چگونه «انتشار الکتریکی نیرو» کشف شد؟

.

.

زمان دقیق کشف «هرتس» را نمی توان تعیین کرد، همان طور که نمی توان زمان اختراع ترانزیستور توسط «باردین»، «برتن» و «شاکلی» را به دقت بیان کرد. آنها در دفتر روزانه ی آزمایشگاه خود در تاریخ 24 دسامبر 1947 – زیر سرفصل شماره ی 38139-7 نوشته اند که روز پیش از یک «واحد»  40 برابر تقویت گرفتیم. منظور از آنچه که در این یادداشت «واحد» خوانده شده، ترانزیستور اولیه است که البته چون هنوز نام ترانزیستور ابداع نشده بود، این طور نامیده شد. بعدها این باصطلاح "واحد" «ترانزیستور اتصال نقطه ای ژرمانیومی» نام گرفت.

هاینریش هرتس که از سال 1885 به دانشگاه هایدلبرگ دعوت شده بود، در فاصله ی سال های 1886 تا 1888 روی انتشار امواج الکتریکی در فضای باز و در طول سیم ها کار کرد و قوانین آن را کشف نمود و در کنار این ها درستی نظریه ی نوریِ الکترومغناتیس متعلق به «ماکسوِل» را در عمل به اثبات رساند. با این کشف ها جدایی مطلق ماهیت نور و الکتریسیته به کناری نهاده شد. با دانستن مطالب بالا برای خواننده روشن می شود که چرا دانشگاه کارلسروهه در 1988 برای هرتس جشن یک صدمین سالگرد کشفیاتش را می گیرد، با وجود این که هرتس نتیجه ی نهایی پژوهش های خود را در 20 سپتامبر 1889 زیر عنوان «در خصوص رابطه ی نور و الکتریسیته» به 62-مین گردهمآیی پژوهشگران علوم طبیعی و پزشکان آلمان در هایدلبرگ رونمایی کرده بود.

.

هاینریش هرتس به عنوان فرزند یک وکیل دعاوی در 22 فوریه سال 1857 (درست 159 سال پیش) در هامبورگ متولد شد. در شهرهای دِرِسدِن، مونیخ و برلین تحصیل کرد. در 23 سالگی رساله ی خود را زیر عنوان "در مورد خودالقایی در کُره های چرخان" نگاشت، دستیار هلم هولتز بود، در 1883 در شهر کیل دکترا گرفت، در 1885 به دانشگاه هایدلبرگ دعوت شد، در 1889 در دانشگاه بُن به استادی منصوب شد، در اول ژانویه 1894 درگذشت.

.

این کار برای هرتس بسیار پرچالش بود – او چگونه می بایستی برای جمعی که در مورد موضوع اطلاعات محدودی داشتند، به شکل قابل فهمی سخنرانی کند، بدون این که توضیحات او در چشم این «متخصصان» سطحی ارزیابی نشود؟

حال بیایید ببینیم که این بخش از دانش فیزیک پیش از آغاز آزمایش های هرتس چگونه به نظر می رسید؟ «گوستاو هرتس»، نوه ی هرتس و پروفسور برنده ی جایزه ی نوبل در یک صدمین سالگرد تولد پدر بزرگش در 24 فوریه 1957 در هامبورگ در سخنرانی خود گفت که در سال های دهه ی 80 قرن نوزدهم، ساختمان های آموزشی و دانشکده های مکانیک و ریاضیات سخت به یکدیگر نزدیک بودند. به این مجموعه بخش های جنبی مانند مثلاً آکوستیک نیز تعلق داشتند. همین وضعیت برای علم اپتیک نیز وجود داشت، زیرا می دانستند که نور از امواج ترانسورسال با سرعتی برابر 300 هزار کیلومتر بر ثانیه تشکیل شده، اما علم و اطلاعی از ماهیت فیزیکی آن نداشتند. فرض می شد که این امواج فقط می توانند در داخل یک «محیط مادی» انتشار پیدا کنند و از این بابت بود که چیزی به نام «اِتِر» یا «اتر نور» را فرض کردند که محیط انتشار امواج نور باشد و مثلاً نور خورشید را به زمین برساند. با وجود این، در مطالعه ی عمیق و محاسبات دقیق باز هم تناقض هایی خودنمایی می کردند.

آنچه که به علم الکتریسیته مربوط می شد، از دو شاخه ی مجزا تشکیل یافته بود. فرضیه ی «تاثیر از دور» موافقان بیشتری داشت. فرضیه ای که بی واسطه به قانون جاذبه ی نیوتن متصل بود، و از آن «قانون کلمب» برای تشریح جاذبه ی بین بارهای مثبت و منفی منتج شده بود. جوهر سخن این دسته، این گزاره ی مشهور بود: «اثر نیرو با مربع فاصله تناسب معکوس دارد». این استدلال از نوعی «نیروی دور» سخن می راند که به صورت لحظه ای و با سرعت بینهایت منتشر می شد.

.

موضع مخالف «فارادی»

موضع مخالف این نظریه در اختیار دانشمند انگلیسی، «مایکل فارادی»، بود. ماکسول به او یک تئوری داده بود که می گفت باید «امواج ترانسورسال الکتریکی» ای وجود داشته باشند که با سرعت نور منتشر می شوند. حالا با داشتن این نظریه می شد به این نتیجه ی نهایی رسید که نور چیزی جز همین امواج الکترومغناتیسی نیست. در ابتدا این دیدگاه نمی توانست جایی برای خود باز کند، چرا که «تئوری نیروی دور» مدت زیادی آموزه ی مسلط اذهان دانشمندان زمان شده بود.

تنها آزمایش و تجربه می توانست اثبات کند که کدام یک از این دو نظریه واقعاً صحت دارد. گوستاو هرتس چنین ادامه داد: هر دو نظریه در پیشگویی های خود، تا موقعی که بحث بر سر یک «سیستم بسته»، مثلاً یک اِلِمان گالوانیک، یک مدار بسته ی جریان، یک لامپ و یا یک الکتروموتور بود، کاملاً موفق بودند. همین طور هر دو مسیر فکری می توانستند رفتار یک ترانسفورماتور را توضیح دهند. در جریان های غیربسته، مثلاً بگوییم در خازن ها، روابط طور دیگری می شدند. در اینجا، اگر بخواهیم خیلی کوتاه بیان کنیم، بر اساس نظریه ی ماکسول، می بایستی یک مدار بسته نیز همان میدان مغناتیسی را ایجاد کند که یک مدار باز بوجود می آورد. اما از دیدگاه نظریه ی تاثیر از دور چنین نبود.

.

انگیزش از طریق یک مسابقه ی علمی

می توان با گوستاو هرتس موافق بود که پرسش بالا که ذهن دانشمندان زمان را به خود مشغول کرده بود، پرسشی به غایت آکادمیک بود. همین پرسش نقطه ی شروع کار پژوهشی هاینریش هرتس شد و او در نهایت به آن پاسخ گفت. آنچه که او را به این کار مصمم کرد، یک پرسش جایزه دار بود که «هرمان فون هِلم هولتز»، استاد او در برلین، آن را به مسابقه گذاشته بود. او این مساله را حل ناپذیر می انگاشت، چرا که برای این فیزیکدان برجسته و آزمایشگر بااستعداد محرز شده بود که با ابزار و وسایل در دسترس، تاثیرات میدان های الکترودینامیک متغیّر، بسیار کوچک تر از آنند که بشود آنها را به نحو قابل قبولی اثبات نمود. هرتس ابتدا این مساله را به کناری نهاد، اما هنگامی که در کارلسروهه، جایی که در سال 1885 به مقام پروفسوری نایل شده بود، در حین آزمایش با یک سیم پیچ بزرگ که آن را به یک «ایندوکتوریوم» (کوئل جرقه یا همان قرقره ی رومکورف) وصل کرده بود، جرقه های کوچکی را دید، که در جاهای مشخصی پدیدار می شدند و در جاهای دیگر نه، دوباره به تحقیق بر آن مشغول شد. هرتس نتیجه گرفت که در سیم پیچ نوسان هایی بوجود آمده اند، بدون این که خازنی به مدار متصل شده باشد.

باید دانست که نوسان های الکتریکی در آن زمان به خوبی شناخته شده بودند. تخلیه ی بار ذخیره شده در یک «بطری لایدن» (Leiden Buttle) در یک سیم پیچ، یک جریان نوسان کننده ایجاد می کرد و فرد می توانست به کمک تخلیه ی الکتریکی از طریق ایجاد جرقه، تا یک میلیون نوسان در ثانیه ایجاد کند. آن چه که به آن فکر نشده بود و کسی از آن اطلاع و آگاهی نداشت، وضعیتی بود که بتوان در یک قطعه سیم بدون وصل کردن یک خازن نوسان ایجاد کرد.

مشاهدات هرتس اما ثابت می کردند که: می توان چیزهایی را هم که شکل و فُرم یک مدار شناخته شده ی نوسانی شامل خازن و سیم پیچ را ندارند، به نوسان درآورد. این موضوع پایه ی تصمیم هرتس به ساخت یک «نوسانگرِ باز» شد که تشکیل شده بود از یک سیم به طول 150 سانتی متر با دو جوشن خازن و یا دو کُره ی خازن در دو انتهای آن و یک «شکاف جرقه» که درست در وسط این سیم با بریدن آن ایجاد می شد. فاصله ی زیاد میان دو جوشن خازن در دو انتهای سیم، مقدار ظرفیت خازنی را به شدت پایین می آورد، طوری که تعداد نوسانات در ثانیه (فرکانس کار) این مجموعه را بسیار بالا می برد. همچنین، انتشار موج از این وسیله بسیار موثرتر از انتشار از مدارهای بسته بود. به این ترتیب هرتس توانست شکل ابتدایی و نیاکانی آنتن «دایپل» را ابداع کند و توانست در محدوده ی فرکانس 100 مگاهرتس، که امروزه در باند سخن پراکنی اف.ام. قرار دارد، کار کند.

.

از راه های فرعی به سوی شهرت

پس از پیمودن چند راه فرعی و گمراهی های موقتی، بالاخره هرتس مساله ای را که باید به او شهرت جهانی می داد، حل کرد: اثبات این که مطابق با نظریه ی ماکسول، می توان امواج الکتریکی ای تولید نمود که با سرعت نور در فضا منتشر شوند.

اولین آزمایش ها و فرض ها روی این پرسش متمرکز بودند که آیا امواجِ سیمیِ شناخته شده، با امواج الکتریکی در فضا از نظر سرعت یکسان هستند یا خیر. هرتس برای روشن کردن این مطلب یک دستگاه نمایشگر ابداع کرد که وجود نوسان ها در محیط را آشکار می کرد. این وسیله چیزی نبود بجز یک سیم حلقه شده به قطر 30 سانتی متر که روی یک شکاف جرقه ی کوچک نصب می شد. هر گاه این حلقه توسط میدان های الکترومغناتیسی به نوسان الکتریکی درمی آمد، در آن ولتاژی ظاهر می شد که نهایتاً به جرقه زدن در فاصله ی جرقه منجر می گردید. هرتس این وسیله ی نشان دهنده را «رزوناتور» یا «تشدیدگر» نامید. او از این وسیله برای اندازه گیری شدت نوسان های الکتریکی نیز استفاده نمود.

هرتس در آغاز کارش موفق شد ابتدا انتشار نوسان های الکترومغناتیسی را در فاصله ای تا 10 متر به اثبات برساند.

در خصوص آنچه که به سرعت این امواج مربوط می شد باید گفت که در اوایل کار، پدیده ی ناآشنای انعکاس امواج از دیوارهای آزمایشگاه، هرتس را به نتایج غلطی سوق داد و به این نتیجه ی اشتباه رسید که گویا سرعت این امواج با سرعت نور تفاوت دارد.

.

هرتس به اشتباه خود پی می برد

چندی نمی گذرد که هرتس به اشتباه خود پی می برد و تلاشی را برای اندازه گیری طول موج با استفاده از این پدیده آغاز می کند. اما برای انجام این آزمایش به فضای بزرگ تری نیاز داشت. از این رو به درخواست او سالن تدریس بزرگ او (با 15 متر پهنا، 14 متر درازا، و 6 متر ارتفاع سقف) بازسازی می شود و لوله های مزاحم گاز برداشته می شوند. روی یکی از وجوه این سالن صفحه ی بزرگی از جنس روی به عنوان بازتابنده نصب می شود. به دستور او روی صندلی های سالن الوارهایی قرار داده می شوند تا او بتواند در طول آنها قدم بردارد.

پس از این که نوسانگر در سمت دیگر سالن به کار انداخته می شد، هرتس با رزوناتورش طول الوارها را آهسته می پیمود و جاهایی را که جرقه ها روی رزوناتور پیدا می شدند و جاهایی که از جرقه زدن خبری نبود، به عبارت دیگر جاهایی را که انرژی منتشر شده از فرستنده و بازتاب یافته از صفحه ی روی دیوار یکدیگر را خنثی و حذف می کردند، پیدا می کرد. به این وسیله تعیین طول موج ممکن می شد. اولین طول موجی را که او اندازه گیری کرد 9 متر بود. همزمان دریافت که این امواج با سرعت نور منتشر می شوند.

.

دستگاه های اصلی هاینریش هرتس. بالا: انواع رزوناتورها برای امتحان امواج الکتریکی در محیط، پایین: نوسانگر بزرگ (موج دهنده)

.

در نتیجه ی این آزمایش ها، برای هرتس قطعیت نظریه ی ماکسول به اثبات رسید. اما برای این که این امر به نحو قانع کننده ای در ناظر اثر کند، تصمیم به انجام تجربیات دیداری (اپتیکی)، به عنوان مثال با استفاده از نورافکن، گرفت. این نمایش ها با استفاده از یک آینه ی مقعر پارابولیک فلزی با دهانه ی 1/2 متری و در ارتفاع 2 متری صورت گرفت، به این صورت که در کانون این آینه نوسانگر را قرار داد. در بادی امر موفقیتی به دست نیامد. زیرا امواج، خود را مانند پرتو نوری که در آینه ی مقعر دسته می شوند و از دهانه ی آن در مسیر مستقیم بیرون می زنند، منتشر نمی کردند، بلکه به صورت دلخواه در تمام جهات پخش می شدند. هرتس علت این موضوع را فهمید: بازتابنده برای طول موجِ به کار رفته خیلی کوچک بود. بازتابنده ی مناسب بایستی ده برابر بزرگ تر باشد. ساخت چنین بازتابنده ی عظیمی، اما، ممکن نبود، بنابراین هرتس با کم کردن طول موج نوسانگر به حدود 60 سانتی متر و قرار دادن یک رزوناتور در کانون بازتابنده ی مشابه دیگری، پروژه ی خود را تکمیل کرد.

.

آینه های مقعر از جنس ورق روی. چپ: با نوسانگر، و راست: با رزوناتور روی کانون آنها. از این بازتاب دهنده ها هرتس برای بررسی  همسانی ویژگی های نور و امواج الکتریکی استفاده می کرد.

.

نظریه ی ماکسول به طرز درخشانی تایید شد

به این ترتیب، هرتس درستی نهایی و قطعی این امر را که قوانین اپتیک برای امواج الکتریکی هم معتبر هستند، و این که امواج تولیدشده رفتاری همانند نور پلاریزه شده دارند، به اثبات رساند.

آزمایش های بعدی، و از جمله آزمایش با یک توری مسدودکننده، ساخته شده از سیم های موازی، برای اثبات پلاریزه بودن امواج الکتریکی و همچنین محاسبه ی امواج، چه آنالوگ مانند نور و چه به کمک منشوری از قیرِ سفت به وزن 600 کیلوگرم، به نحو تاثیرگزاری یکسانی ماهوی امواج الکتریکی و نور را به اثبات رساندند.

دنیای دانش این نتایج را فوراً پذیرا شد. هرتس هم با انتشار مقالات و ایراد سخنرانی ها سهم خود را در عمومیت پیداکردن یافته هایش ادا نمود. او همواره در سخنان اش عبارت «انتشار نیروی الکتریسیته» را به کار می برد.

همه ی این تلاش ها، اما، برای هرتس در حکم مانعی هم بود. می توان با اطمینان گفت که به زبان امروزین، بر روی اهمیت اقتصادی و تجاری این کشف ها هیچ فکری نشده بود. مشخص است که هرتس، به عنوان یک دانشمند، به طور کامل از دنیای تجارت و اقتصاد دور بوده است. علایق او در عرصه های دیگری بودند. او آثار باارزشی در خصوص الکترودینامیک اجسام ساکن و متحرک نگاشت که مسیر اینشتین را به سوی نظریه ی نسبیت آماده کرد، او به مطالعه ی نفوذ پرتوهای کاتودی در مواد پرداخت، مشغول تعیین یک نوع درجه بندی سختی برای مصارف کانی شناسی شد، طرح آمپرسنجی با استفاده از داغ شدن سیمی که انبساط طول آن متناسب با جریان گذرنده اش بود را ریخت، روی تاثیر نورهای فرابنفش بر تخلیه ی الکتریکی کار کرد و...

در سال 1889 هرتس دعوتی به شهر بُن را قبول کرد. استادش، هلم هولتز، پس از این تصمیم برایش نوشت:

.

...دوست گرامی... خیلی متاسفم که به برلین نمی آیید. اما، همان طور که پیش از این نیز به شما گفته ام، اعتقادم بر این است که شما... در انتخاب شهر بن به عنوان مقصد اول، کاملاً درست عمل کرده اید. فردی که هنوز کارهای علمی ناتمام زیادی در برابر خود دارد و مایل به سرانجام رساندن آنهاست، بهتر است که از اقامت در شهرهای بزرگ دوری کند...

از نامه ی هرمان فون هلم هلتز به هاینریش هرتس، دسامبر 1888

.

من ساختمان «کلاوسیوس» را با باغ آن برای اقامتم در بن انتخاب کردم که در آن یک درخت بلوط زیبا نیز وجود دارد... اما یک اشکال کوچک در کار است. از اتاق های این ساختمان تا 4 سال پیش به عنوان کلینیکِ درمانی استفاده می‌شده و علیرغم این که اندود داخلی دیوارها و پوشش کف اتاق‌ها نوسازی شده اند، پزشکان به من اخطار کرده‌اند که این محل برای زندگی یک خانواده‌ی جوان مناسب نیست، زیرا ممکن است هنوز محیط این خانه آلوده باشد...

به این علت به پزشکی که قبلاً در آنجا زندگی می‌کرد مراجعه کردم. او به من گفت... از میکروب‌های باقیمانده نباید ترس زیادی داشته باشم.

از نامه ی هرتس به پدر و مادرش، دسامبر 1888 / ژانویه 1889

.

اینجا اوضاع به حد وصف ناپذیری آرام است.... متأسفانه این بیماری مرا، و به دنبال من الیزابت را به سختی مبتلا کرده است. خدا می‌داند که این حالت زکام چقدر سخت و ناراحت‌کننده است.

از نامه ی هرتس به پدر و مادرش، 1892

.

10 مه. در طول غیبت الیزابت و بچه‌ها، یک تپه‌ی ماسه‌ای بزرگ در باغچه درست کردم و در آن یک غار جادو (برای بازی بچه ها) تعبیه نمودم.

27 ژوییه. مرض زکام بدخیم می‌شود. کار را قطع کردم و درازکشیدم.

برگرفته از یادداشت‌های روزانه هاینریش هرتس- 1892

.

به گفته ی ماکس پلانک، "... بیماری هرتس که ابتدا به عنوان یک کسالت بی‌خطر فرض شده بود،  علیرغم معالجات، به بهبودی منجر نشد، بلکه علایم آن به مرور زمان رو به افزایش نهاد... اما با شروع فصل زمستان... آدم نمی‌خواست، آدم نمی‌توانست احتمال بروز واقعه‌ای بی‌بازگشت را بپذیرد"...

.

29 آگوست. پدر و مادرم در مسیر بازگشت به هامبورگ به بادن آمدند.

6 اکتبر. عمل جراحی بزرگ.

7 اکتبر. دشواری شدید در بلع.

9 اکتبر. درد شدید.

11 اکتبر. دوباره سعی کردم بایستم. تبم شدید است.

برگرفته از یادداشت های روزانه هاینریش هرتس- 1892

.

... متأسفانه از چندی پیش نیرویم به تحلیل رفته است... اما هنوز به روزی امید دارم که بتوانم دوباره خودم را کاملاً متمرکز کنم.

برگرفته از نامه به پدر و مادرش، 1892

.

متأسفانه از خودم نمی‌توانم خبر خوشی بنویسم. حالم اصلاً بهتر نمی‌شود، و تنها موضوعی که شاید تسلا ‌دهنده باشد- اگر بتوان آن را تسلا نامید- این که بنا به تجربه، چنین نوع بیماری‌هایی معمولاً خیلی طولانی می‌شوند...

از نامه به پدر و مادرش، اکتبر 1892

 

19 اکتبر. روز و روزگارم تیره و تار است.

28 اکتبر. غده‌ی پشت گوشم دایماً بزرگ‌تر می‌شود؛ تلاش برای خارج کردن چرک آن بی‌نتیجه ماند.

29 اکتبر. دکتر «والب»، پروفسور «ویتسل» را خبر کرد و عمل جراحی انجام شد. عمل برای شکافتن استخوان پشت گوش در جمجمه بود.

برگرفته از یادداشت‌های روزانه هاینریش هرتس- 1892

.

باید قبول کنید که من به آن گروه از آدم‌ها تعلق دارم... که زندگی کوتاهی را تجربه می‌کنند... این سرنوشت را من برای خودم انتخاب نکرده‌ام و آن را دوست ندارم. اما در برابر سرنوشت بایستی تسلیم شد.

از نامه به پدر و مادرش، دسامبر 1893

.

هاینریش هرتس در یکم ژانویه 1894 بر اثر عفونت خون، احتمالاً ناشی از میکروب‌های کلینیکی که محل زندگیش شده بود، درگذشت. او به هنگام مرگ 36 سال داشت. بعد از او تجربیات و کارهای نظری او توسط مخترعان عملی به کار گرفته شدند.

باید از خود پرسید که هاینریش هرتس چه اثری بر رشد و توسعه ی فیزیک می توانست داشته باشد، اگر در سال 1894 در سن 36 سالگی بر اثر بیماری گوش و حنجره درنگذشته بود. ماکس پلانک در سال 1900 نظریه ی کوانتوم را ارایه کرد، پنج سال بعد نظریه ی نسبیت اینشتین عرضه شد، و در 1913 «نیلز بوهر» مدل اتم هیدروژن را تکمیل کرد.

ممکن بود تاثیر هرتس بر همه ی این کشف ها کم می بود، چرا که او اساساً درسِ صنعتگری خوانده بود. او تجربه گری بود که عملاً آموخته بود و کمتر مردی برای تئوری و نظریه پردازی بود. نباید از یاد برد که او در جوانی به تراشکاری پرداخت و حتی یک بار هم برای مدت کوتاهی در امور ساختمانی مشغول شد.

این که پس از اثبات همسانی طبیعتِ نور و امواج الکتریکی و پیش از همه اثر راه دور آن توسط هرتس، این دانش چه راهی را در پیش گرفت، بر همگان روشن است. مردانی مانند «پوپوف»، «مارکونی»، «اسلبی» (Slaby)، «براون»، «پولزن» (Poulsen) و بسیاری دیگر با تلاش خود موفق شدند از سال های 1895/1897 سنگ بنای چیزی را بگذارند که زندگی بشر امروز را عمیقاً تحت تاثیر خود قرار داده است: رادیو، تلویزیون، و مخابرات.

.

.    

مطالب مرتبط:

قرقره ی رومکُورف، سیم پیچ صاعقه!

بیایید با هم جادوی مخابرات بی سیم را دوباره کشف کنیم!

.

.

منبع:

مجله Funkschau

کتاب Elektrik Universum
.

.

www. etesalkootah.ir ||   2016-02-13 © 

2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.