Герц Генрих Рудольф

Герц Генрих Рудольф (1857—1894), немецкий физик, один из основоположников электродинамики. Экспериментально доказал (1886—89) существование электромагнитных волн (используя вибратор Герца) и установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Придал уравнениям Максвелла симметричную форму. Открыл внешний фотоэффект (1887). Построил механику, свободную от понятия силы.

Генрих Рудольф Герц родился в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позднее сенатором. Учился Герц прекрасно и был непревзойденным по сообразительности учеником. Он любил все предметы, любил писать стихи и работать на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.

В 1875 г. после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а затем в Мюнхенское высшее техническое училище. Дело шло хорошо до тех пор, пока изучались предметы общего характера. Но как только началась специализация, Герц изменил свое решение. Он не желает быть узким специалистом, он рвется к научной работе и поступает в Берлинский университет. Герцу повезло: его непосредственным наставником оказался Гельмгольц. Хотя знаменитый физик был приверженцем теории дальнодействия, но как истинный ученый он безоговорочно признавал, что идеи Фарадея Максвелла о близкодействии и физическом поле дают прекрасное согласие с экспериментом.

Попав в Берлинский университет, Герц с большим желанием стремился к занятиям в физических лабораториях. Но к работе в лабораториях допускались лишь те студенты, которые занимались решением конкурсных задач. Гельмгольц предложил Герцу задачу из области электродинамики: обладает ли электрический ток кинетической энергией? Гельмгольц хотел направить силы Герца в область электродинамики, считая ее наиболее запутанной.

Герц принимается за решение поставленной задачи, рассчитанной на 9 месяцев. Он сам изготовляет приборы и отлаживает их. При работе над первой проблемой сразу же выявились заложенные в Герце черты исследователя: упорство, редкое трудолюбие и искусство экспериментатора. Задача была решена за 3 месяца. Результат, как и ожидалось, был отрицательным, (Сейчас нам ясно, что электрический ток, представляющий собой направленное движение электрических зарядов (электронов, ионов), обладает кинетической энергией.) Для того чтобы Герц мог обнаружить это, надо было повысить точность его эксперимента в тысячи раз. Полученный результат совпадал с точкой зрения Гельмгольца, хотя и ошибочной, но в способностях молодого Герца он не ошибся. «Я увидел, что имел дело с учеником совершенно необычного дарования», - отмечал он позднее. Работа Герца была удостоена премии.

Вернувшись после летних каникул 1879 г., Герц добился разрешения работать над другой темой: «Об индукции во вращающихся телах», взятой в качестве докторской диссертации. Это была теоретическая работа. Он предполагал завершить ее за 2-3 месяца, защитить и получить поскорее звание доктора, хотя университет еще не был закончен. Работая с большим подъемом и воодушевлением, Герц быстро закончил исследование. Защита прошла успешно, и ему присудили степень доктора с «отличием» - явление исключительно редкое, тем более для студента.

С 1883 по 1885 г. Герц заведовал кафедрой теоретической физики в провинциальном городке Киле, где совсем не было физической лаборатории. Герц решил заниматься здесь теоретическими вопросами. Он корректирует систему уравнения электродинамики одного из ярких представителей дальнодействия Неймана. В результате этой работы Герц написал свою систему уравнений, из которой легко получались уравнения Максвелла. Герц разочарован, ведь он пытался доказать универсальность электродинамических теорий представителей дальнодействия, а не теории Максвелла. «Данный вывод нельзя считать точным доказательством максвелловской системы как единственно возможной», — делает он для себя, по существу, успокаивающий вывод.

В 1885 г. Герц принимает приглашение технической школы в Карлсруэ, где будут проведены его знаменитые опыты по распространению электрической силы. Еще в 1879 г. Берлинская академия наук поставила задачу: «Показать экспериментально наличие какой-нибудь связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией диэлектриков». Предварительные подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект будет очень мал даже при самых благоприятных условиях. Поэтому, видимо, он и отказался от этой работы осенью 1879 г. Однако он не переставал думать о возможных путях ее решения и пришел к выводу, что для этого нужны высокочастотные электрические колебания.

Герц тщательно изучил все, что было известно к этому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в экспериментальном планах. Найдя в физическом кабинете технической школы пару индукционных катушек и проводя с ними лекционные демонстрации, Герц обнаружил, что с их помощью можно было получить быстрые электрические колебания. В результате экспериментов Герц создал не только высокочастотный генератор, источник высокочастотных колебаний, но и резонатор - приемник этих колебании. Генератор Герца состоял из индукционной катушки и присоединенных к ней проводов, образующих разрядный промежуток, резонатор - из провода прямоугольной формы и двух шариков на его концах, образующих также разрядный промежуток. В результате проведенных опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивает искра), то в разрядном промежутке резонатора, удаленном от генератора даже на 3 м, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Каков же механизм ее передачи? Или это электрическая индукция, согласно теории Гельмгольца, или электромагнитная волна, согласно теории Максвелла? В 1887 г. Герц пока ничего еще не говорит об электромагнитных волнах, хотя он уже заметил, что влияние генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой резонатора).

Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приемника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будут ли они вести себя, как свет? И Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогию со световыми. Все это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла. В 1889 г., выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил: «Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

Напряженная работа Герца не прошла безнаказанно для его и без того слабого здоровья. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Вскоре началось общее заражение крови, от которого и скончался знаменитый уже в свои 37 лет ученый Генрих Герц.

Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем.

Ф.М.Дягилев. Из истории физики и жизни ее творцов.

Теодор Гарольд Мейман

Теодор Г. Мейман вошёл в историю как физик, которому впервые в мире удалось получить лазерный эффект в твёрдом теле. В созданном им твердотельном лазере активным веществом служил рубиновый цилиндрический стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью оптической накачки (ламп фотовспышки). Для обеспечения в кристалле рубина инверсной населённости энергетических уровней лампы работали в режиме сверхъярких коротких вспышек, что обеспечивало импульсный режим работы лазера.

Теодор Мейман (или просто Тед, как его тогда называли) родился в 1927 г. в Лос-Анджелесе. Его отец работал инженером-электронщиком в Bell Labs и был изобретателем. Много лет он потратил на то, чтобы доказать необходимость применения электронных устройств в автомобилях. В то время его предложения не вызвали интереса, однако уже через несколько лет все автомобили были оборудованы предложенным им электронным прибором. Талантливый инженер и образованный человек, он предчувствовал широкое применение электроники в различных областях человеческой деятельности и, в частности, внедрение её достижений в медицину. Именно он изобрёл первый электронный стетоскоп.   

Старший Мейман с детства прививал Теду любовь к электронике и научному поиску. В возрасте 12 лет мальчик помогал отцу ремонтировать различные электронные устройства, а в 14 он уже работал в мастерской одной из компаний. В 1949 г. Теодор Мейман закончил университет штата Колорадо и получил звание бакалавра в области технической физики. В то время он мечтал работать на факультете физики Стэнфордского университета и после нескольких неудачных попыток всё-таки достиг поставленной цели.   

В Стэнфорде Т. Мейман сделал первые шаги к успеху. Работа под руководством лауреата Нобелевской премии В. Лэмба дала ему именно такую подготовку, которая была нужна для практического воплощения идеи лазера. Диссертация Меймана была посвящена оптическим и СВЧ-измерениям, он изучил различные способы получения оптического излучения и существующие тогда оптические измерительные приборы. Из-за финансовых трудностей он сам разрабатывал и изготавливал необходимое ему для проведения экспериментов специальное электронное оборудование. В 1955 г. Т. Мейман получил степень доктора философии.   

Мейман всегда был большим оригиналом. Получив учёную степень, достигнув определённого общественного положения и отчасти удовлетворив свои амбиции, он решил прервать исследования и отправиться в кругосветное путешествие. Мейман подготовил себе преемника, который мог бы продолжить эксперименты на созданном им оборудовании. Это был И. Вейдер, его единственный соратник и помощник, чьё имя также впоследствии вошло в историю создания лазера. Вернувшись из кругосветного путешествия, Мейман начал работать в лаборатории Hughes Research, одной из многих включенных в гонку создания лазера. Этой проблемой занимались крупнейшие исследовательские центры: Bell Labs, RCA Labs и др.   

Трудности, с которыми столкнулся молодой и мало тогда кому известный учёный, были огромны. Несмотря на то, что Мейман обладал большим исследовательским опытом, в него никто не верил. Его теоретические и практические разработки не находили поддержки, финансирование было скудным. Когда в качестве материала для лазера он выбрал рубин, маститые учёные подняли его на смех. Знакомство со свойствами рубина и опыт работы с ним как с материалом, который может служить источником когерентного излучения, он получил ещё в аспирантуре Стэнфордского университета. Был период, когда уставший от бесполезных усилий и насмешек, Мейман даже отказался от использования рубина. На это решение повлияли эксперименты И. Вейдера, который определил, что квантовая эффективность излучения рубина очень низка (около 1%). Т. Мейман обратился к исследованию других материалов, но альтернативы не находил.   

И тогда с необычайным упорством, вызывавшим раздражение и насмешки, он вернулся к экспериментам с рубином. Путём повторных опытов Мейман выяснил, что результаты Вейдера были ошибочны. Квантовая эффективность излучения рубина оказалась равной 75%.   

В то время большинство учёных пытались создать лазер непрерывного действия. Эти работы основывались главным образом на появившейся в 1958 г. знаменитой статье Э. Сколоу и К. Таунса, излагавших идею оптического лазера и предлагавших использовать для генерации когерентного светового излучения пары натрия, а не твёрдое вещество. Мейман был верен себе и шёл вперёд вопреки общепринятому мнению. Ознакомившись с теорией А. Шавлова и Ч. Таунса и сделав вывод, что она не будет работать, он взялся за конструирование своего лазера. Используя самую яркую лампу с эллипсоидным рефлектором, он убедился в возможности построения лазера, работающего в непрерывном режиме. Однако надёжность такого лазера была очень низкой. Поиск нетрадиционных решений натолкнул его на мысль о целесообразности использования сверхъярких стробоскопических ламп, применяемых в фотографии (фотовспышек). Проведённые Мейманом расчёты (в то время они производились только на логарифмиче   ской линейке!) показали, что эти лампы действительно обеспечивают оптическую накачку, и он применил их для создания импульсного рубинового лазера.

Рубиновый кристалл, с которым работал Мейман, имел форму стержня, на торцевых поверхностях которого необходимо было сформировать отражающие зеркала. В 1960 г. технологию создания многослойных плёночных покрытий для лазерных зеркал имели только крупнейшие лаборатории. Т. Мейман самостоятельно разработал технологию нанесения серебра на рубиновый стержень и осуществил её.   

16 мая 1960 г. Т. Мейман создал первый в мире рубиновый лазер. На это ушло 9 месяцев колоссальных усилий, работы в атмосфере насмешек, неверия, безденежья. Он обошёл в этом соревновании ведущие компании, такие как Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRG и многие другие.   

7 июля 1960 г. на специально созванной пресс-конференции Т. Мейман объявил о создании лазера и рассказал о возможных областях его применения: связь, медицина, военная техника, транспорт и высокие технологии. Изобретение получило широкий общественный резонанс. Газеты писали, что учёный из Лос-Анджелеса изобрел "луч смерти".   

Несколько месяцев спустя, в 1961 г., Bell Labs сообщила о создании первого образца газового лазера, работающего на смеси гелия и неона в непрерывном режиме. Затем был получен лазерный эффект на парах цезия, и началась демонстрация возможностей построения лазеров буквально на сотнях различных материалов.   

По мнению Т. Меймана, его успех объясняется несколькими факторами. Во-первых, прекрасное базовое образование и большой научный и практический опыт. Во-вторых, то, что при достижении цели он всегда избегал традиционных представлений, основанных на "незыблемых" постулатах научной элиты. Именно "эффект гуру" (как называл его Т. Мейман) не позволил другим учёным достичь успеха.   

Поскольку Ч. Таунс стал одним из лауреатов Нобелевской премии 1964 г. "за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей нового типа – мазеров и лазеров", возник некоторый скепсис относительно первенства Т. Меймана в изобретении лазера. Это наглядный пример условности при установлении приоритета некоторых открытий в науке, а также того, что общество не всегда торопится с признанием заслуг первооткрывателей. Известно, что А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии "за важные физико-математические исследования, особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта" лишь в 1921 г. – через 16 лет после созданной им теории. В. Рентген получил эту премию в 1901 г. – через шесть лет после обессмертившего его открытия. Открытие В. Фабриканта вообще было отвергнуто как нереализуемое.   

Но "никто не оспаривает тот факт, что я сделал первый лазер", – говорит Т. Мейман. И ещё: "Если они сделали это, то где же тогда, чёрт возьми, их лазер?" – и вынимает из кармана тот самый первый лазер, который он создал в 1960 г.   

Т. Мейман основал компанию Korad по производству лазеров. Затем создал фирму Maiman Associates, которая в 1976 г. объединилась с компанией TRW. Он стал её вице-президентом по новейшим технологиям.   

Кроме основного патента на создание первого в мире лазера, Т. Мейман запатентовал некоторые типы мазеров, лазеров, лазерных дисплеев, приборов оптического сканирования. Т. Мейман удостоен многих престижных премий, включая премию Международного оптического общества – SPIE, награды президента США, аналога Нобелевской премии в странах Азии – Japan Prize и др.   

С 1983 г. Т. Мейман увлёкся применением лазеров в медицине. Он продолжает трудиться, готовит специалистов в этой области и считает, что работа составляет счастье его жизни.   

Сегодня лазеры широко используются в различных областях человеческой деятельности. Они прочно вошли в быт в виде лазерных дисков, указок, принтеров и т.д. В технике связи без лазеров невозможно представить современные волоконно-оптические и атмосферные линии связи, оптические усилители, оптическую связь между космическими аппаратами. В технологии мощные лазеры используются для прецизионной обработки материалов и упрочения поверхностей. В экологии они обеспечивают высокоточный мониторинг окружающей среды. В медицине лазеры заменяют скальпель при тончайших хирургических операциях, а также широко используются в диагностике и лечении. Во многих оборонных системах лазеры также занимают центральное место. И недаром в 2000 г. была присуждена ещё одна Нобелевская премия за исследования, непосредственно связанные с лазерами: Ж. Алфёров и Г. Кремер получили её за развитие полупроводниковых структур для высокоскоростной связи и оптоэлектроники