In una serie di brillanti esperimenti Heinrich Hertz scoprì le onde radio e stabilì che la teoria dell’elettromagnetismo di James Clerk Maxwell era corretta.
Hertz scoprì anche l’effetto fotoelettrico, fornendo uno dei primi indizi dell’esistenza del mondo quantico. L’unità di frequenza, l’hertz, è chiamata in suo onore.
Inizi
Heinrich Rudolf Hertz nacque il 22 febbraio 1857 nella città portuale tedesca di Amburgo. Era il primogenito di cinque figli.
Sua madre era Anna Elisabeth Pfefferkorn, figlia di un medico.
Suo padre era Gustav Ferdinand Hertz, un avvocato che divenne senatore.
Suo nonno paterno, un ricco uomo d’affari ebreo, si era sposato in una famiglia luterana e si era convertito al cristianesimo.
Entrambi i genitori di Heinrich erano luterani, e fu cresciuto in questa fede. I suoi genitori, tuttavia, erano più interessati alla sua educazione che al suo status religioso.
Scuola
All’età di sei anni, Heinrich iniziò alla Dr. Wichard Lange School di Amburgo. Questa era una scuola privata per ragazzi gestita dal famoso educatore Friedrich Wichard Lange. La scuola operava senza influenza religiosa; usava metodi di insegnamento incentrati sul bambino, tenendo conto delle differenze individuali degli studenti. Era anche severo; gli studenti dovevano lavorare sodo e competere tra loro per essere i primi della classe. Heinrich godeva del suo tempo a scuola, e in effetti era il migliore della sua classe.
Insolitamente, la scuola del Dr. Lange non insegnava greco e latino – i classici – necessari per l’ingresso all’università. Il giovanissimo Heinrich disse ai suoi genitori che voleva diventare un ingegnere. Quando hanno cercato una scuola per lui, hanno deciso che il focus alternativo del Dr. Lange, che includeva le scienze, era l’opzione migliore.
Heinrich Hertz, all’età di circa 12 anni, con suo padre, sua madre e due fratelli minori.
La madre di Heinrich era particolarmente appassionata della sua educazione. Rendendosi conto che aveva un talento naturale per fare le cose e per il disegno, ha organizzato lezioni di disegno per lui la domenica in un college tecnico. Ha iniziato questi all’età di 11.
Homeschool and Building Scientific Apparatus
All’età di 15 anni, Heinrich lasciò la scuola del Dr. Lange per essere educato a casa. Aveva deciso che forse gli sarebbe piaciuto andare all’università, dopo tutto. Ora ha ricevuto tutoraggio in greco e latino per prepararlo per gli esami.
Eccelleva nelle lingue, un dono che sembra aver ereditato da suo padre.
Il professor Redslob, uno specialista di lingue che diede a Heinrich alcune lezioni in arabo, consigliò a suo padre che Heinrich dovesse diventare uno studente di lingue orientali. Mai prima d’ora aveva incontrato qualcuno con maggiore talento naturale.
Heinrich iniziò anche a studiare scienze e matematica a casa, sempre con l’aiuto di un tutor privato.
Aveva un appetito colossale per il duro lavoro. Sua madre ha detto:
Quando sedeva con i suoi libri nulla poteva disturbarlo o allontanarlo da loro.
Anche se aveva lasciato la sua scuola normale, ha continuato a frequentare il collegio tecnico la domenica mattina.
La sera lavorava con le sue mani. Ha imparato a far funzionare un tornio. Costruì modelli e iniziò a costruire apparati scientifici sempre più sofisticati come uno spettroscopio. Ha usato questo apparecchio per fare i suoi esperimenti di fisica e chimica.
Architettura e l’esercito
All’età di 17 anni, Heinrich tornò a scuola, il Johanneum, per un anno al fine di preparare pienamente per gli esami classici per l’università. Dopo aver superato gli esami, ha prontamente cambiato idea di nuovo, decidendo di diventare apprendista architetto. Si trasferì a Francoforte, dove di giorno lavorava nello studio di un architetto e la sera leggeva libri di fisica in tedesco e letteratura greca antica in greco antico originale – naturalmente!
L’architettura lo annoiava rapidamente.
Nella primavera del 1876, all’età di 19 anni, si trasferì di nuovo, a Dresda, per studiare ingegneria. Dopo solo pochi mesi fu arruolato nell’esercito per un anno di servizio obbligatorio. Sebbene godesse della disciplina della vita militare, trovò l’esercito noioso. Piuttosto miseramente, ha scritto a casa a un certo punto:
” day giorno dopo giorno divento più consapevole di quanto sia inutile rimanere in questo mondo.”
Nel frattempo, il suo interesse per la matematica e la fisica ha continuato a crescere.
Hertz’s Lifetime in Context
Hertz’s lifetime and the lifetimes of related scientists and mathematicians.
Diventare uno scienziato
Fisica a Monaco di Baviera
Dopo aver completato il suo servizio militare, il 20-year-old Hertz si trasferì a Monaco di Baviera per iniziare un corso di ingegneria nel mese di ottobre 1877. Un mese dopo, dopo molte angosce interne, abbandonò il corso. Aveva deciso che prima di tutto voleva diventare un fisico.
Si iscrisse all’Università di Monaco di Baviera, scegliendo corsi di matematica e meccanica avanzata, fisica sperimentale e chimica sperimentale.
Dopo un anno di successo a Monaco di Baviera si trasferì all’Università di Berlino perché aveva migliori laboratori di fisica di Monaco di Baviera.
Berlin, Helmholtz, and Recognition
A Berlino, all’età di 21 anni, Hertz iniziò a lavorare nei laboratori del grande fisico Hermann von Helmholtz.
Helmholtz deve aver riconosciuto un talento raro in Hertz, chiedendogli immediatamente di lavorare su un problema la cui soluzione era particolarmente interessato. Il problema fu oggetto di un feroce dibattito tra Helmholtz e un altro fisico di nome Wilhelm Weber.
Il Dipartimento di Filosofia dell’Università di Berlino, con l’incoraggiamento di Helmholtz, aveva offerto un premio a chiunque potesse risolvere il problema: l’elettricità si muove con inerzia? In alternativa, potremmo inquadrare la domanda nella forma: la corrente elettrica ha massa? Oppure, come incorniciato da Hertz: La corrente elettrica ha energia cinetica?
Hertz ha iniziato a lavorare sul problema e rapidamente è caduto in una piacevole routine: partecipare a una conferenza ogni mattina in dinamica analitica o elettricità & magnetismo, effettuando esperimenti in laboratorio fino alle 16: 00, quindi leggendo, calcolando e pensando la sera.
Progettò personalmente esperimenti che pensava avrebbero risposto alla domanda di Helmholtz. Ha iniziato a divertirsi davvero, scrivendo a casa:
“Non posso dirvi quanta più soddisfazione mi dà acquisire conoscenza per me stesso e per gli altri direttamente dalla natura, piuttosto che essere semplicemente imparando dagli altri e solo da me stesso.”
Il premio
Nell’agosto del 1879, all’età di 22 anni, Hertz vinse il premio – una medaglia d’oro. In una serie di esperimenti altamente sensibili ha dimostrato che se la corrente elettrica ha una massa, deve essere incredibilmente piccola. Dobbiamo tenere a mente che quando Hertz eseguì questo lavoro l’elettrone – il vettore di corrente elettrica – non era nemmeno stato scoperto. La scoperta di J. J. Thomson fu fatta nel 1897, 18 anni dopo il lavoro di Hertz.
1.109 x 1030 elettroni hanno una massa di 1 kg.
La massa di 1.109 x 1030 esseri umani equivalgono a più di 30 sistemi solari come i nostri.
La massa dell’elettrone è davvero minuscola.
Altri fisici cominciarono a notare quanto abbagliante fosse il lavoro di Hertz: il giovane studente mise insieme esperimenti in prima linea nella fisica, modificando personalmente gli apparati secondo necessità. Le sue abilità pratiche, sviluppate a casa la sera, si stavano dimostrando inestimabili. Il suo lavoro premiato è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Annalen der Physik.
Riconoscendo l’incredibile talento che aveva nel suo laboratorio, Helmholtz ora chiese a Hertz di competere per un premio offerto dall’Accademia di Berlino: verificare la teoria dell’elettromagnetismo di James Clerk Maxwell. Maxwell aveva dichiarato nel 1864 che la luce era un’onda elettromagnetica e che potrebbero esistere anche altri tipi di onde elettromagnetiche.
Dottore in Fisica
Hertz rifiutò questo progetto; egli credeva che il tentativo, senza alcuna garanzia di successo, avrebbe richiesto diversi anni di lavoro. Era ambizioso e voleva pubblicare rapidamente nuovi risultati per stabilire la sua reputazione.
Invece di lavorare per il premio, ha realizzato un magistrale progetto di tre mesi sull’induzione elettromagnetica. Ha scritto questo come una tesi. Nel febbraio del 1880, all’età di 23 anni, la sua tesi gli portò l’assegnazione di un dottorato in fisica. Helmholtz lo nominò rapidamente assistente professore. Più tardi quell’anno Hertz scrisse:
” Sono sempre più consapevole, e in più modi del previsto, di essere al centro del mio campo; e che si tratti di follia o saggezza, è una sensazione molto piacevole.”
Hertz rimase nel laboratorio di Helmholtz fino al 1883, durante il quale pubblicò 15 articoli su riviste accademiche.
Matematica Fisica a Kiel
Hertz è stato un talento fisico sperimentale, ma la concorrenza per garantire una lectureship a Berlino è stata alta.
Invece, con il supporto di Helmholtz, Hertz è diventato un docente di fisica matematica presso l’Università di Kiel. Questa posizione, teorica piuttosto che sperimentale, estese le sue capacità. A Kiel ha iniziato a fare i conti con le equazioni di Maxwell, scrivendo nel suo diario:
” Hard at Maxwellian electromagnetism in the evening. Nient’altro che elettromagnetismo.”
Il risultato del lavoro di Hertz è stato un documento altamente considerato che confronta la teoria elettromagnetica di Maxwell con teorie concorrenti. Ha concluso che la teoria di Maxwell sembrava la più promettente. In realtà ha rielaborato le equazioni di Maxwell in una forma più conveniente.
In seguito scrisse:
“Fin dall’inizio, la teoria di Maxwell era la più elegante di tutte… l’ipotesi fondamentale della teoria di Maxwell contraddiceva le solite opinioni e non era supportata da prove da esperimenti decisivi.”
La scoperta delle onde radio
Se volete un resoconto tecnico un po ‘ più dettagliato della scoperta di Hertz delle onde radio, ne abbiamo uno qui.
Laboratori ben attrezzati e attaccando il problema più grande
Nel marzo 1885, disperato per tornare alla fisica sperimentale, Hertz si trasferì all’Università di Karlsruhe. All’età di 28 anni, si era assicurato una cattedra completa. In realtà gli furono offerte altre due cattedre piene, un segno della sua fiorente reputazione. Ha scelto Karlsruhe perché aveva le migliori strutture di laboratorio.
Chiedendosi quale direzione la sua ricerca dovrebbe prendere, i suoi pensieri alla deriva al lavoro premio Helmholtz non era riuscito a convincerlo a fare sei anni prima: dimostrando la teoria di Maxwell per esperimento.
Hertz decise che questa potente impresa sarebbe stata al centro delle sue ricerche a Karlsruhe.
Una scintilla che cambiò tutto
Dopo alcuni mesi di prove sperimentali, i muri apparentemente infrangibili che avevano frustrato tutti i tentativi di dimostrare la teoria di Maxwell iniziarono a sgretolarsi.
E ‘ iniziato con una scintilla.
È iniziato con un’osservazione casuale all’inizio di ottobre 1886, quando Hertz stava mostrando agli studenti scintille elettriche. Hertz cominciò a pensare profondamente alle scintille e ai loro effetti nei circuiti elettrici. Ha iniziato una serie di esperimenti, generando scintille in modi diversi.
Ha scoperto qualcosa di incredibile. Le scintille producevano una vibrazione elettrica regolare all’interno dei fili elettrici che saltavano tra. La vibrazione si muoveva avanti e indietro più spesso ogni secondo di qualsiasi cosa Hertz avesse mai incontrato prima nel suo lavoro elettrico.
Sapeva che la vibrazione era costituita da cariche elettriche in rapida accelerazione e decelerazione. Se la teoria di Maxwell avesse ragione, queste cariche irradierebbero onde elettromagnetiche che passerebbero attraverso l’aria proprio come fa la luce.
Produrre e rilevare onde radio
Nel novembre 1886 Hertz costruì l’apparecchio mostrato di seguito.
L’oscillatore. Alle estremità ci sono due sfere di zinco cave di diametro 30 cm. Le sfere sono collegate a fili di rame che corrono nel mezzo dove c’è uno spazio per le scintille per saltare tra.
Ha applicato l’elettricità ad alta tensione a.c. attraverso lo spark-gap centrale, creando scintille.
Le scintille provocavano violenti impulsi di corrente elettrica all’interno dei fili di rame. Questi impulsi riverberavano all’interno dei fili, salendo avanti e indietro ad una velocità di circa 100 milioni al secondo.
Come Maxwell aveva predetto, le cariche elettriche oscillanti producevano onde elettromagnetiche – onde radio – che si diffondevano attraverso l’aria attorno ai fili. Alcune delle onde hanno raggiunto un anello di filo di rame a 1,5 metri di distanza, producendo picchi di corrente elettrica al suo interno. Questi picchi hanno causato scintille a saltare attraverso una scintilla-gap nel ciclo.
Questo è stato un trionfo sperimentale. Hertz aveva prodotto e rilevato onde radio. Aveva passato energia elettrica attraverso l’aria da un dispositivo a un altro situato a più di un metro di distanza. Non sono stati necessari fili di collegamento.
Prendendo ulteriormente
Nel corso dei prossimi tre anni, in una serie di esperimenti brillanti, Hertz completamente verificato la teoria di Maxwell. Dimostrò senza dubbio che il suo apparato stava producendo onde elettromagnetiche, dimostrando che l’energia irradiata dai suoi oscillatori elettrici poteva essere riflessa, rifratta, produrre modelli di interferenza e produrre onde stazionarie proprio come la luce.
L’esperimento di Hertz ha dimostrato che le onde radio e le onde luminose facevano parte della stessa famiglia, che oggi chiamiamo spettro elettromagnetico.
Lo spettro elettromagnetico. Hertz scoprì la parte radio dello spettro.
Stranamente, però, Hertz non apprezzava la monumentale importanza pratica delle onde elettromagnetiche che aveva prodotto.
“Non penso che le onde wireless che ho scoperto avranno alcuna applicazione pratica.”
Questo perché Hertz era uno dei più puri scienziati puri. Era interessato solo a progettare esperimenti per invogliare la Natura a rivelargli i suoi misteri. Una volta che aveva raggiunto questo, avrebbe andare avanti, lasciando eventuali applicazioni pratiche per gli altri di sfruttare.
Le onde che Hertz generò per la prima volta nel novembre 1886 cambiarono rapidamente il mondo.
Nel 1896 Guglielmo Marconi aveva richiesto un brevetto per le comunicazioni wireless. Nel 1901 aveva trasmesso un segnale wireless attraverso l’Oceano Atlantico dalla Gran Bretagna al Canada.
La scoperta di Hertz è stata la prima pietra per gran parte della nostra moderna tecnologia di comunicazione. Radio, televisione, comunicazioni satellitari e telefoni cellulari si basano tutti su di esso. Anche i forni a microonde utilizzano onde elettromagnetiche: le onde penetrano nel cibo, riscaldandolo rapidamente dall’interno.
La nostra capacità di rilevare le onde radio ha anche trasformato la scienza dell’astronomia. La radioastronomia ci ha permesso di “vedere” caratteristiche che non possiamo vedere nella parte visibile dello spettro. E poiché il fulmine emette onde radio, possiamo persino ascoltare tempeste di fulmini su Giove e Saturno.
Scienziati e non scienziati devono molto a Heinrich Hertz.
L’effetto fotoelettrico
Nel 1887, come parte del suo lavoro sull’elettromagnetismo, Hertz riportò un fenomeno che aveva enormi implicazioni per il futuro della fisica e la nostra comprensione fondamentale dell’universo. È venuto per essere conosciuto come l’effetto fotoelettrico.
Fece brillare la luce ultravioletta sul metallo caricato elettricamente, osservando che la luce UV sembrava far perdere la carica al metallo più velocemente di quanto non fosse.
Scrisse il lavoro, lo pubblicò in Annalen der Physik e lo lasciò ad altri da perseguire. Sarebbe stato un fenomeno affascinante per lo stesso Hertz indagare, ma era troppo avvolto nel suo progetto Maxwell al momento.
Gli sperimentatori si precipitarono a indagare sul nuovo fenomeno annunciato da Hertz.
Nel 1899 J. J. Thomson, scopritore dell’elettrone, ha stabilito che la luce ultravioletta effettivamente espulso elettroni dal metallo.
Ciò ha portato Albert Einstein a ripensare la teoria della luce. Nel 1905 propose correttamente che la luce arrivasse in pacchetti distinti di energia chiamati fotoni. I fotoni della luce ultravioletta hanno la giusta quantità di energia per interagire con gli elettroni nei metalli, dando agli elettroni abbastanza energia per sfuggire al metallo.
La spiegazione di Einstein dell’effetto fotoelettrico fu uno dei fattori chiave nella costruzione di un modo completamente nuovo di descrivere gli eventi su scala atomica-la fisica quantistica. Einstein fu insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1921 per aver spiegato l’effetto che Hertz aveva scoperto 34 anni prima.
L’effetto fotoelettrico. I fotoni di luce UV trasportano la giusta quantità di energia per espellere elettroni da un metallo.
Alcuni dettagli personali e la fine
Nel 1886, all’età di 29 anni, Hertz sposò Elisabeth Doll a Karlsruhe. Era la figlia di un matematico. Ebbero due figlie, Johanna e Mathilde. Mathilde divenne un biologo influente, facendo scoperte stimolanti nel campo di come gli animali risolvono i problemi.
All’età di 35 anni Hertz si ammalò molto, soffrendo gravi emicranie. I medici pensavano avesse un’infezione. Hanno eseguito una serie di operazioni, ma Hertz ha continuato a deteriorarsi.
Heinrich Rudolf Hertz morì all’età di 36 anni a Bonn il 1º gennaio 1894 per infiammazione dei vasi sanguigni dovuta a problemi del sistema immunitario-in particolare granulomatosi con poliangiite. Fu sepolto nella sua città natale di Amburgo, nel Cimitero di Ohlsdorf.
Nel 1930 l’unità di frequenza fu nominata hertz dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale. Nel 1960 l’unità fu ufficializzata dalla Conferenza Generale sui pesi e le misure.
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Ulteriori letture
Heinrich Hertz
Onde elettriche
Macmillan and Co., 1893
Sir Oliver Lodge
Il lavoro di Hertz e alcuni suoi successori
D. van Nostrand Company, 1894
Rollo Appleyard
Pionieri di Comunicazioni Elettriche: Heinrich Rudolf Hertz
Comunicazione Elettrica, N. 2, 2, p63-77, ottobre 1927
G. R. M. Africa
L’Inizio della Storia della Radio: Da Faraday a Marconi
IET, 1994
Jed Z. Buchwald
La Creazione di risultati Scientifici: Heinrich Hertz e Onde Elettriche
University of Chicago Press, 1994
Michael Heidelberger, Gregor Schiemann
Il Significato di un Ipotetico in Scienze Naturali
Walter de Gruyter, 2009
D. Baird, R. I. Hughes, Alfred Nordmann (Editors)
Heinrich Hertz: Classico Fisico, Filosofo Moderno,
Springer Science & Business Media, 2013