatives de prouver la théorie de Maxwell ont commencé à s’effriter.
Ça a commencé par une étincelle.
Cela a commencé par une observation fortuite au début d’octobre 1886, lorsque Hertz montrait aux élèves des étincelles électriques. Hertz a commencé à réfléchir profondément aux étincelles et à leurs effets dans les circuits électriques. Il a commencé une série d’expériences, générant des étincelles de différentes manières.
Il a découvert quelque chose d’étonnant. Les étincelles produisaient une vibration électrique régulière dans les fils électriques entre lesquels ils sautaient. La vibration se déplaçait d’avant en arrière plus souvent chaque seconde que tout ce que Hertz avait jamais rencontré auparavant dans son travail électrique.
Il savait que la vibration était constituée de charges électriques accélérant et décélérant rapidement. Si la théorie de Maxwell était juste, ces charges émettraient des ondes électromagnétiques qui traverseraient l’air tout comme la lumière.
Production et détection d’ondes radio
En novembre 1886, Hertz construisit l’appareil illustré ci-dessous.
L’Oscillateur. Aux extrémités se trouvent deux sphères creuses en zinc de 30 cm de diamètre. Les sphères sont chacune connectées à des fils de cuivre qui courent au milieu où il y a un espace pour que les étincelles sautent entre elles.
Il a appliqué de l’électricité alternative à haute tension à travers l’éclateur central, créant des étincelles.
Les étincelles ont provoqué de violentes impulsions de courant électrique dans les fils de cuivre. Ces impulsions se répercutaient dans les fils, faisant des va-et-vient à une vitesse d’environ 100 millions par seconde.
Comme Maxwell l’avait prédit, les charges électriques oscillantes ont produit des ondes électromagnétiques – des ondes radio – qui se sont propagées dans l’air autour des fils. Certaines des vagues ont atteint une boucle de fil de cuivre à 1,5 mètre de distance, produisant des surtensions de courant électrique à l’intérieur. Ces surtensions ont fait sauter des étincelles à travers un éclateur dans la boucle.
Ce fut un triomphe expérimental. Hertz avait produit et détecté des ondes radio. Il avait fait passer de l’énergie électrique dans l’air d’un appareil à un autre situé à plus d’un mètre de distance. Aucun fil de connexion n’était nécessaire.
Pour aller plus loin
Au cours des trois années suivantes, dans une série d’expériences brillantes, Hertz a entièrement vérifié la théorie de Maxwell. Il a prouvé sans aucun doute que son appareil produisait des ondes électromagnétiques, démontrant que l’énergie rayonnant de ses oscillateurs électriques pouvait être réfléchie, réfractée, produire des motifs d’interférence et produire des ondes stationnaires tout comme la lumière.
L’expérience de Hertz a prouvé que les ondes radio et les ondes lumineuses faisaient partie de la même famille, que nous appelons aujourd’hui le spectre électromagnétique.
Le spectre électromagnétique. Hertz a découvert la partie radio du spectre.
Cependant, Hertz n’appréciait pas l’importance pratique monumentale des ondes électromagnétiques qu’il avait produites.
« Je ne pense pas que les ondes sans fil que j’ai découvertes auront une application pratique. »
C’était parce que Hertz était l’un des plus purs des scientifiques purs. Il ne s’intéressait qu’à la conception d’expériences pour inciter la Nature à lui révéler ses mystères. Une fois qu’il y était parvenu, il passait à autre chose, laissant d’autres applications pratiques à exploiter.
Les ondes Hertz générées pour la première fois en novembre 1886 ont rapidement changé le monde.
En 1896, Guglielmo Marconi avait déposé une demande de brevet pour les communications sans fil. En 1901, il avait transmis un signal sans fil à travers l’océan Atlantique de la Grande-Bretagne au Canada.
La découverte de Hertz a été la première pierre d’une grande partie de notre technologie de communication moderne. La radio, la télévision, les communications par satellite et les téléphones portables en dépendent tous. Même les fours à micro-ondes utilisent des ondes électromagnétiques: les ondes pénètrent dans les aliments et les chauffent rapidement de l’intérieur.
Notre capacité à détecter les ondes radio a également transformé la science de l’astronomie. La radioastronomie nous a permis de « voir » des caractéristiques que nous ne pouvons pas voir dans la partie visible du spectre. Et parce que la foudre émet des ondes radio, nous pouvons même écouter des orages de foudre sur Jupiter et Saturne.
Les scientifiques et les non-scientifiques doivent beaucoup à Heinrich Hertz.
L’effet photoélectrique
En 1887, dans le cadre de ses travaux sur l’électromagnétisme, Hertz a rapporté un phénomène qui avait d’énormes implications pour l’avenir de la physique et notre compréhension fondamentale de l’univers. Il est devenu connu sous le nom d’effet photoélectrique.
Il a fait briller la lumière ultraviolette sur un métal chargé électriquement, observant que la lumière UV semblait faire perdre au métal sa charge plus rapidement qu’autrement.
Il a rédigé l’ouvrage, l’a publié dans Annalen der Physik et l’a laissé à d’autres. Cela aurait été un phénomène fascinant pour Hertz lui-même d’enquêter, mais il était trop impliqué dans son projet Maxwell à l’époque.
Les expérimentateurs se sont précipités pour étudier le nouveau phénomène annoncé par Hertz.
En 1899 J. J. Thomson, le découvreur de l’électron, a établi que la lumière ultraviolette éjectait en fait des électrons du métal.
Cela a conduit Albert Einstein à repenser la théorie de la lumière. En 1905, il a correctement proposé que la lumière venait en paquets distincts d’énergie appelés photons. Les photons de la lumière ultraviolette ont la bonne quantité d’énergie pour interagir avec les électrons dans les métaux, ce qui leur donne suffisamment d’énergie pour s’échapper du métal.
L’explication d’Einstein sur l’effet photoélectrique a été l’un des principaux moteurs de la construction d’une toute nouvelle façon de décrire les événements à l’échelle atomique – la physique quantique. Einstein a reçu le prix Nobel de physique de 1921 pour avoir expliqué l’effet découvert par Hertz 34 ans plus tôt.
L’effet photoélectrique. Les photons de la lumière UV transportent la quantité correcte d’énergie pour éjecter les électrons d’un métal.
Quelques détails personnels et la fin
En 1886, âgé de 29 ans, Hertz épouse Elisabeth Doll à Karlsruhe. Elle était la fille d’un mathématicien. Ils ont eu deux filles, Johanna et Mathilde. Mathilde est devenue une biologiste influente, faisant des découvertes stimulantes dans le domaine de la façon dont les animaux résolvent les problèmes.
À l’âge de 35 ans, Hertz est tombé très malade, souffrant de migraines sévères. Les médecins pensaient qu’il avait une infection. Ils ont effectué une série d’opérations, mais Hertz a continué à se détériorer.
Heinrich Rudolf Hertz est décédé à l’âge de 36 ans à Bonn le 1er janvier 1894 d’une inflammation des vaisseaux sanguins résultant de problèmes du système immunitaire – en particulier de la granulomatose avec polyangiite. Il a été enterré dans sa ville natale de Hambourg, au cimetière d’Ohlsdorf.
En 1930, l’unité de fréquence a été nommée hertz par la Commission Électrotechnique internationale. En 1960, l’unité a été officialisée par la Conférence Générale des Poids et mesures.
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Lectures complémentaires
Heinrich Hertz
Ondes électriques
Macmillan and Co., 1893
Sir Oliver Lodge
Le travail de Hertz et de certains de ses successeurs
D. van Nostrand Company, 1894
Rollo Appleyard
Pionniers de la Communication électrique: Heinrich Rudolf Hertz
Communication électrique, No 2, 2, p63-77, octobre 1927
G. R. M. Garratt
L’Histoire ancienne de la Radio: De Faraday à Marconi
IET, 1994
Jed Z. Buchwald
La Création d’Effets scientifiques: Heinrich Hertz et les ondes électriques
Presses de l’Université de Chicago, 1994
Michael Heidelberger, Gregor Schiemann
La signification de l’Hypothétique dans les Sciences naturelles
Walter de Gruyter, 2009
D. Baird, R.I. Hughes, Alfred Nordmann (Éditeurs)
Heinrich Hertz: Physicien classique, Philosophe moderne
Springer Science & Médias d’affaires, 2013