Год столетия радио и начальные этапы использования радиоволн
В. В. Мигулин
Употребляя термин «радио» и говоря о столетии радио, мы имеем в виду целую совокупность практических систем, использующих электромагнитные волны (ЭМВ), возбуждаемые электрическими колебаниями. Диапазон частот используемых колебаний исключительно широк – от десятков до 1012 колебаний в секунду. Соответственно и длина волн может лежать в пределах от тысяч километров до долей миллиметров. Совершенно закономерно единица частоты – одно колебание в секунду – один герц – носит имя великого немецкого ученого Генриха Герца, впервые показавшего возможность возбуждения и излучения электромагнитных волн, называемых ныне «радиоволнами». Соответствующий раздел техники мы называем «радиотехникой», а также говорим о радиоэлектронике, понимая под этим термином всю совокупность знаний о путях создания и применении разнообразных устройств с вакуумными, газоразрядными и полупроводниковыми приборами, всевозможными деталями соответствующих схем, действующих посредством электрических колебаний, как ничтожных по величине – в радиоприемных устройствах, так и больших мощностей – в передающих установках дальней радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радиоуправления и других отраслей, входящих ныне в понятие «радио».
Столетие этого крупнейшего и важнейшего, непрерывно развивающегося раздела техники – повод вспомнить об условиях его зарождения и представить себе, каким путем шло его формирование.
Все достижения радиоэлектроники двадцатого века берут свое начало в работах ученых и инженеров прошлого столетия. Объявление 1995-го года юбилейным обусловлено тем, что в 1895 г. Александр Степанович Попов в своей знаменитой лекции в Русском физико-химическом обществе 7 мая (нов. ст.) продемонстрировал в действии первое радиотехническое устройство – приемник электромагнитных сигналов, показав тем самым возможность их практического использования. Такой приемник с автоматической регистрирующей системой в том же году был применен А. С. Поповым для регистрации природных электромагнитных излучений грозовых разрядов.
В том же 1895 г. в Италии начал свою плодотворную деятельность Гульельмо Маркони. Создав аналогичное устройство, он применил его для приема посылок электромагнитных волн, передаваемых кодом Морзе.
И А. С. Попов и Г. Маркони в своих первых работах в качестве источника электромагнитного излучения использовали искровой «вибратор Герца» – устройство, созданное Герцем при осуществлении им ставших классическими экспериментов, доказавших реальность существования предсказанных Дж. Максвеллом электромагнитных волн, идентичных по своей природе световым.
Теория Максвелла, обобщавшая исследования М. Фарадея, была опубликована в 1873 г., а экспериментально ее подтвердил Герц в 1888 г. А вот 1895 год мы имеем все основания считать годом, когда началось практическое использование электромагнитных волн – герцевых волн, как, их тогда называли, – годом зарождения радиотехники.
Говоря об истории радиотехники и, в первую очередь, радиосвязи, которая началась с работ А. С. Попова и Г. Маркони, необходимо также упомянуть об их предшественниках: Э. Бранли (Франция), изучавшего эффект резкого изменения проводимости металлических порошков при воздействии па них электромагнитного излучения, и О.
О. Лодж провел также ряд экспериментов с излучением и приемом «волн Герца», и его лабораторные устройства были непосредственными предшественниками приемников Попова и Маркони. Уже в 1896 г. начались работы по выяснению возможной дальности действия систем телеграфной связи, основанных на использовании электромагнитных волн – систем «беспроволочной (или беспроводной) телеграфии», как их тогда называли. Естественно, что в первую очередь этой проблемой заинтересовался флот и в меньшей степени сухопутные ведомства, в распоряжении которых была успешно действующая система проводной связи. Термины «радиосвязь» и вообще «радио» появились лишь в начале двадцатого века, после проведения в 1903 г. первой международной конференции по «беспроволочному телеграфированию».
В процессе разработки систем радиосвязи их создатели, при переходе от лабораторных опытов к практическим системам, стали использовать радиоволны уже не метрового диапазона, как было у Герца и в первых опытах Попова и Маркони, а существенно более длинные. Это было совершенно естественным, так как вместо прямого излучения «вибратора Герца» стали применять антенные системы, подключаемые к искровому разряднику, и эти колебательные системы возбуждались соответственно на гораздо более низких частотах. Кроме того, учитывались представления о том, что распространение радиоволн за горизонт происходит за счет рефракции и более длинные радиоволны будут легче огибать кривизну земной поверхности. По этим причинам на создаваемых линиях радиосвязи использовались радиоволны длиной в сотни, а затем и в тысячи метров.
В развитии техники радиосвязи можно выделить ряд его этапов. Первый, начальный, этап характеризуется применением искрового возбуждения колебаний в излучающей системе «антенна – земля» и приемника с когерером.
Этот этап продолжался примерно до 1899 г. и позволил осуществить радиосвязь на дистанциях, измеряемых десятками километров. В 1899 г. открытие П. М. Рыбкиным и Д. С. Троицким явления прямого детектирования принимаемых радиосигналов, с возможностью их регистрации на слух при помощи телефонной трубки, радикально изменило технику радиоприема и позволило резко увеличить дальность радиосвязи. Однако утратилась возможность автоматической записи принимаемых радиосигналов, которая была реализована А. С. Поповым в его приемнике и грозоотметчике при использовании когерера с релейным устройством. Повсеместно радиосигналы, передаваемые кодом Морзе, стали приниматься операторами на слух. В технике беспроволочной телеграфии наступила эра искровых передатчиков и «телефонных» приемников.
Создание больших антенных сооружений, применение мощных искровых передающих устройств и «телефонных» приемников позволили в первые годы двадцатого века осуществлять телеграфную радиосвязь на расстояниях, измеряемых тысячами километров.
В первых конструкциях практически не использовались колебательные свойства цепей приемников, и лишь в ходе дальнейшего изучения колебательных процессов в передающих и приемных устройствах были найдены пути эффективного применения резонансных свойств колебательных цепей. Работы немецкого физика К.
Брауна внесли исчерпывающую ясность в понимание колебательных процессов в системах искровой радиотелеграфии, а его исследования детектирования в контактных детекторах и предложенные им кристаллические детекторы позволили до предела реализовать возможности искровой радиотелеграфии.
Эти достижения послужили основанием для присуждения в 1909 г. Нобелевской премии К. Брауну (Германия) и Г. Маркони; были учтены заслуги Маркони в практических применениях электромагнитных волн для связи. К этому времени А. С. Попова уже не было в живых. Он скоропостижно скончался 13 января 1906 г. С 1901 г. он был профессором Санкт-Петербургского электротехнического института, а в 1905 г. стал первым избранным его директором.
Уже в первом десятилетии нашего века радиотелеграфные линии связали между собой все континенты. Радиосвязь становилась повседневной на флоте и в сухопутных применениях. Учрежденная в 1897 г. английская компания «Маркони и К°», немецкая компания «Телефункен», созданная в 1903 г.
Увеличение мощностей передающих искровых радиостанций до десятков и даже сотен киловатт потребовало создания многих новых устройств для повышения эффективности работы искровых разрядников и управления (манипуляции) ею. Разрядники М. Вина (Германия), вращающиеся разрядники и другие конструкции представляли собой сложные устройства значительных габаритов, с системами охлаждения и энергопитания, а гигантские антенные сооружения были плодом трудов ученых, конструкторов и строителей высочайшего класса.
Однако становилось все более ясным, что следует искать новые пути для эффективной генерации и приема радиоволн. Эра искровой телеграфии заканчивалась. К концу первого десятилетия двадцатого века пришли к выводу, что возможности использования последовательностей быстро затухающих посылок радиоволн исчерпаны и надо переходить к генерации и управляемому излучению незатухающих колебаний и волн.
Практические успехи дальней радиосвязи вызвали к жизни исследования, связанные с механизмом распространения электромагнитных волн. Теоретические исследования немецкими физиками И. Ценнеком, А. Зоммерфельдом и др. процессов распространения радиоволн вдоль земной поверхности не давали исчерпывающих объяснений механизма их дальнего распространения. Высказанная в 1902 г., после установления трансатлантической радиосвязи, независимо А. Кеннеди (США) и О. Хевисайдом (Англия), гипотеза о существовании в верхней атмосфере ионизированных областей (позднее названных «ионосферой»), способствующих огибанию радиоволнами кривизны земной поверхности, повлекла за собой многочисленные исследования. Но их результаты в то время не были приняты в качестве бесспорных; большинство специалистов считало, что без убедительных доказательств реальности существования ионизированных слоев в атмосфере на высотах в сотни километров нет необходимости учета их влияния на распространение радиоволн на большие расстояния.
Лишь в двадцатых – тридцатых годах сформировались представления о свойствах и структуре атмосферы на больших высотах, об областях с повышенной электропроводностью и их определяющем влиянии на процессы распространения радиоволн различных диапазонов. В первые же десятилетия существования радиосвязи лишь эксперименты и практика работы создаваемых линий давали необходимые сведения о возможностях радиотехники; господствовало убеждение, что только длинные волны, гигантские антенны и большие мощности могут обеспечить надежную дальнюю радиосвязь.
Использование малоэффективных систем искровой радиотелеграфии при широком распространении радиостанций привело к большим трудностям, связанным со взаимными помехами, и сделало особенно актуальным переход к незатухающим колебаниям и волнам.
В результате исследований и технических разработок было предложено несколько путей решения проблемы возбуждения незатухающих электрических колебаний.
Этап искровой радиотелеграфии заканчивался.
В конце первого – начале второго десятилетий наступило время активного внедрения незатухающих колебаний. Появление электровакуумных приборов – диодов Д. Флеминга, триодов Ли де Фореста (США) – позволило в это же время создать практически новую технику радиоприема, с ламповым детектированием и последующим усилением принимаемых сигналов.
Возможность получения электрических колебаний с помощью дугового разряда была открыта Н. Тесла (США) в 1893 г. Работы В. Дудделя (Англия) в 1900 г. показали пути использования дугового разряда для генерации незатухающих колебаний. Дуговые генераторы радиочастотных колебаний системы В. Дудделя были затем усовершенствованы В. Паульсеном (Дания) и получили широкое распространение на мощных радиостанциях многих стран. Это первый тип генераторов, использованных для радиосвязи с незатухающими колебаниями; было создано много модификаций дуговых генераторов, работавших на частотах до нескольких сотен килогерц. Относительно высокий, по сравнению с искровыми, КПД дуговых генераторов делал их применение особенно привлекательным на мощных радиостанциях дальних радиосвязей.
Мощные дуговые генераторы были громоздкими сооружениями, с большим электромагнитом, системой электропитания и охлаждения, а также сложной системой модуляции излучения. Дело в том, что для эффективной работы дуговых генераторов требовалось очень жестко поддерживать оптимальный режим горения дуги и осуществлять модуляцию, не нарушая нормального режима непрерывной генерации незатухающих колебаний.
Другой путь вырабатывания незатухающих колебаний был найден с созданием электромашинных генераторов, способных генерировать токи достаточно высокой частоты, для их использования в радиостанциях. Американский конструктор Р. Фессенден создал ряд машин на частотах до 100 кГц, с мощностями от единиц до десятков киловатт (1906-1910 гг). В 1911 г. Э. Андерсоном (США) также были разработаны машины, генерирующие токи с частотами, допускающими прямое использование машин в радиопередающих устройствах. Однако в дальнейшем оказалось более целесообразным применять машинные генераторы, работающие на несколько более низких частотах, с последующим умножением частоты.
Большой вклад в создание мощных высокочастотных машинных генераторов в России был сделан В. П. Вологдиным, создавшим ряд генераторов на мощности от 2 кВт (1912 г.) до 150 кВт (1925 г.), успешно работавших на отечественных радиостанциях в комплексе со статическими умножителями частоты.
В применявшихся умножителях частоты использовались нелинейные характеристики катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками, которые в определенном режиме, при соответствующей настройке резонансных цепей и компенсации токов первичной частоты, позволяли получать при сравнительно малых потерях двух- или трехкратное умножение частоты в каждом звене такого умножителя. Подобные статические умножители частоты разрабатывались, начиная с 1902 г. (И. Эпштейн, Германия), в 1910 г. (М. Жоли, Франция) был разработан ряд вариантов подобных устройств. В 1916 г. М. В. Шулейкин создал утроители частоты, которые совместно с машинами Вологдина успешно работали на ряде радиостанций России. По сравнению с дуговыми передатчиками радиостанции с машинами высокой частоты обладали рядом преимуществ.
Они имели более высокий КПД, большие стабильность частоты, устойчивость и надежность в работе.
Но ни дуговые ни электромашинные устройства не могли удовлетворить всем требованиям, которые развивающаяся радиотехника предъявляла к генераторам радиочастот. Это привело в дальнейшем к переходу всей радиотехники на использование электровакуумных приборов, хотя на ряде мощных радиостанций дуговые и машинные передатчики действовали вплоть до тридцатых годов.
Когда в 1913 г. А. Мейснер (Германия) запатентовал идею положительной обратной связи для самовозбуждающегося лампового генератора и осуществил телефонную радиосвязь между Науеном и Берлином, очень многие специалисты были убеждены, что ламповые передатчики пригодны только для местных радиосвязей и создание ламповых станций большой мощности практически нереально. Развитие передающих устройств зависело теперь от успехов электровакуумной техники, так как получение необходимых мощностей генерируемых колебаний требовало создания электронных ламп специфического класса – генераторных радиоламп.
Для них характерна большая эмиссия катода, выделение значительных мощностей на аноде, и поэтому следовало обеспечить отвод от анода лампы большого количества тепла, при сохранении ее усилительных свойств. Решение технологических задач в электровакуумном производстве стало определяющим для развития радиотехники в конце второго и начале третьего десятилетий.
Совершенствование производства высоковакуумных радиоламп позволило существенно улучшить радиоприемную технику. Введение регенерации, использование местных гетеродинов для преобразования частоты и ряд других схемных решений дали возможность создавать высокочувствительные приемные устройства с заданными частотными параметрами. Переход от приемников с прямым усилением к регенеративным, сверхрегенеративным и позднее к супергетеродинным дал в руки радиоспециалистов способ создавать радиоприемные устройства различного назначения с предельной чувствительностью и селективностью, что и реализовалось в двадцатые – тридцатые годы.
В конце второго десятилетия, в разгар первой мировой войны, в России, на Тверской приемной радиостанции, М.
А. Бонч-Бруевич и В. М. Лещинский организовали полукустарное производство приемно-усилительных радиоламп, которые использовались на радиостанциях взамен выходящих из строя французских, ставших во время войны дефицитными. Позднее, после создания в 1918 г. Нижегородской радиолаборатории, под руководством М. А. Бонч-Бруевича серийно выпускался триод ПР-I, сыгравший большую роль в развитии радиоприемной техники в России. В дальнейшем производство приемных радиоламп было налажено на электровакуумных заводах в Ленинграде и Москве.
Первые в России генераторные лампы были созданы Н. Д. Папалекси в 1914 г. и позволяли получать мощности до 100 Вт. Они выпускались в небольшом количестве в Петрограде. В 1916 г. Папалекси впервые применил в электровакуумном производстве высокочастотный индукционный прогрев электродов в лампе для их обезгаживания при откачке.
В Нижегородской радиолаборатории под руководством М. А. Бонч-Бруевича была выпущена серия мощных генераторных ламп с водяным охлаждением анода, на мощности, измеряемые киловаттами.
В 1923 г. там же была создана лампа мощностью 25 кВт, а в 1924 г. – генераторная лампа на 100 кВт. Эти лампы не имели аналогов в мировой технике. Их разработка и производство позволили сооружать в СССР в двадцатые – тридцатые годы самые мощные в мире ламповые радиостанции для связи и вещания. Советские ученые М. В. Бонч-Бруевич, А. И. Берг, А. Л. Минц, их ученики и последователи глубоко и всесторонне изучили процессы, происходящие в ламповых генераторах, и создали теорию и методы расчета радиопередающих устройств.
Начало двадцатых годов связано с двумя существенными обстоятельствами: во-первых, это широкое использование радиотелефонии как средства массовой информации. Широковещательные радиостанции, как их тогда называли, были построены во всех крупных городах СССР и во всем мире. В дальнейшем термин «широковещание» был заменен термином «радиовещание». Второе обстоятельство – это выявление возможностей коротких радиоволн (длиной 100…10 м) для дальних радиосвязей. В конце второго – третьего десятилетия стало появляться все больше сообщений об установлении радиосвязи на расстояния в многие тысячи километров при мощностях передатчиков, измеряемых единицами или немногими десятками ватт, на волнах короче 100 м – декаметровых радиоволнах.
Развернулись исследования условий их распространения, свойств ионизированных слоев в верхней атмосфере. Теоретические соображения А. Кеннеди и О. Хевисайда о существовании ионосферы в 1925 г. были подтверждены экспериментами Э. Эпплтона и М. Барнета (Англия) в области интерференции земных радиоволн и волн, отразившихся от ионосферы, а также прямыми измерениями импульсным методом, проведенными Г. Брейтом и М. Тьювом (Англия), высот и других характеристик слоев ионосферы. У нас первые теоретические исследования условий распространения радиоволн в ионизированном газе были выполнены М. В. Шулейкиным в 1922 г. и получили дальнейшее развитие в работах Д. А. Рожанского, A. M. Щукина, Л. А. Жекулина и др.
Все эти обстоятельства привели к тому, что диапазон длин радиоволн, используемых в практических целях, существенно расширился, и двадцатые годы нашего столетия стали годами не только перехода к эре ламповой радиотехники, но и освоения коротких радиоволн в совокупности с интенсивным изучением ионосферы.
Дальнейшее сколь-нибудь обстоятельное изложение хода развития радио вообще и его подотраслей – радиосвязи, радиовещания, телевидения и др. в рамках одной статьи невозможно. Представлялось важным дать по возможности беспристрастный и краткий очерк истории радиотехники на начальных этапах ее возникновения, показать, как из совокупности физических понятий, накопленных знаний о ходе природных и искусственно воспроизводимых явлений выкристаллизовались четкие представления о возможности практического использования электромагнитных волн радиодиапазона. При этом, естественно, выявляется время, когда на базе научных исследований рождается новый раздел техники, который развивается далее по своим законам, отличным от тех, по которым развивались научные исследования, в соответствии с запросами практики, вбирая в себя известные в каждый данный момент и непрерывно пополняемые научные сведения.
Именно так в 1895 году произошло рождение новой отрасли техники – радиотехники, а затем и всех, возникших в ходе ее дальнейшего развития ответвлений, которые мы ныне объединяем понятием «Радио».
Литература
- Очерки истории техники в России (1861-1917). – М.: Наука, 1975. – с. 177 – 197.
- Родионов В. М. Зарождение радиотехники. – М.: Наука, 1985.
- Мигулин В. В. Истоки практической радиосвязи // Радио. – 1993. – № 5.
- Мигулин В. В. Зарождение радио и первые шаги радиотехники. – Сб. «100 лет радио». Под ред. В. В. Мигулина и А. В. Гороховского. – М.: Радио и связь, 1995. Готовится к печати.
Статья опубликована в журнале «Электросвязь» №1, 1995 г., стр. 3.
Перепечатывается с разрешения редакции.
История открытия электромагнитных волн
Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация.
Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.
Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году). Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии.
Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью.
Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.
Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду…»
Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений.
Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.
| ∇E = 4πρ | Закон Кулона |
| ∇B = 0& | магнитные заряды не существуют в природе |
| [∇E] = –1/c(δB/δt) | закон Фарадея |
| [∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt) | Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части) |
| F = q(E+ [(v/c)×B]) | Сила Лоренца |
Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал).
А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах. К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах. А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости. Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.
Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников.
Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.
К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т.
д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.
Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.
Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».
Далее: Великое объединение
Попов или Маркони? Кратчайшая история радио до наших дней
Шаг первый: уравнения и опыты
История радио началась, когда Александру Попову было шесть лет, а его визави Гульельмо Маркони даже не родился.
В 1865 году один из величайших физиков XIX века Джеймс Максвелл опубликовал статью «Динамическая теория электромагнитного поля», где математически описал электрическое и магнитное поля. Его уравнения указывали на то, что свет представляет собой колебания электромагнитного поля и что могут существовать другие электромагнитные волны, невидимые глазу.
Описание
«Александр Попов с женой Раисой Алексеевной, 1883 год». Экспонат выставки «Семейный альбом» в Военно-историческом музее Санкт-Петербурга, 2009 год
© Вадим Жернов/ТАСС
На то, чтобы обнаружить такие волны, ушло еще 20 лет. В 1880-х годах Генрих Герц сумел получить их с помощью электрического разряда. Немец доказал, что эти волны отражаются от разных поверхностей и преломляются при прохождении через призму из битума, непрозрачную для видимого света.
Сообщения об опытах Герца подстегнули интерес ученых по всему миру. В августе 1894 года британец Оливер Лодж прочел лекцию о радиоволнах, где среди прочих опытов продемонстрировал, как они передаются на расстояние примерно полсотни метров.
Но Лодж скорее развивал эксперименты по обнаружению радиоволн, чем целенаправленно разрабатывал новое средство связи. Физики могли фиксировать волны на все большем расстоянии, но до Попова и Маркони дальность не превышала сотни метров. Для практического применения этого было мало.
На эту тему
7 мая 1895 года Александр Попов представил прибор для регистрации электромагнитных всплесков при грозовых разрядах, а спустя год, 24 марта 1896-го, продемонстрировал передачу радиосообщения из одного здания в другое. Гульельмо Маркони тоже сконструировал сначала «разрядоотметчик», а затем и радиотелеграф, причем еще в 1894–1895 годах, но свои передатчик и приемник показал публике только в сентябре 1896-го. Сделал он это не на родине, а в Великобритании: итальянское министерство телеграфа и почты работой 20-летнего изобретателя не заинтересовалось.
Можно сказать, что и Попов, и Маркони изобрели радиопередачу независимо друг от друга, опираясь на эксперименты Герца, а тот, в свою очередь, использовал созданную Максвеллом теорию.
Так 1896 год стал годом рождения радио. Посылать в эфир голос с музыкой тогда еще не умели — можно было лишь зафиксировать, что неподалеку излучались радиоволны. Сигнал передавали азбукой Морзе, попеременно включая и выключая передатчики. Ими служили так называемые разрядники: они создавали радиоволны, если между двумя контактами пропускали искру. Разрядники оказались тупиковой ветвью технической эволюции: эти сложные громоздкие установки потребляли очень много энергии и вдобавок испускали сигналы сразу по всему радиодиапазону, мешая друг другу. По сути, первое радио было беспроводным телеграфом, к тому же неудобным.
Шаг второй: теплый ламповый звук
Сама по себе волна, если ее частота и амплитуда постоянны, не несет никакой информации сверх простого «передатчик включен». Поэтому для передачи звука или других данных сигнал нужно модулировать, то есть изменять волну во времени. Аппараты Попова и Маркони не позволяли это сделать.
© Валентин Кунов/ТАСС
Чтобы повлиять на частоту или амплитуду волны, нужны детали, способные менять протекающий через них ток в ответ на слабый электрический сигнал.
Этими элементами стали радиолампы — стеклянные баллончики с откачанным воздухом и впаянными металлическими частями вроде тех, что уже использовались для освещения.
На эту тему
Несмотря на хрупкость, ненадежность и нагрев во время работы, лампы позволили создать «полноценное» радио и еще множество других полезных изобретений: от радиоуправляемой техники (первая попытка создать беспилотный самолет была предпринята еще в Первую мировую войну) до телевидения и радаров. Радио пришло даже в кухонную технику — еда в микроволновых печах разогревается именно так.
Теория Максвелла и опыты Герца позволили передавать сигнал без проводов, сквозь непрозрачные препятствия и на многие сотни километров. Изобретение радиоламп и развитие электроники сделало возможным передачу сначала звука, потом изображения — и радио появилось в каждом доме. Следующей революцией был переход к «цифре» на замену аналоговой технике.
Шаг третий: числа и компьютеры
Третья революция, как когда-то — работы Джеймса Максвелла, тоже была связана с математикой.
Но цифровой скачок в XX веке начался не с построения теории об устройстве материи, а с нудных арифметических расчетов.
Ко времени между мировыми войнами наука и техника развились настолько, что большинству квалифицированных кадров постоянно приходилось что-то считать. Бухгалтеры сводили баланс, инженеры рассчитывали прочность конструкций, государственные служащие вели учет, а ученым нужно было обрабатывать результаты экспериментов. С началом новой войны специалистам пришлось взламывать вражеские шифры и вести расчеты для создания ядерного оружия. Всем им нужна была универсальная и быстрая вычислительная машина.
Первые такие агрегаты делали механическими, но вскоре инженеры нашли решение куда удачнее. Если морзянка кодирует буквы, то схожие сигналы можно использовать и для цифр. Электрические импульсы, несущие сигнал, распространяются со скоростью света, поэтому операции с ними занимают ничтожные доли секунды. Кодирование чисел электрическими сигналами и создание электронных схем для обработки и хранения таких сигналов позволили создать универсальный вычислитель.
По-английски «вычислять» будет to compute. Устройство так и назвали — компьютер.
Описание
Гульельмо Маркони
© Henry Guttmann Collection/Hulton Archive/Getty Images
Вскоре стало понятно, что серия электрических импульсов может кодировать не только числа, но и те же буквы, что можно взять картинку или звук и превратить их в последовательность сигналов. Универсальность компьютера позволяла не просто вести инженерные или бухгалтерские расчеты, но и выполнять любую программу — в теории, делать с любой информацией все, что угодно. Вот только радиолампы, несмотря на все ухищрения инженеров, продолжали греться и перегорать, поэтому собрать компьютер было весьма трудоемкой задачей.
Шаг четвертый: полупроводники
Проблему решили с помощью полупроводниковых транзисторов. Подобно радиолампам, транзисторы меняли проходящий ток под действием слабого сигнала, но потребляли меньше энергии и занимали меньше места.
В современных микросхемах размером с ноготь бывает несколько миллиардов транзисторов, которые безотказно работают десятки лет.
На эту тему
Мечта о массовом распространении компьютеров постепенно стала реальностью. Сделать устройство, которое прослушивает радиоэфир и вылавливает из него сотни миллионов импульсов в секунду? Запросто. Добиться того, чтобы эти импульсы на лету превращались в поток чисел, который затем обсчитывают сложные программы? Смешная задача для современной электроники. Превратить эти числа в серию команд для нескольких миллионов других устройств попроще? Легко! Предусмотреть, чтобы то же самое устройство умело хранить в памяти текст нескольких тысяч толстых книг, умело обрабатывать сигналы с обычных радиостанций, а еще одновременно вело сложные геодезические расчеты? И чтобы работало от карманной батарейки? Элементарно.
Все это делает любой смартфон. Серию радиоимпульсов из сети Wi-Fi или от вышки мобильной связи он превращает в видео на экране, состоящем по меньшей мере из миллиона (1280*768) точек.
У каждой из них есть три отдельных элемента для разных цветов. Больше половины наших читателей просмотрят этот текст с мобильного устройства — следовательно, воспользуются радиосвязью.
Те же принципы лежат в основе спутникового интернета и навигации, цифрового телевидения, беспилотников. Бесконтактные банковские карты, проездные билеты, электронные пропуска тоже отчасти повторяют опыты Герца с передачей сигнала без проводов между близко расположенными антеннами. И даже магнитно-резонансный томограф просвечивает тело не рентгеновскими лучами, а радиоволнами, и построение самой томограммы немыслимо без цифровых методов. Все это было бы невозможно без громоздких грозоотметчиков и аппарата, отбивающего морзянку в воздух, и их изобретателя Александра Попова.
Алексей Тимошенко
Формула открытия / Наука / Независимая газета
Неизвестные ранее объективно существующие закономерности, которые изменили нашу жизнь
В основе промышленного синтеза искусственных алмазов во всех странах лежат теоретические результаты, полученные О.
И. Лейпунским. Фото Reuters
Нередко люди отождествляют изобретения и открытия. Однако в действительности эти категории результатов творческой мысли имеют принципиальные отличия. С изобретением все достаточно просто. Всем технарям известно: изобретение – это новое и обладающее существенными отличиями техническое решение задачи в любой области народного хозяйства, социально-культурного строительства или обороны, дающее положительный эффект. Что же касается открытий, то их официальный учет и само это понятие имеют свою историю.
В 1947 году по приказу И.В. Сталина был учрежден Государственный реестр научных открытий в СССР. Долгое время реестр почти не пополнялся из-за разногласий в определении терминов «открытие» и «изобретение». Только в 1955 году специальная комиссия при Комитете научно-технической терминологии Академии наук СССР выработала точную формулировку: «Научное открытие – это установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания».
Первое открытие в СССР было зарегистрировано 26 июня 1957 года с приоритетом от 15 марта 1947 года. За последующие годы было зарегистрировано более 400 открытий, при этом количество заявок превысило 12 тыс. Некоторые открытия отечественных ученых легли в основу изобретений и дали начало новым направлениям в технике и других отраслях. Система государственной регистрации открытий перестала фактически действовать после юридического разделения СССР в 1991 году. Сейчас регистрацию открытий в России ведет РАЕН – Российская академия естественных наук.
Рассмотрим несколько примеров открытий.
Научное открытие № 1 «Эффект Кабанова (загоризонтная радиолокация)», приоритет от 15 марта 1947 года.
Формула открытия: «Радиоволны, отраженные от ионосферы, при падении на землю частично рассеиваются ее поверхностью, причем некоторая доля рассеянной энергии возвращается к источнику излучения, где и может быть зарегистрирована».
Профессор, доктор технических наук Н.
И. Кабанов (Новосибирский электротехнический институт) открыл явление дальнего коротковолнового рассеяния радиоволн отдельными элементами поверхности Земли. До этого считалось, что для целей связи наиболее приемлемы длинные волны. Теперь радиосвязь на коротких волнах пронизывает весь мир.
Научное открытие № 12 «Явление усиления электромагнитных волн (когерентное излучение)», приоритет от 18 июня 1951 года.
Формула открытия: «Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии».
Авторы: доктор физико-математических наук В.А. Фабрикант (Московский энергетический институт), профессор М.М. Вудынский (Московский автомеханический институт), кандидат технических наук Ф.А. Бутаева (Всесоюзный светотехнический институт).
Открытие № 12 и соответствующие изобретения лежат в основе всех квантовых усилителей и генераторов (10 лет спустя американские физики назвали их мазерами и лазерами) и являются основой квантовой электроники. На его основе создаются новые виды сверхдальней связи, телевидения, сигнализации, хирургические методы и средства автоматики. В каждом компьютере находится малогабаритный лазер, а информация в высокоскоростном Интернете передается с помощью лазерного излучения.
| В СССР к регистрации открытий подходили со всей серьезностью. |
Научное открытие № 24 «Явления генерации радиоволн полупроводниковым диодом», приоритет от 12 октября 1959 года.
Формула открытия: «Установлено неизвестное ранее явление генерации СВЧ-колебаний полупроводниковым диодом с одним р-n переходом при отрицательном напряжении, близком к пробивному, наблюдающееся в области положительного наклона вольт-амперной характеристики диода».
Авторы: А.М. Цебиев, А.С. Тагер, А.И. Мельников, Г.П. Кобельков (ЦНИИ «Электроника»).
Совместно с разработчиками диодов В.М. Вальд-Перловым, А.В. Красиловым, А.Л. Захаровым и И.М. Мартиросовым авторы еще в 1959 году создали образцы миниатюрных экономичных генераторов, усилителей и преобразователей СВЧ-колебаний на лавинно-пролетных диодах (ЛПД). Стало возможно создавать малогабаритные экономичные приемники и передатчики полностью на полупроводниковых элементах. Именно из первых отечественных полупроводниковых приборов выросла индустрия мобильной связи. В США первые ЛПД были созданы только в 1964 году.
Ни один мобильный телефон в мире не обходится без использования физического эффекта, описанного в открытии № 24.
Научное открытие № 101 «Закономерность образования алмазов (создание искусственных алмазов из графита)», приоритет от августа 1939 года.
Формула открытия: «Теоретически установлена неизвестная ранее закономерность кристаллизации (синтеза) алмаза из углерода – образование алмаза в области его стабильности в жидкой среде, растворяющей углерод или вступающей с ним в нестойкие химические соединения, при давлении и температуре выше 1400 градусов Кельвина…»
Автор: доктор физико-математических наук, профессор О.
И. Лейпунский (Институт химической физики АН СССР).
В 1939 году научная статья Лейпунского о перспективах получения искусственных алмазов была опубликована в журнале «Знание – сила». Ознакомившись с ней, приступили к экспериментальным исследованиям специалисты в Швеции и США. Первыми открыли коммерческое производство искусственных алмазов американцы – естественно, без юридического согласования с СССР. После судебных разбирательств вопрос был решен в пользу нашей страны.
В настоящее время в основе промышленного синтеза алмазов во всех странах лежат теоретические результаты, полученные О.И. Лейпунским.
Научное открытие № 122 «Явление межклеточных дистантных электромагнитных взаимодействий в системе двух тканевых культур», приоритет от 15 февраля 1966 года.
Авторы: академик АМН СССР В.П. Казначеев, кандидат биологических наук Л.П. Михайлова (Новосибирский медицинский институт) и кандидат медицинских наук С.П. Шурин (Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР).
Формула открытия: «Экспериментально установлено неизвестное ранее явление дистантных межклеточных электромагнитных взаимодействий между двумя культурами ткани при воздействии на одну из них факторов биологической, химической или физической природы с характерной реакцией другой (интактной) культуры в виде зеркального цитопатического эффекта, что определяет клеточную систему как детектор модуляционных особенностей электромагнитных излучений».
Открытие позволяет с новых позиций подойти к проблеме создания методов диагностики и лечения многих заболеваний.
Эксперименты проводилась по следующей схеме. В двух сосудах из кварцевого стекла выращивались культуры нормальных живых клеток. Одну культуру заражали вирусом. Почти одновременно клетки в другом сосуде, находящиеся лишь в оптическом контакте с зараженными клетками, воспроизводили похожий патологический процесс. Когда кварцевое стекло заменяли обычным, не пропускающим ультрафиолетовое излучение, клетки, зараженные вирусом, гибли, а их соседи нормально делились и развивались.
Таким образом, авторы открытия обнаружили новый информационный канал в биологических системах. Это означало, что по крайней мере в растительном мире существует телепатическая связь. Сенсационный эксперимент демонстрировал по телевидению профессор Сергей Петрович Капица в программе «Очевидное – невероятное».
Российские ученые сделали открытие в области радио- и сейсмоволн
https://ria.ru/20200204/1564222250.html
Российские ученые сделали открытие в области радио- и сейсмоволн
Российские ученые сделали открытие в области радио- и сейсмоволн — РИА Новости, 14.02.2020
Российские ученые сделали открытие в области радио- и сейсмоволн
Российские ученые научились точно предсказывать распространение коротких радиоволн и сейсмоволн между приемо-передающими станциями, сообщили РИА Новости в… РИА Новости, 14.02.2020
2020-02-04T09:18
2020-02-04T09:18
2020-02-14T12:29
наука
калининград
балтийский федеральный университет
навигатор абитуриента
университетская наука
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.
img.ria.ru/images/156346/17/1563461775_0:257:2730:1793_1920x0_80_0_0_af45a336fd9d60ac126142d84b59efe2.jpg
КАЛИНИНГРАД, 4 фев — РИА Новости. Российские ученые научились точно предсказывать распространение коротких радиоволн и сейсмоволн между приемо-передающими станциями, сообщили РИА Новости в Балтийском федеральном университете (БФУ) имени Иммануила Канта.Российские ученые, среди которых сотрудник Калининградского филиала ИЗМИРАН и Института физико-математических наук и информационных технологий БФУ имени Канта в Калининграде Игорь Носиков, создали сложную математическую модель, с помощью которой можно предсказывать распространение радиоволн между приемо-передающими станциями. Результаты исследований опубликованы в авторитетном научном журнале Transactions on Antennas and Propagation. Исследование проводились в Калининградском филиале ИЗМИРАН при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ).»Сегодня короткие волны используются в основном для экстренной и альтернативной связи, которая популярна, например, у военных или у представителей МЧС.
Созданная нами математическая модель, будучи «заложенной» в программное обеспечение генерирующих радиосигнал приборов, позволит быстро и качественно решить многие радиофизические задачи», — сказал Носиков, слова которого приводит пресс-служба вуза.Использовать полученную математическую модель, по его мнению, можно не только в радиофизике, но и, например, в сейсмологии.»Природа радиоволн и сейсмоволн, разумеется, разная, но принцип их распространения идентичен. И если нам известна сила подземного толчка в определенной точке, то мы можем рассчитать, когда волна придет в другую точку, а в дальнейшем и рассчитать, какой разрушительной силой она будет в этой точке обладать», — добавил ученый.По словам Носикова, разработка математической модели распространения коротких радиоволн проводилась в течение пяти лет. Вышедшая статья стала одним из этапов исследований, которое будет продолжаться и дальше.Как рассказали в вузе, короткие волны могут преодолевать огромные расстояния — сотни и даже тысячи километров.
При этом им не нужны передающие станции, поскольку в качестве таковых, по сути, выступает ионосфера — ионизированный слой атмосферы на высоте примерно в сотню километров. Однако и недостаток коротких волн заключается в том, что качество сигнала напрямую зависит от состояния ионосферы, которое во многом определяется солнечной и атмосферной активностью и поэтому довольно изменчиво.
https://ria.ru/20200204/1564114784.html
https://ria.ru/20200203/1564196461.html
калининград
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2020
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/156346/17/1563461775_0:0:2730:2048_1920x0_80_0_0_d8a2784f2742991b258ec984ae0f7569.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
калининград, балтийский федеральный университет, навигатор абитуриента, университетская наука
Наука, Калининград, Балтийский федеральный университет, Навигатор абитуриента, Университетская наука
КАЛИНИНГРАД, 4 фев — РИА Новости.
Российские ученые научились точно предсказывать распространение коротких радиоволн и сейсмоволн между приемо-передающими станциями, сообщили РИА Новости в Балтийском федеральном университете (БФУ) имени Иммануила Канта.
Российские ученые, среди которых сотрудник Калининградского филиала ИЗМИРАН и Института физико-математических наук и информационных технологий БФУ имени Канта в Калининграде Игорь Носиков, создали сложную математическую модель, с помощью которой можно предсказывать распространение радиоволн между приемо-передающими станциями. Результаты исследований опубликованы в авторитетном научном журнале Transactions on Antennas and Propagation. Исследование проводились в Калининградском филиале ИЗМИРАН при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ).
«Сегодня короткие волны используются в основном для экстренной и альтернативной связи, которая популярна, например, у военных или у представителей МЧС. Созданная нами математическая модель, будучи «заложенной» в программное обеспечение генерирующих радиосигнал приборов, позволит быстро и качественно решить многие радиофизические задачи», — сказал Носиков, слова которого приводит пресс-служба вуза.
Использовать полученную математическую модель, по его мнению, можно не только в радиофизике, но и, например, в сейсмологии.
4 февраля 2020, 09:00Наука
Биомиметическая оптика: ученые описали искусственное зрение
«Природа радиоволн и сейсмоволн, разумеется, разная, но принцип их распространения идентичен. И если нам известна сила подземного толчка в определенной точке, то мы можем рассчитать, когда волна придет в другую точку, а в дальнейшем и рассчитать, какой разрушительной силой она будет в этой точке обладать», — добавил ученый.
По словам Носикова, разработка математической модели распространения коротких радиоволн проводилась в течение пяти лет. Вышедшая статья стала одним из этапов исследований, которое будет продолжаться и дальше.
Как рассказали в вузе, короткие волны могут преодолевать огромные расстояния — сотни и даже тысячи километров. При этом им не нужны передающие станции, поскольку в качестве таковых, по сути, выступает ионосфера — ионизированный слой атмосферы на высоте примерно в сотню километров.
Однако и недостаток коротких волн заключается в том, что качество сигнала напрямую зависит от состояния ионосферы, которое во многом определяется солнечной и атмосферной активностью и поэтому довольно изменчиво.
3 февраля 2020, 15:08Наука
Астрономы открыли первые невидимые звезды
Странный быстрый радиовсплеск бросает вызов астрономам
Астрофизика
09.06.2022
360 3 минут чтения
Группа астрономов обнаружила новый, быстрый, высокоактивный и повторяющийся радиовсплеск от компактного источника, который продолжает излучать более тусклый свет между каждым всплеском. Открытие этого всплеска, названного FRB 190520, поднимает новые вопросы о природе этих объектов.
Быстрые радиовсплески (FRB) — это всплески радиоволн длительностью несколько миллисекунд; некоторые из них происходят через регулярные промежутки времени или случайным образом.
Их физическое происхождение до сих пор неизвестно, но в настоящее время предпочтительной причиной считаются магнетары — нейтронные звезды с интенсивным магнитным полем. FRB 190520 произвел всплеск радиоволн 20 мая 2019 года, зафиксированный 500-метровым сферическим радиотелескопом (FAST) на юго-западе Китая.
Последующие наблюдения с помощью Очень большого массива (VLA) показали, что этот источник излучает частые и повторяющиеся всплески радиоволн, между которыми излучение — хотя и более слабое — происходит непрерывно. В период с апреля 2020 года по сентябрь 2020 года за 18,5 часов наблюдений было обнаружено 75 всплесков. Данные также позволили определить местоположение источника: он находится на окраине карликовой галактики, почти в 3 миллиардах световых лет от Земли.
Это всего лишь второй случай, когда эксперты столкнулись с подобным FRB. Первый подобный объект, FRB 121102, был обнаружен в 2014 году благодаря анализу данных, собранных обсерваторией Аресибо, которая зафиксировала эти сигналы в ноябре 2012 года.
Повторение FRB 121102 впервые позволило точно определить местонахождение его источника благодаря VLA (карликовая галактика, расположенная на расстоянии 3 миллиардов световых лет).
Эти два всплеска демонстрируют несколько сходств, включая тот факт, что выбросы из компактной области сохраняются между двумя всплесками. «Мы считаем, что всплеск и источник континуума, скорее всего, являются либо одним и тем же объектом, либо каким-то образом физически связаны друг с другом«, — сказал в 2017 году Бенито Маркоте, астроном из Объединенного института VLBI ERIC, о всплеске FRB 121102.
Различия между FRB 190520 и FRB 121102 и всеми другими известными всплесками подтверждают ранее выдвинутую гипотезу о существовании двух различных типов FRB. «Отличаются ли те, которые повторяются, от тех, которые не повторяются? А как насчет постоянного радиоизлучения — часто ли оно встречается?» — спрашивает Кшитидж Аггарвал с факультета физики и астрономии Университета Западной Вирджинии, соавтор статьи, описывающей FRB 190520.
Чтобы объяснить это различие, астрономы считают, что FRB могут быть произведены двумя разными механизмами, или что объекты, излучающие эти всплески, ведут себя по-разному на разных этапах своей эволюции.
Самый первый FRB был обнаружен в 2007 году (Дунканом Лоримером и Дэвидом Наркевичем), но ученые до сих пор не уверены, какое явление вызывает эти сигналы. Они могут быть произведены нейтронными звездами — в результате взрыва массивной звезды в сверхновую — или магнетарами.
Сегодня быстрые радиовсплески используются для исследования содержания ионизированных барионов в межгалактической среде. Чтобы лучше охарактеризовать эту промежуточную материю, астрономы анализируют ее влияние на радиоволны, излучаемые далекими объектами. В частности, когда радиоволны проходят через пространство, содержащее свободные электроны, высокочастотные волны распространяются быстрее, чем низкочастотные.
Это явление, которое ученые называют «рассеянием», позволяет определить плотность электронов в пространстве между исходным объектом и Землей.
Аналогично, если эту электронную плотность можно оценить заранее, специалисты могут вывести приблизительное расстояние до объекта — этот метод часто используется для оценки расстояния до пульсаров.
Однако особенность FRB 190520 ставит этот подход под сомнение. Степень рассеивания этого сигнала указывает на то, что его источник находится на расстоянии от 8 до 9,5 миллиарда световых лет. Но независимое измерение, основанное на смещении света от галактики из-за расширения Вселенной, показывает, что источник находится на расстоянии всего около 3 миллиардов световых лет. «Это означает, что в окрестностях FRB находится много материи, что сбивает с толку любые попытки использовать его для измерения газа между галактиками«, — сказал Аггарвал. Так что FRB, возможно, не являются хорошими «космическими маркерами», в конце концов.
Одна из гипотез, выдвинутых астрономами для объяснения разницы в измерениях расстояния, заключается в том, что FRB 190520 может быть «новорожденным», все еще окруженным материалом от сверхновой звезды, создавшей нейтронную звезду, которая, вероятно, и вызвала сигнал.
Таким образом, когда этот материал в конечном итоге рассеивается в пространстве, дисперсия сигнала должна уменьшиться. Основываясь на этой гипотезе, команда считает, что повторение всплесков радиоволн в конечном итоге может быть характерно для «молодых» FRB — в этом случае их частота будет уменьшаться с возрастом.
Сегодня известно несколько десятков FRB, но многие вопросы об их происхождении и свойствах остаются без ответа. Открытие этого нового повторяющегося FRB позволит исследовать новые пути.
Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram
Открытие радиоволн
» Перейти к дополнительным материалам
Когда примерно в 1864 году впервые была предложена концепция электромагнитных волн, она была встречена с большим скептицизмом. В результате идея долго томилась. Это понятно, поскольку основы теории были сложными, а концептуальные идеи противоречили физическому мышлению.
Горстке преданных своему делу людей, увлеченных тайнами электричества и магнетизма, потребовалось несколько десятилетий, чтобы наконец поставить теорию на прочную основу.
В этой статье мы вернемся к тому периоду, когда началось серьезное изучение радиоволн. Мы рассмотрим вклад Джеймса Клерка Максвелла, человека, наиболее ответственного за эту концепцию. Далее мы рассмотрим работы нескольких известных ученых, пришедших после Максвелла, и посмотрим, как они подтвердили существование радиоволн.
У нас есть кажущийся неограниченным электромагнитный спектр, состоящий из радиоволн, микроволн, видимого света, ультрафиолета, рентгеновских лучей и гамма-лучей. Как мы пришли к открытию и пониманию этих удивительных волн — захватывающая история. В дальнейшем мы обратимся к историческим основам электромагнитных волн — и мы сделаем это, не прибегая к теоретическим выводам. Но сначала давайте посмотрим, что мы имеем в виду, когда говорим о таких волнах.
Теоретически электромагнитная волна может генерироваться, как показано на Рис.
1 . Более полное представление о том, как формируются электромагнитные волны, и их аналогии с гравитационными волнами можно найти по ссылке Reference 1 .
Рисунок 1. Предположим, что у вас есть флешка с определенным зарядом Q (a) . Когда вы держите палочку неподвижно, заряд окружен электрическим полем E, но не магнитным полем (б) . Тот же заряд в движении создает и магнитное поле B. Если палку трясти вверх и вниз с частотой f, небольшая часть поля уходит и распространяется в виде электромагнитной волны с той же частотой.
Электромагнитные волны состоят из волн электрического и магнитного поля. Эти волны колеблются в перпендикулярных плоскостях по отношению друг к другу и находятся в фазе. Простая картина поперечной электромагнитной волны, распространяющейся в пространстве, показана на рисунке 9.0014 Рисунок 2 .
Рис. 2.
Электромагнитные волны образуются, когда колеблющаяся заряженная частица создает пульсации в своем электрическом поле и тем самым также создает магнитное поле. Здесь показана типичная волна: электрическое поле, связанное с магнитным полем. Поля волны перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.
Создание электромагнитной волны начинается с колеблющейся заряженной частицы, которая создает колеблющиеся электрические и магнитные поля. При ускорении — в рамках колебательного движения — заряженная частица излучает энергию, создавая пульсации (или колебания) в своем электрическом поле, а также создает магнитное поле.
При движении электрические и магнитные поля, создаваемые заряженной частицей, самовоспроизводятся — зависящие от времени изменения в одном поле (электрическом или магнитном) порождают другое. Это означает, что электрическое поле, которое колеблется в зависимости от времени, будет создавать магнитное поле, а магнитное поле, которое изменяется во времени, будет создавать электрическое поле.
Следовательно, и электрическое, и магнитное поля в электромагнитной волне будут флуктуировать во времени, одно вызывает изменение другого .
Если частота колебаний заряда f , то он производит электромагнитную волну с частотой f . Длина волны λ этой волны определяется выражением λ = c/f , где c — скорость света. Электромагнитные волны переносят энергию через пространство. Эта энергия может передаваться заряженным частицам на большом расстоянии от источника.
Странный путь к электромагнитной теории Максвелла
Согласно многим научным книгам, Джеймс Клерк Максвелл ( Рисунок 3 ) является человеком, наиболее ответственным за теоретическое обоснование электромагнитных волн. Чего книги не говорят вам, так это того, что на момент смерти Максвелла в 1879 году его теория, которая во многом поддерживает наш нынешний технологический мир, еще не была на прочной основе.
Рисунок 3. Джеймс Клерк Максвелл был шотландским физиком-математиком, сформулировавшим классическую теорию электромагнитного излучения, впервые объединив электричество, магнетизм и свет как проявления одного и того же явления. Он был одним из самых влиятельных ученых девятнадцатого века.
Учителя естественных наук говорят нам, что основные правила, по которым ведут себя свет и вообще все электромагнитные волны, такие как взаимодействие электрических полей и магнетизма, можно свести к четырем элегантным уравнениям . Сегодня эти уравнения, известные как уравнения Максвелла, можно найти практически в каждом вводном учебнике по инженерии и физике. Малоизвестно [ Ссылка 2 ], что Максвелл не писал эти уравнения; хотя он в основном отвечал за их теорию.
Давайте вернемся к раннему развитию электромагнитной теории. В последующих разделах мы рассмотрим события, произошедшие после смерти Максвелла.
События, приведшие к электромагнитной теории Максвелла
Большинство историков сходятся во мнении, что разработки, связанные с электромагнитной теорией, начались в 1800 году, когда физик Алессандро Вольта объявил об изобретении батареи, которая позволила экспериментаторам работать со стабильной подачей постоянного тока. Несколько лет спустя Ганс Христиан Эрстед получил первое физическое доказательство связи между электричеством и магнетизмом, продемонстрировав, что стрелка компаса смещается, когда ее приближают к проводу, по которому течет постоянный ток.
Вскоре после этого Андре-Мари Ампер показал, что между двумя параллельными проводниками с током возникает взаимное притяжение или отталкивание в зависимости от относительного направления токов. Затем, примерно в 1831 году, Майкл Фарадей показал, что магнит может воздействовать на электричество, когда он продемонстрировал, что протягивание магнита через катушку с проволокой создает ток.
Эти события были , которые не были поняты систематически или полностью.
Они действительно были очень озадачены. Как провод с током мог протянуться и сдвинуть стрелку компаса? И как движущийся магнит может вызвать ток в проводе?
Конечно, естествоиспытатели и ученые строили предположения о том, каким образом электрические и магнитные воздействия передаются в пространстве. Наиболее популярные прямые действия на расстоянии . Изучая другой подход, выдающийся математик Карл Фредерик Гаусс примерно в 1855 году рассмотрел идею о том, что электрические действия распространяются между зарядами с конечной скоростью. Однако он решил не публиковать свое исследование, пока не разработает механизм для достижения этой передачи, чего не произошло.
Фарадей, ученый-изобретатель, также начал оспаривать ортодоксальное представление о том, что электромагнитные явления являются результатом прямого действия на расстоянии между электрическими частицами. Вместо этого он представил таинственное невидимое «электротоническое» состояние, окружающее магнит — то, что мы назвали бы полем.
Он сказал, что изменения в этом электротоническом состоянии и вызывают электромагнитное явление.
Теперь известно, что в показаниях Лондонского королевского общества, известных как «Первоначальные взгляды», Фарадей рассматривал идею о том, что электрические и магнитные эффекты являются «прогрессивными и требуют конечного времени для их передачи. Фарадей не нашел времени предоставить экспериментальные доказательства в поддержку своих взглядов и поэтому пожелал, чтобы показания, представленные в 1832 году, оставались нераскрытыми в течение 100 лет. Он заявил, что «предоставив эту бумагу на попечение Королевскому обществу, чтобы завладеть как бы определенной датой; и поэтому имеют право, если они подтвердятся экспериментами, претендовать на признание взглядов на эту дату».
Однако историки не придают большого значения этому увлекательному документу и не считают Фарадея первооткрывателем распространения волн. Было хорошо пророчествовать о таких явлениях, но превратить эти идеи в законченную теорию было далеко за пределами его математических способностей.
Тем не менее, мечты Фарадея, однажды посаженные, были достаточно, чтобы взбудоражить воображение тех, кто следовал за ним.
Это была ситуация, с которой Максвелл столкнулся в годы своего становления в 1850-х годах в Кембриджском университете в Англии. В следующем разделе мы заложим основу для его работы в этой области.
Максвелл начинает свою научную работу
Максвелл уже был опытным математиком, когда уехал из Шотландии в Кембриджский университет в 1850 году. гении.
После короткого перерыва в работе над чистой математикой его внимание переключилось на физические проблемы, такие как электрические и магнитные поля, кинетическая теория газов, природа колец Сатурна и цветовое зрение. В своей первой попытке создать электромагнитную теорию Максвелл в 1855 году написал статью под названием «О силовых линиях Фарадея», в которой показал, как уравнения, описывающие поток несжимаемой жидкости, можно аналогичным образом использовать для решения задач с постоянными электрическими или магнитными полями.
К сожалению, его работе помешали многочисленные трудности. Он был вынужден оставить свою первую преподавательскую должность в Маришальском колледже в Шотландии из-за слияния колледжей и чуть не умер от осложнений оспы. Наконец, он стал профессором Королевского колледжа в Лондоне.
Время, проведенное Максвеллом в King’s, было, по мнению большинства, самым продуктивным в его карьере. В этот период своей жизни он создал первую в мире светостойкую цветную фотографию, развил свои идеи о вязкости газов и предложил систему определения физических величин, теперь известную как размерный анализ.
Максвелл часто посещал лекции в Королевском институте, где регулярно общался с Фарадеем. Отношения между двумя мужчинами не были близкими; отчасти потому, что Фарадей был на 40 лет старше Максвелла и показывал признаки возраста. Тем не менее, они сохраняли глубокое уважение к работе друг друга.
Именно в этот период жизни Максвелл добился значительных теоретических успехов.
Он исследовал природу как электрических, так и магнитных полей в своей статье «О физических силовых линиях», состоящей из двух частей, опубликованной в 1861 году. В ней он представил концептуальную модель электромагнитной индукции, состоящую из крошечных вращающихся ячеек магнитного потока. Каждая ячейка окружена маленькими частицами той или иной формы, которые помогают передавать вращение от одной клетки к другой.
Хотя в конце концов он отказался от этой концепции, он обнаружил, что эта картинка помогла ему описать множество электромагнитных явлений. Возможно, самое главное, это помогло заложить основу радикально новой физической концепции, известной как ток смещения .
Ток смещения — сложная концепция, поскольку на самом деле это не ток . Нормальный ток проводимости в проводах состоит из движущихся зарядов. Ток смещения — это способ описания того, как изменение электрических полей, проходящих через данную область, приводит к возникновению магнитного поля, точно так же, как и ток проводимости.
Обычный конденсатор содержит в себе один из самых ярких примеров тока смещения. Рассмотрим конденсатор с плоскими пластинами в электрической цепи с пустым пространством между пластинами, как показано на рис. 4 . Если конденсатор заряжается, это вызывает накопление заряда на пластинах и увеличение электрического поля Ε между пластинами. Это изменяющееся электрическое поле вызывает изменяющееся магнитное поле B, которое связано с так называемым током смещения I D = I C . Фактически между пластинами не протекает ток проводимости.
Рис. 4. Это конденсатор с плоскими пластинами и пустым пространством между пластинами, который, как предполагается, находится в цепи зарядки. Из-за зарядки возникает изменяющееся электрическое поле Ε между пластинами и, следовательно, ток смещения I D (не показан), создающий магнитное поле B .
Ток смещения I D имеет то же значение, что и ток проводимости I C , который протекает в проводах из-за движения заряда.
Однако ток смещения Максвелла является более фундаментальным, чем показано в этом примере. Он может возникнуть в любой среде, включая области, где электроны доступны или нет. И точно так же, как ток проводимости, он порождает магнитное поле.
Новая концепция Максвелла обеспечила необходимый мост для связи измеряемых свойств цепи, таких как диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость свободного пространства. Каким-то образом он понял, что эти константы можно комбинировать, чтобы определить, как быстро электромагнитная волна распространяется в пространстве.
Максвелл полагался на других, чьи эксперименты с конденсаторами и катушками индуктивности очень точно определили их значения. Используя эти числа, Максвелл смог вычислить скорость электромагнитной волны в космосе.
Удивительно, но когда он сравнил свое значение с существующими значениями скорости света, то из их близости сделал вывод, что свет должен быть электромагнитной волной.
Максвелл предсказывает электромагнитные волны
В 1864 году, когда ему было 33 года, Максвелл представил статью «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он предположил, что электромагнитное возмущение распространяется в свободном пространстве со скоростью света. Он также предположил, что свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, хотя этот факт был несколько скрыт в системе предложенных им уравнений. Самое главное, он описал, как электричество и магнетизм неразрывно связаны в движущейся электромагнитной волне.
Когда Максвелл представил свою теорию на презентации в Королевском обществе, аудитория была озадачена. Максвелл продемонстрировал фундаментальный сдвиг в своем подходе. Вместо того, чтобы строить воображаемые физические модели, он пытался отличить научную истину от хорошо установленных математических соотношений, известных как законы динамики.
Для публики сложная физическая модель была бы достаточно плохой, но теория, основанная на отсутствие модели вообще была выше их понимания! Их недоумение можно понять, поскольку статья Максвелла была длинной, ее было трудно понять быстро, а математику было трудно понять.
Он описывает, как взаимодействуют различные переменные и как они перемещаются в пространстве и времени. Что еще более запутанно, он использовал концепции векторов для представления напряженности электрического и магнитного полей и плотности потока. Мало кто в то время понимал векторы. Для новичков это было особенно сложно, поскольку каждый вектор представлял собой тройку — по одному уравнению для каждого из трех измерений.
Максвелл также использовал изобретенную им нелогичную переменную, известную как электромагнитный импульс — известную сегодня как магнитный векторный потенциал — из которой он рассчитал электрические и магнитные поля.
Всего Максвелл ввел 20 уравнений с 20 переменными.
Для тех, кто заинтересован в подробном изучении их всех, см. Reference 3 . С помощью этих уравнений Максвелл по существу объединил работы Эрстеда, Гаусса, Ампера, Фарадея и других, добавив при этом свою собственную радикальную концепцию тока смещения. Сегодня эта теория является основой нашего современного понимания электромагнетизма.
Вся эта работа была встречена с крайним скептицизмом даже со стороны его ближайших коллег. Сэр Уильям Томпсон — позже лорд Кельвин — был одним из самых громких скептиков. Он просто не верил, что ток смещения может существовать. Наша интуиция согласилась бы с ним.
Одно дело думать о токе смещения в материале, наполненном атомами. И совсем другое представить, как он формируется в пустоте космоса! Без модели, описывающей этот ток смещения — которая работает без движущихся зарядов — было неясно, как мог возникнуть такой ток. Вся эта концепция была очень отталкивающей для ученых того времени.
Сегодня мы с готовностью принимаем радикальные теории.
Мы принимаем черные дыры, гравитационные волны, поле Хиггса, квантовую запутанность и другие теории, которые бросают вызов обычной интуиции. Мы делаем это до тех пор, пока математические основы верны и могут быть в какой-то степени проверены.
Из-за всей сложности, связанной с дебютом работы Максвелла, она не была встречена с энтузиазмом. Можно было бы точнее сказать, что это практически никого не интересовало!
Максвелл публикует «Трактат»
Максвелл представил свою новую электромагнитную теорию на всеобщее обозрение, но большинство ее проигнорировало. Пройдет некоторое время, прежде чем это будет оценено по достоинству. Никто, возможно, даже Максвелл, не понял всего значения его работы.
Максвелл преуспевал в самых разнообразных работах за пять лет, проведенных в Лондоне, но все еще тосковал по сельской жизни. Поэтому он решил отказаться от своего кресла, чтобы он и его жена Кэтрин могли начать оседлую жизнь в своем старом доме Гленлэр в Галлоуэе в 1865 году.
0003
Годы, проведенные Максвеллом в Гленлере, никоим образом не были временем выхода на пенсию. Его работа по электромагнетизму была далека от завершения. Он хотел написать содержательную книгу; тот, который внес бы столь необходимый порядок в предмет, помог бы новичкам и заложил бы прочную основу для будущей работы.
В 1873 году Максвелл опубликовал свою книгу «Трактат об электричестве и магнетизме», в которой изложил многие свои идеи. Это одна из самых известных книг по физике, которая до сих пор издается. Тем не менее, «поле» понятие в книге было чуждо физикам и его математика казалась шагом назад в искусстве.
Его поля подчинялись уравнениям в частных производных, с которыми было гораздо сложнее справиться, чем с текущими ньютоновскими законами силы. Без адекватной математической интерпретации его теория электромагнетизма висела на стене, как музейная картина, которой восхищались некоторые, но она была недосягаема.
Максвелл умер в 1879 году в возрасте 48 лет с Кэтрин и другом у его постели.
Он был первооткрывателем-одиночкой, как и Фарадей до него. Его «Трактат» при жизни почти никто не понял. Только в следующем поколении — во главе с небольшой группой людей, известных как «максвелловцы» (9).0014 Ссылка 4 ) — кто-нибудь действительно понял, что он пытался сказать. Оливер Хевисайд был одним из них.
Хевисайд прибывает на место происшествия
Оливер Хевисайд ( Рисунок 5 ) однажды был описан другом как «первоклассный чудак». На самом деле он был забытым гением викторианской эпохи. Он был младшим из четырех сыновей, родившихся в 1850 году в бедной, но респектабельной лондонской семье. В возрасте восьми лет из-за скарлатины он стал частично глухим, из-за чего ему было трудно играть с другими мальчиками. Впоследствии он полагался на свои собственные ресурсы и развил упрямую независимость, которую он сохранял до дня своей смерти.
Рис. 5. Оливер Хевисайд был математическим гением-затворником, который провел большую часть своей жизни на задворках научного истеблишмента.
Несмотря на это, он сделал больше, чем кто-либо другой, для формирования теории Максвелла и придания уравнениям Максвелла их нынешней формы.
Он хорошо учился в школе, но ему было отказано в поступлении в университет, потому что это было выше возможностей семьи. Хевисайд сам изучал естественные науки и математику, изучая журналы и книги того времени.
Благодаря влиянию своего дяди, Чарльза Уитстона (прославленного моста), он получил свою первую и единственную работу в возрасте 18 лет в качестве телеграфиста на англо-датском кабеле, идущем из Ньюкасла в Данию. В этом качестве он имел возможность узнать из первых уст о самой передовой и интересной с научной точки зрения отрасли электротехники.
Телеграфное оборудование того времени использовало визуальные подсказки, поэтому его легкая глухота не играла роли. Он любил общаться азбукой Морзе, но больше всего ему нравилось устранять неполадки в кабельной системе. Телеграфисты, будучи элитой группы, могли свободно экспериментировать со многими электрическими компонентами, такими как мосты и конденсаторы.
Конечно, они должны были хорошо знать эти компоненты, чтобы поддерживать трафик.
Хевисайд в конце концов стал звездой устранения неполадок, наслаждаясь каждой проблемой и загадочными эффектами электричества, которые часто сбивали с толку его коллег. В свободное время он продолжал заниматься электричеством и математикой и даже начал писать научные статьи.
Однажды он наткнулся на копию «Трактата» Максвелла и сразу же был впечатлен. Хотя большая часть математики была ему не по плечу, он твердо решил ее освоить. К этому времени Хевисайд уже решил посвятить все свое внимание электричеству. Он оставил работу телеграфиста и вернулся в дом своих родителей, где начал расширять границы электрических знаний.
Именно Хевисайд, работая дома в одиночку, разработал уравнения Максвелла в их нынешнем виде. Разбираясь в сложном векторном исчислении, он наткнулся на способ переформулировать 20 запутанных уравнений Максвелла в четыре, которые мы используем сегодня, показанные на рис.
6 .
Рис. 6. Примерно в 1884 году Оливер Хевисайд начал записывать 20 фундаментальных уравнений из «Трактата об электричестве и магнетизме» Максвелла в новой и более компактной форме, показанной здесь. Они стали стандартом, определяющим сегодня связь между электричеством и магнетизмом и волновой природой электромагнитного излучения. Здесь показана дифференциальная форма уравнений Максвелла, но существуют и другие формы, такие как интегральная форма. Здесь, Ε и B — электрическое и магнитное поля соответственно, ρ — плотность электрического заряда, Дж — плотность тока. Имеются два других поля — поле смещения D и напряженность магнитного поля H — связанные с Ε и B постоянными полями, отражающими характер среды пройти через.
Поле смещения был ключевым вкладом Максвелла. Последнее уравнение описывает, как изменяющиеся электрические поля и ток создают магнитные поля. Символ ∇ — это векторный дифференциальный оператор, обычно называемый Дель или набла, который компактно выражает исчисление, включающее направленность трех компонентов x, y и z.
Хевисайд сказал, что ключ удаляет странный магнитный векторный потенциал. По словам Хевисайда, «я не добился никакого прогресса, пока не выбросил за борт весь потенциал». В формулировке Хевисайда на первый план выдвигались электрические и магнитные поля.
Хотя формулировка Хевисайда раскрыла прекрасную симметрию уравнений Максвелла, она также раскрыла тайну. Электрические заряды имеют вокруг себя линии электрического поля, исходящие от заряда. Однако силовые линии магнитного поля — какими мы их знаем — не имеют источника и появляются только в виде непрерывных петель, без начала и конца.
Это обеспокоило Хевисайда, и он добавил в уравнения член, представляющий заряд магнита, предполагая, что он еще не открыт.
На самом деле магнитные монополи до сих пор не обнаружены, хотя они и предсказываются некоторыми теориями частиц. Тем не менее, понятие магнитного тока, состоящего из фиктивных движущихся монополей, сохраняется и иногда используется как помощь в решении некоторых проблем.
Хевисайда часто спрашивали, почему мы не называем эти уравнения уравнениями Хевисайда. Он сказал, что, по его мнению, Максвелл — не без оснований — «признал бы необходимость изменений, когда бы ему указали». Поэтому он считал, что их следует называть уравнениями Максвелла.
Уточнение математической теории — это одно, а поиск экспериментальных подтверждений — совсем другое. С помощью двух других максвеллианцев и малоизвестного немецкого исследователя Генриха Герца туман начал рассеиваться.
Другие Максвеллы прибывают на место происшествия
До 1888 года Хевисайд занимался одним и тем же: читал журналы, писал статьи, которые редко читали, и редко выезжал из дома. Однажды он наткнулся на отчет Оливера Джозефа Лоджа (, рис.
7, ), профессора физики Университетского колледжа в Ливерпуле, в котором он упоминался в связи с его работой над теорией Максвелла.
Рис. 7. Оливер Джозеф Лодж был британским физиком, изучавшим электромагнитное излучение. Он сделал особенно сильный след в области беспроводной телеграфии. В 1894 он усовершенствовал «когерер»: электрическое устройство, используемое для обнаружения радиоволн. Версия когерера Лоджа значительно улучшила обнаружение радиоволн.
Обрадованный тем, что нашел родственную душу, Хевисайд тут же написал Лоджу и узнал, что у него есть еще один поклонник, друг Лоджа Джордж Фрэнсис Фицджеральд ( Рисунок 8 ), профессор экспериментальной философии в Тринити-колледже в Дублине.
Рисунок 8. Джордж Фрэнсис Фицджеральд был ирландским профессором физики в Тринити-колледже в Дублине, Ирландия. Он известен своими работами в области электромагнитной теории и сокращением Лоренца-Фицджеральда, которое стало неотъемлемой частью специальной теории относительности Эйнштейна.
Оказалось, что Лодж и Фицджеральд были увлечены работой Максвелла и пытались — при взаимной поддержке — продвигать ее вперед, в основном посредством обмена письмами. Фицджеральд был блестящим теоретиком, но немного ленивым, когда дело касалось экспериментальной работы. Однако он был одним из очень немногих, кто подробно читал и изучил «Трактат».
Лодж, с другой стороны, чувствовал себя более комфортно, используя модели, а не уравнения, и ему нравилась экспериментальная работа. Связь Хевисайда с ними была немедленной, и они начали сотрудничать в надежде продвинуть понимание теории Максвелла.
Лодж и Фицджеральд были особенно заинтересованы в поиске экспериментальных доказательств, подтверждающих идею о том, что свет представляет собой электромагнитную волну. Сначала они не имели большого успеха в этом начинании. Однажды Лодж экспериментировал с системой молниезащиты, готовясь к выступлению в Обществе искусств.
Он пытался имитировать молнию, разряжая лейденские банки по проводам.
Между концами проводов появились искры. Этого и следовало ожидать, но вскоре он обнаружил, что, изменяя длину проволоки, можно получить очень большие или более слабые искры. Он сразу понял, что видит электромагнитную волну в резонансе. Он утверждал, что при достаточной мощности действительно видел ионизированную стоячую волну вокруг провода.
Лодж планировал сообщить о своих удивительных результатах, когда вернется из отпуска в Альпах. В поездку он взял с собой несколько непрочитанных журналов. Находясь в поезде, отправляющемся из Ливерпуля, он был удрученно прочитав об аналогичной работе немецкого исследователя Генриха Герца в июльском номере Annalen der Physik und Chemie . Герц ( Рисунок 9 ) производил и регистрировал волны не только вдоль проводов, но и в свободном пространстве .
Рис. 9. Генрих Герц был блестящим немецким физиком и экспериментатором, который продемонстрировал, что электромагнитные волны, предсказанные Джеймсом Клерком Максвеллом, действительно существуют.
В ноябре 1886 года Герц стал первым человеком, передавшим и принявшим управляемые радиоволны.
Что еще более невероятно, он измерил скорость волн и показал, что они могут преломляться, отражаться и поляризоваться так же, как свет. Лодж, конечно, был сильно разочарован тем, что его превзошли, но позже это было более чем омрачено вновь обретенным восхищением работой Германа.
Экспериментальные доказательства существования радиоволн
Экспериментальная работа Герца началась в 1880-х годах в Высшей технической школе в Карлсруэ, Германия. В это время существовали различные электромагнитные теории, в том числе Максвелла. Его наставник Герман фон Гельмгольц призвал Герца различать теории. Герц попытался провести эксперимент по обнаружению токов смещения, но ничего не нашел.
Несколько лет спустя, в ходе постановки эксперимента для демонстрации в классе, он заметил, разряжая конденсатор через петлю, что такая же петля на некотором расстоянии образовывала дуги.
Он мгновенно распознал состояние резонанса и заподозрил электромагнитные волны. Вдохновленный этим, Герц начал использовать такие петли для обнаружения невидимых радиоволн и проверил большинство свойств электромагнитных волн. Фотография его лаборатории показана на Рисунок 10 .
Рис. 10. Герц сделал это фото своей лаборатории. На ней показаны катушка, которую он использовал (слева) и антенна — дипольный резонатор с разрядником, который он использовал для обнаружения электромагнитного излучения.
В ходе одного интересного эксперимента компания Hertz направила радиоволны на сетку из параллельных проводов и убедилась, что они будут проходить или отражаться в зависимости от угла сетки. Это показало, что электромагнитные волны были поперечными волнами и колебались, как и свет, перпендикулярно направлению распространения. В другом эксперименте, используя цинковый лист в качестве отражателя, он перемещал детектор и находил места с искрением и места без искры.
Это свидетельствовало о стоячей волне, образованной бегущей волной в сочетании с ее отражением от экрана.
Выводы Герца не привлекли особого внимания в Германии. Однако через Ла-Манш максвелловцы осыпали его похвалами, приветствовали в своих рядах и начали продвигать его работу. Лодж, например, сделал точную копию аппарата Герца, которую продемонстрировал перед Британской ассоциацией и другими группами. Хевисайд был в таком восторге, что написал Герцу, поблагодарив его за предоставленное экспериментальное доказательство, сказав, что он нанес «смертельный удар» теориям действия на расстоянии.
Герц, Лодж, Фицджеральд и Хевисайд стали тесной группой, поддерживающей друг друга. Усилиями этих четырех очень разных людей, объединенных общим делом, они вывели теорию Максвелла из тени на свет.
Эпилог
Благодаря переписке Максвеллианцы подружились, и им удалось во многих отношениях пересмотреть и преобразовать теорию Максвелла. Они дали нам уравнения, которыми мы пользуемся сегодня, и именно они предоставили нам подтверждающие доказательства того, что свет представляет собой электромагнитную волну.
Самое главное, они добились того, что теория Максвелла была принята научным сообществом.
К сожалению, их расцвет продлился всего несколько лет, с 1888 по 1894 год. Герц трагически скончался в 1894 году от редкого заболевания костей в возрасте 36 лет. Мы никогда не узнаем, какие еще замечательные вещи он мог совершить.
Фицджеральд также умер в молодом возрасте 49 лет. Помимо работы над теорией Максвелла, сегодня его помнят как одного из авторов теории относительности пространства со скоростью, теперь известной как сокращение Лоренца-Фицджеральда. Позже это стало важной частью специальной теории относительности Эйнштейна.
Лодж прожил до 1940 года и продолжал работать во многих областях, включая радио. В 1894 году он усовершенствовал «когерер»: электрическое устройство для обнаружения радиоволн.
Хевисайд переписывался с другими учеными и продолжал публиковаться до своей смерти в 1926 году. Среди других его достижений — использование комплексных чисел для изучения электрических цепей, изобретение ступенчатой функции и разработка математических методов решения дифференциальных уравнений.
Он, пожалуй, наиболее известен своим предсказанием того, что земная атмосфера имеет ионизированный отражающий слой, способный отражать радиосигналы обратно на Землю, так что радиосигналы повторяют кривизну Земли — теперь известный как слой Кеннелли-Хевисайда в его честь.
Теория электромагнитного поля Максвелла оказала огромное влияние на науку, но теории редко возникают в умах их создателей полностью завершенными. Как это часто бывает, следующее поколение ученых должно уточнить и систематизировать его — процесс, который может занять годы. Так было и с теорией Максвелла.
Альберт Эйнштейн однажды сказал: «Специальная теория относительности обязана своим происхождением уравнениям электромагнитного поля Максвелла. Со времен Максвелла считалось, что физическая реальность представлена непрерывными полями и не поддается какой-либо механической интерпретации. Это изменение в представлении о реальности — самое глубокое и самое плодотворное, что пережила физика со времен Ньютона».
Достижение Максвелла было отмечено двумя торжественными церемониями IEEE в 2009 году: одна в Glenlair House; а другой в Королевском колледже. Таблички информируют посетителей о том, что между 1860 и 1871 годами Максвелл разработал свою единую теорию электричества, магнетизма и света, обобщенную в уравнениях, носящих его имя. Одна из табличек (с выгравированными знаменитыми уравнениями) показана на Рисунок 11 .
Рисунок 11. В 2009 г. в Гленлэр Хаус и Королевском колледже были проведены две церемонии IEEE Milestone.в честь публикации уравнений Максвелла. Это одна из табличек, информирующих посетителей о его единой теории электричества, магнетизма и света, выраженной в уравнениях, носящих его имя.
Некоторые пророческие слова Хевисайда кажутся уместными в этом месте. «Большой разрыв между волнами Герца и световыми волнами еще не преодолен, но я не сомневаюсь, что это будет сделано открытием усовершенствованных методов генерации и наблюдения очень коротких волн ».
Действительно, очень пророческие слова!
В заключение я хотел бы посвятить эту статью моему бывшему студенту и давнему другу доктору Стивену Э. Рейеру, который недавно неожиданно скончался. Его присутствия будет действительно не хватать. NV
Ссылки
[1] www.tapir.caltech.edu/~teviet/waves/emfield.html
[2] . К уравнениям Максвелла», IEEE Spectrum, декабрь 2014 г.
[3] Т.К. Саркар и др. al, «History Of Wireless», Wiley IEEE Press, 2006.
[4] Брюс Дж. Хант, «The Maxwellians», Cornell University 2005.
Discovery and Use of Radio Waves
Robert M. Hazen , доктор философии, Университет Джорджа Мейсона
В этом электромагнитном спектре есть множество общих подразделений. Это радиоволны; микроволны; инфракрасное или тепловое излучение; затем видимый свет; затем ультрафиолет; рентгеновский снимок; и гамма-излучение.
Этот список расположен в порядке увеличения энергии, а также уменьшения длины волны. Но одним из наиболее важных типов волн, которые широко используются людьми, являются радиоволны. Но что такое радиоволны и как они используются? Радиоволны используются для всех видов человеческого общения. (Изображение: metamorworks/Shutterstock)Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр представляет собой континуум всех возможных длин волн или, что то же самое, всех возможных частот электромагнитного излучения. В этом спектре нет естественных резких делений. Любая возможная длина волны, любая возможная частота могут быть получены. И на самом деле нет никакого естественного разделения, кроме как с точки зрения человека, что мы видим видимый свет и не видим другие.
Но с внутренней точки зрения, все это явления одного и того же рода: все электромагнитное излучение, все движущиеся со скоростью 186 000 миль в секунду. Радиоволны были первым из открытых невидимых видов электромагнитного излучения.
Они иллюстрировали поведение электромагнитного излучения.
Это стенограмма из серии видео Радость науки . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.
Открытие Герцем радиоволн
Радиоволны были открыты немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем в ходе серии экспериментов в конце 1880-х годов.
Герц прочитал статьи Джеймса Максвелла. Он был полон решимости наблюдать за этими предсказанными невидимыми видами излучения. Именно для этого он поставил серию экспериментов. И он смог измерить длину волны и некоторые другие характеристики этих невидимых волн.
Кстати, единица измерения частоты называется герц. Герц — это один цикл в секунду, и он назван в его честь. Поэтому, когда вы смотрите на шкалу своего радиоприемника, вы можете увидеть килогерцы или мегагерцы; назван в честь великого немецкого ученого.
Узнайте больше об электромагнитном спектре.
Маркони и радиосвязь
Вскоре после исследований Герца практическое использование радиосвязи было продемонстрировано итальянским изобретателем Гульельмо Маркони.
Он генерировал радиоволны с помощью примитивного искрового устройства — просто создавая электрические искры — и те создавали радиоволны. А затем он использовал телеграф, чтобы произвести вот такие короткие вспышки.
Во многом его успех был связан с тем, что он спроектировал и улучшил антенны. Например, он был первым, кто взял антенну, поставил ее вертикально и заземлил так, чтобы характеристики приема были намного лучше. Постепенно он смог увеличить передачу и прием этих радиоволн с мили до десяти миль, а в конечном итоге до 100 миль в 1896 году. Маркони установил первую трансатлантическую беспроводную связь в 1908, и он получил Нобелевскую премию по физике в 1909 году.
Радиоволны в спектре
Радиоволны включают электромагнитное излучение с длиной волны от фута до нескольких миль, самую низкую энергетическую часть электромагнитного спектра, самую длинную длины волн.
Частота этих волн измеряется тысячами или миллионами циклов в секунду, то есть килогерцами или мегагерцами.
Радиоволны, как и все электромагнитные волны, возникают, когда заряженные частицы движутся вперед и назад и колеблются. Высокие антенны, которые вы видите возле многих радиостанций, представляют собой металлические конструкции, в которых большое количество электронов колеблется взад и вперед, производя сильные радиосигналы, которые вы обнаруживаете.
Радиоволны идеально подходят для связи, поскольку они проходят через атмосферу. Они путешествуют по строительным материалам. Радиоволны с более короткой длиной волны, такие как то, что мы называем FM-радиовещательными волнами, нелегко рассеиваются. Им требуется какая-то прямая видимость радиовышки, поэтому обычно вы не можете принять FM-радиостанцию дальше, чем на 40 или 50 миль от ее источника.
Амплитудная и частотная модуляция
Но при правильных условиях более длинные волны AM-радиопередач на самом деле могут искривляться, отражаться от атмосферы, рассеиваться и, следовательно, перемещаться на многие сотни миль, даже за горизонт.
Информация обычно передается с помощью радиосигнала двумя противоположными способами. Вы можете изменить амплитуду волны там, где вы меняете интенсивность волны. Но вы также можете использовать частотную модуляцию или FM-вещание, и это не что иное, как небольшое изменение длины волны. Это аналогично FM или частотно-модулированному вещанию.
Узнайте больше о природе энергии.
Разделение радиодиапазонов
Различные радиочастоты используются для разных типов связи. (Изображение: isatis polar/Shutterstock)Поскольку радиоволны излучаются в очень многих направлениях и на такие большие расстояния, обществу необходимо регулировать, кто какую длину волны или какой диапазон радио использует, так сказать.
Вот почему у нас есть Международный союз электросвязи, это агентство Организации Объединенных Наций; а также в Соединенных Штатах Федеральная комиссия по связи, это FCC. Они контролируют то, что называется электромагнитной недвижимостью, потому что каждая длина волны — это своего рода ценный товар, с помощью которого вы можете передавать информацию.
Определенные радиодиапазоны выделяются, например, для радиолюбителей, для полиции, для машин скорой помощи, для навигации, для космической связи — очень важно иметь для этого отдельный диапазон — и так далее.
Кроме того, есть несколько определенных длин волн, которые были выделены в качестве стандартных частот, и они постоянно транслируются на этой частоте. И вы можете использовать свои радиоприемники, чтобы поймать эти конкретные частоты и убедиться, что ваше оборудование работает правильно.
Радиоастрономия
Радиоастрономы используют большие тарельчатые антенны для обнаружения радиоволн, исходящих от далеких объектов: звезд и галактик, которые находятся далеко-далеко. Эти звезды и галактики имеют закрученные облака заряженных частиц, и так много объектов в космосе излучают радиоволны, потому что они ускоряют заряженные частицы.
Эти волны распространяются в космосе со скоростью 186 000 миль в секунду, иногда в течение сотен миллионов лет, и их улавливают радиотелескопы.
Вы также можете использовать радиоволны как способ обнаружить существование разумной жизни где-то еще во Вселенной, потому что если бы вы хотели общаться с одной планеты, с одной звезды на другую, вы бы это сделали.
Таким образом, радиоволны являются одной из наиболее важных форм электромагнитного излучения, которое является неотъемлемой частью человеческих технологий, особенно средств связи.
Общие вопросы о радиоволнах
В: Кто открыл радиоволны?
Радиоволны были открыты немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем в серии экспериментов в конце 1880-х годов.
В: Как на практике была продемонстрирована радиосвязь?
Практическое использование связи по радио продемонстрировал итальянский изобретатель Гульельмо Маркони. Он генерировал радиоволны с помощью примитивного искрового устройства — просто создавая электрические искры — и те создавали радиоволны.
А затем он использовал телеграф, чтобы произвести вот такие короткие вспышки.
В: Почему радиоволны идеально подходят для связи?
Радиоволны идеально подходят для связи, поскольку они проходят через атмосферу. Они путешествуют по строительным материалам. Радиоволны с более короткой длиной волны, такие как то, что мы называем FM-радиовещательными волнами, нелегко рассеиваются.
В: Как распределяются радиодиапазоны?
Определенные радиодиапазоны выделяются, например, радиолюбителям, полиции, машинам скорой помощи, навигации, космической связи — очень важно иметь для этого отдельный диапазон — и так далее. Кроме того, есть несколько определенных длин волн, которые были зарезервированы в качестве стандартных частот, и они постоянно вещают на этой частоте.
Продолжайте читать
От радио к телевидению: история электронных коммуникаций
Кто изобрел радиоастрономию? История радиотелескопа
Радио Хисс, теория относительности Эйнштейна и Вселенная
Открытие радиоволн
 Это поставило перед экспериментаторами задачу генерировать и обнаруживать электромагнитное излучение с помощью какой-либо электрической аппаратуры.Первую явно успешную попытку предпринял Генрих Герц в 1886 году. Для своего передатчика радиоволн он использовал индукционную катушку высокого напряжения, конденсатор (конденсатор, лейденскую банку) и разрядник, полюса которого с обеих сторон образованы сферами радиусом 2 см — для создания искрового разряда между полюсами разрядника, колеблющегося с частотой, определяемой номиналами конденсатора и индукционной катушки. Этот первый передатчик радиоволн представляет собой то, что мы сегодня называем LC-генератором. Для анимированного объяснения этого устройства нажмите здесь. Дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в основных учебниках по электронике. Чтобы доказать, что излучение действительно было, его нужно было обнаружить. Герц использовал кусок медной проволоки толщиной 1 мм, согнутый в круг диаметром 7,5 см, с небольшой латунной сферой на одном конце, а другой конец проволоки был заостренным, с острием рядом с сферой. В этом эксперименте Герц подтвердил теорию Максвелла о существовании электромагнитного излучения. В более сложных экспериментах Герц измерил скорость электромагнитного излучения и обнаружил, что она равна скорости света. Он также показал, что природа отражения и преломления радиоволн такая же, как и у света, и вне всякого сомнения установил, что свет — это форма электромагнитного излучения, подчиняющаяся уравнениям Максвелла. Подводя итог важности Герца: его эксперименты вскоре привели к изобретению беспроволочного телеграфа и радио Маркони и других и телевидения. В знак признания его работы единица измерения частоты — один цикл в секунду — названа «герц» в честь Генриха Герца.
Гц — создание, отправка и обнаружение радиоволн — относительно прост и не выходит за рамки способностей учеников средней школы. Чтобы начать, внимательно прочитайте ссылки на эксперименты и убедитесь, что вы понимаете основные принципы. Продолжайте просматривать веб-страницы и консультируйтесь с местной библиотекой, учителем и другими знающими взрослыми и экспертами. Более сложные эксперименты Герца, упомянутые выше, требуют некоторых дополнительных способностей и знаний, и для успешного выполнения этих экспериментов учащиеся также должны уметь читать и понимать несколько книг Герца или о Герце, перечисленных в разделе ресурсов. . Бухвальд, З. Создание научных эффектов: Генрих Герц и электрические волны . Издательство Чикагского университета, 1994. Генрих Герц, Принципы механики, представленные в новой форме . Dover Phoenix Editions Генрих Герц, Электрические волны: исследования распространения электрического действия с конечной скоростью в пространстве . Генрих Герц, Разные документы , 1896 СсылкиВолны Герца Генрих Рудольф Герц — Доктора коррозии Беспроводной эксперимент Генриха Герца — Гарвардский колледж Генрих Рудольф Герц — Майкл В. Дэвидсон Герц находит волны Максвелла: и кое-что еще — Майкл Фаулер Открытие радиоволн — Sparkmuseum Трансатлантический радиоэксперимент Маркони 1901 года (часть 1) — Генри М.  Брэдфорд Трансатлантический радиоэксперимент Маркони 1901 года (часть 2) — Генри М. Брэдфорд Радио и беспроводная научная ярмарка Проекты и эксперименты |
Он добавил винтовой механизм, чтобы точку можно было перемещать очень близко к сфере контролируемым образом. Этот «приемник» был спроектирован таким образом, чтобы ток, колеблющийся взад и вперед в проводе, имел собственный период, близкий к периоду описанного выше «передатчика». О наличии колеблющегося заряда в приемнике сигнализировали бы искры через (крошечный) зазор между острием и сферой (обычно этот зазор составлял сотые доли миллиметра).
Искры вызвали колебательные стоячие волны радиотока в антенне на ее резонансной частоте, излучающие радиоволны. Частота волн составляла примерно 50 МГц, что соответствует частоте современных передатчиков телевизионного вещания.
Что радиоволны говорят нам о Вселенной? · Границы для молодых умов
Abstract
Радиоастрономия началась в 1933 году, когда инженер по имени Карл Янски случайно обнаружил, что радиоволны исходят не только от изобретений, которые мы создаем, но и от природных материалов в космосе. С тех пор астрономы строили все более совершенные телескопы, чтобы находить эти космические радиоволны и узнавать больше о том, откуда они исходят и что они могут рассказать нам о Вселенной. В то время как ученые могут многое узнать из видимого света, который они обнаруживают с помощью обычных телескопов, они могут обнаруживать различные объекты и события, такие как черные дыры, формирующиеся звезды, планеты в процессе рождения, умирающие звезды и многое другое, используя радиотелескопы.
Вместе телескопы, которые могут видеть различные виды волн — от радиоволн до волн видимого света и гамма-лучей — дают более полную картину Вселенной, чем любой тип телескопа сам по себе.
Когда вы смотрите на ночное небо, вы видите яркие огни звезд. Если вы живете в темном месте вдали от городов, вы можете увидеть их тысячи. Но отдельные точки, которые вы видите, — это все 90 653 рядом с 90 654 звездами. Еще около 100 миллиардов звезд существуют только в нашей галактике, которую называют Млечный Путь. По мнению астрономов, помимо Млечного Пути существует еще около 100 миллиардов галактик (каждая со своими 100 миллиардами звезд). Почти все эти звезды невидимы для вашего глаза, который не может видеть тусклый свет далеких звезд. Ваши глаза пропускают и другие вещи. Видимый свет, который могут видеть ваши глаза, — это лишь крошечная часть того, что астрономы называют « электромагнитный спектр », весь спектр различных световых волн, которые существуют. Электромагнитный спектр также включает гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны.
Поскольку человеческий глаз может видеть только видимый свет, нам приходится строить специальные телескопы, чтобы улавливать остальную часть этого «спектра», а затем превращать их в изображения и графики, которые мы можем видеть.
Что такое радиоволна?
Свет состоит из мельчайших частиц, называемых « фотонов ». Фотоны в видимом свете имеют среднее количество энергии. Когда у фотонов немного больше энергии, они становятся ультрафиолетовым излучением, которое вы не можете видеть, но которое может дать вам солнечный ожог. С большей энергией фотоны становятся рентгеновскими лучами, которые проходят сквозь вас. Если фотоны обладают еще на 90 653 больше 90 654 энергии, они становятся гамма-лучами, исходящими из звезд при их взрывах.
Но когда фотоны имеют немного меньшую энергию, чем фотоны видимого света, они известны как инфракрасное излучение. Вы можете почувствовать их как тепло. Наконец, мы называем фотоны с наименьшей энергией «радиоволнами».
Радиоволны исходят из странных мест в космосе — самых холодных и старых мест и звезд с наибольшим количеством материала, набитого в маленьком пространстве. Радиоволны сообщают нам о частях Вселенной, о существовании которых мы даже не знали бы, если бы использовали только наши глаза или телескопы, которые видят видимые фотоны.
Длина волны и частота
Радиоастрономы используют эти радиофотоны для изучения невидимой Вселенной. Фотоны движутся волнами, как будто они катаются на американских горках, которые снова и снова используют одни и те же два участка пути [1]. Размер волны фотона — его длина волны — говорит вам о его энергии. На рис. 1 показаны волны с двумя разными длинами волн. Если волна длинная, у нее не так много энергии; если он короткий, в нем много энергии. Радиоволны не обладают большой энергией, а это значит, что они распространяются большими волнами с большой длиной волны. Радиоволны могут иметь ширину в сотни футов или всего несколько сантиметров.
- Рис. 1. Фотоны распространяются волнами. Длина каждой волны называется длиной волны.
Астрономы также говорят о том, сколько из этих волн каждую секунду проходит через точку — радиоволну с « частотой ». Вы можете думать о частоте, представляя пруд с водой. Если бросить камень в воду, по пруду пойдет рябь. Если вы стоите в воде, волны бьют вам по щиколотку. Количество волн, которые врезаются в вас за одну секунду, говорит вам о частоте этих волн. Одна волна в секунду называется 1 Герц . Миллион волн в секунду равен 1 МГц. Если волны длинные, меньшее их количество поражает вас каждую секунду, поэтому у длинных волн меньшая частота. Радиоволны имеют большую длину волны и малую частоту.
Пионеры радио
Первый радиоастроном не собирался быть первым радиоастрономом. В 1933 году человек по имени Карл Янски работал над проектом для Bell Laboratories, лаборатории в Нью-Джерси, названной в честь Александра Грэма Белла, изобретшего телефон.
Там инженеры разрабатывали первую телефонную систему, которая работала через Атлантический океан. Когда люди впервые пытались звонить по этой системе, они слышали шипение на заднем фоне в определенное время дня. Лаборатории Белла считали, что шум вреден для бизнеса, поэтому послали Карла Янски выяснить, что его вызывает. Вскоре он заметил, что шипение началось, когда середина нашей галактики поднялась в небе, и закончилось, когда она зашла (все в небе восходит и заходит точно так же, как Солнце и Луна). Он выяснил, что радиоволны, исходящие из центра галактики, нарушали телефонную связь и вызывали шипение. Он и телефон зафиксировали радиоволны из космоса [1]. Янский открыл новую, невидимую вселенную. Вы можете увидеть изображение антенны, которую Карл Янски использовал для обнаружения радиоволн из космоса, на рис. 2.
- Рис. 2. Основоположник радиоастрономии Карл Янский стоит рядом с построенной им антенной, которая обнаружила первые радиоволны, идентифицированные как исходящие из космоса.
Источник: НРАО.
Источник: НРАО.Вдохновленный исследованиями Дженкси, человек по имени Гроте Ребер построил радиотелескоп на своем заднем дворе в Иллинойсе. Он закончил телескоп диаметром 31 фут в 1937 году и использовал его, чтобы осмотреть все небо и увидеть, откуда исходят радиоволны. Затем по данным, собранным им со своего радиотелескопа, он составил первую карту «радионеба» [2].
Radio Telescope Talk
Вы можете видеть видимый свет, потому что фотоны видимого света распространяются небольшими волнами, а ваш глаз мал. Но поскольку радиоволны большие, ваш глаз должен быть большим, чтобы их обнаружить. Таким образом, в то время как обычные телескопы имеют диаметр в несколько дюймов или футов, радиотелескопы намного больше. Телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии имеет ширину более 300 футов, и его можно увидеть на рисунке 3. Телескоп Аресибо в джунглях Пуэрто-Рико имеет ширину почти 1000 футов. Они выглядят как гигантские версии тарелок спутникового телевидения, но работают как обычные телескопы.
- Рис. 3. Хотя такие инструменты, как показанный здесь телескоп Грин-Бэнк, могут не выглядеть как традиционные телескопы, они работают почти так же, но обнаруживают радиоволны вместо видимого света. Затем они превращают эти радиоволны, невидимые человеческому глазу, в изображения и графики, которые могут интерпретировать ученые. Источник: НРАО.
Чтобы использовать обычный телескоп, вы наводите его на объект в космосе. Затем свет от этого объекта попадает на зеркало или линзу, которая отражает этот свет на другое зеркало или линзу, которая затем снова отражает свет и направляет его в ваш глаз или камеру.
Когда астроном наводит радиотелескоп на что-то в космосе, радиоволны из космоса достигают поверхности телескопа. Поверхность, которая может быть металлической с отверстиями, называемой сеткой, или сплошным металлом, например алюминием, действует как зеркало для радиоволн. Он направляет их на второе «радиозеркало», которое затем направляет их в то, что астрономы называют «приемником ».
Приемник делает то же, что и камера: он превращает радиоволны в картинку. На этой картинке показано, насколько сильны радиоволны и откуда они исходят в небе.
Radio Vision
Когда астрономы ищут радиоволны, они видят объекты и события, отличные от тех, которые они видят, когда ищут видимый свет. Места, которые кажутся темными для наших глаз или для обычных телескопов, ярко светятся в радиоволнах. Места, где формируются звезды, например, полны пыли. Эта пыль не пропускает к нам свет, поэтому вся область выглядит как черная клякса. Но когда астроном направляет на это место радиотелескопы, они видят прямо сквозь пыль: они видят, как рождается звезда.
Звезды рождаются в гигантских облаках газа в космосе. Во-первых, этот газ слипается. Затем из-за гравитации к комку притягивается все больше и больше газа. Сгусток становится все больше и больше и горячее и горячее. Когда он становится достаточно большим и горячим, он начинает сталкивать атомы водорода, мельчайшие существующие атомы, друг с другом.
Когда атомы водорода сталкиваются друг с другом, образуется гелий, атом немного большего размера. Затем этот сгусток газа становится официальной звездой. Радиотелескопы делают снимки этих молодых звезд [3].
Радиотелескопы тоже раскрывают секреты ближайшей звезды. Свет, который мы видим от Солнца, исходит от поверхности, что составляет около 9000°F. Но над поверхностью температура достигает 100 000°F. Радиотелескопы помогают нам узнать больше об этих горячих частях, которые излучают радиоволны.
На планетах нашей Солнечной системы тоже есть радиолюбители. Радиотелескопы показывают нам газы, вращающиеся вокруг Урана и Нептуна, и то, как они движутся. Северный и южный полюса Юпитера освещаются радиоволнами. Если мы пошлем радиоволны в направлении Меркурия, а затем поймать радиоволны, которые отражаются с помощью радиотелескопа, мы можем сделать карту почти так же хорошо, как Google Earth [4].
Когда они смотрят намного дальше, радиотелескопы показывают нам одни из самых странных объектов во Вселенной.
Большинство галактик имеют в центре сверхмассивные черные дыры. Черные дыры — это объекты, у которых большая масса сжата в крошечном пространстве. Эта масса придает им такое сильное притяжение, что ничто, даже свет, не может ускользнуть от их притяжения. Эти черные дыры поглощают звезды, газ и все, что подходит слишком близко. Когда эта несчастная штука чувствует гравитацию черной дыры, она сначала вращается вокруг черной дыры. По мере приближения он движется все быстрее и быстрее. Огромные струи или столбы электромагнитного излучения и материи, которые не проникают в черную дыру (иногда выше, чем ширина целой галактики), формируются над и под черной дырой. Радиотелескопы показывают эти струи в действии (рис. 4).
- Рис. 4. Галактики со сверхмассивными черными дырами в центре могут выбрасывать струи вещества и излучения, подобные тем, что показаны здесь, высота которых превышает ширину галактики. Источник: НРАО.
Массивные объекты, подобные этим черным дырам, деформируют ткань пространства, называемую пространством-временем.
Представьте, что шар для боулинга, который очень весит, устанавливается на батуте. Батут провисает. Тяжелые вещи в космосе заставляют пространство-время прогибаться, как батут. Когда радиоволны, исходящие от далеких галактик, проходят через этот прогиб, чтобы добраться до Земли, форма действует точно так же, как форма увеличительного стекла на Земле: тогда телескопы видят более крупную и яркую картину далекой галактики.
Радиотелескопы также помогают решить одну из самых больших загадок Вселенной: что такое темная энергия ? Вселенная становится больше каждую секунду. И с каждой секундой она становится все быстрее и быстрее, потому что «темная энергия» — это противоположность гравитации: вместо того, чтобы притягивать все вместе, она все больше раздвигает. Но насколько сильна темная энергия? Радиотелескопы могут помочь ученым ответить на этот вопрос, взглянув на «мегамазеры », которые естественным образом встречаются в некоторых частях космоса.
что мы можем видеть. Ученые могут использовать мегамазеры для уточнения деталей темной энергии [5]. Если ученые смогут выяснить, как далеко находятся эти мегамазеры, они смогут сказать, насколько далеко находятся разные галактики, а затем они смогут выяснить, насколько быстро эти галактики удаляются от нас.
Полный набор инструментов
Если бы у нас были только телескопы, улавливающие видимый свет, мы бы упустили большую часть событий во Вселенной. Представьте, если бы у врачей был только стетоскоп в качестве инструмента. Они могли многое узнать о сердцебиении пациента. Но они могли бы узнать гораздо больше, если бы у них также был рентгеновский аппарат, сонограмма, аппарат МРТ и компьютерный томограф. С помощью этих инструментов они могли получить более полную картину того, что происходило внутри тела пациента. Астрономы используют радиотелескопы вместе с ультрафиолетовыми, инфракрасными, оптическими, рентгеновскими и гамма-телескопами по той же причине: чтобы получить полную картину того, что происходит во Вселенной.
Глоссарий
Электромагнитный спектр : ↑ Видимый свет, который мы можем видеть, является лишь крошечной частью «электромагнитного спектра». Видимый свет состоит из фотонов со средней энергией. Фотоны с большей энергией — это ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи (гамма-лучи обладают наибольшей энергией). Фотоны с меньшей энергией — это инфракрасные и радиоволны (радиоволны имеют наименьшую энергию).
Фотон : ↑ Свет состоит из частиц, называемых фотонами, которые распространяются волнами.
Длина волны : ↑ Размер волны, в которой распространяется фотон.
Частота : ↑ Количество световых волн, проходящих мимо точки за одну секунду.
Герц : ↑ 1 Гц означает, что одна волна проходит мимо точки за одну секунду. Один мегагерц означает, что каждую секунду проходит миллион волн.
Приемник : ↑ Часть радиотелескопа, которая принимает радиоволны и преобразует их в изображение.
Темная энергия : ↑ Темная энергия действует как противоположность гравитации и отталкивает все во Вселенной дальше друг от друга.
Megamaser : ↑ Естественный космический лазер, испускающий радиоволны вместо красного или зеленого света, как у лазерной указки.
Каталожные номера
[1] ↑ Янский, К.Г. 1993. Радиоволны из-за пределов Солнечной системы. Природа 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
[2] ↑ Ребер, Г. 1944. Космическая статика. Астрофиз. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
[3] ↑ Макки, К.Ф., и Острикер, Э. 2007. Теория звездообразования. Анну. Преподобный Астрон. Астрофиз. 45, 565–687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
[4] ↑ Ostro, SJ 1993.
Планетарная радиолокационная астрономия. Преподобный Мод. физ. 65, 1235–1279. doi: 10.1103/RevModPhys.65.1235
[5] ↑ Henkel, C., Braatz, J.A., Reid, M.J., Condon, J.J., Lo, K.Y., Impellizzeri, C.M.V., et al. 2012. Космология и постоянная Хаббла: о космологическом проекте мегамазера (MCP). Симп. МАС. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
Смелая смесь новостей и идей
Генрих Герц / Фото любезно предоставлено библиотекой Wellcome, Wikimedia Commons
Куратор/рассмотренный Мэтью А. Макинтош
Общественный историк
Брюмита
Биография
Генрих Рудольф Герц был немецким физическим лицом, который в первую очередь заключил в рамках Электрик -Сент -Сент -Сент -Сент -Сент -Сент -Сент -Сент -Сент -Сент -Сент -АВИЛЬСКИЙСИМИЗМ.
. Единица частоты, цикл в секунду, была названа «герц» в его честь. [3]
Генрих Рудольф Герц родился в 1857 году в Гамбурге, тогдашнем суверенном государстве Германской Конфедерации, в зажиточной и культурной ганзейской семье. Его отцом был Густав Фердинанд Герц. [4] Его матерью была Анна Элизабет Пфефферкорн.
Во время учебы в Gelehrtenschule des Johanneums в Гамбурге Герц проявил способности к естественным наукам, а также к языкам, изучая арабский и санскрит. Он изучал науки и технику в немецких городах Дрезден, Мюнхен и Берлин, где он учился у Густава Р. Кирхгофа и Германа фон Гельмгольца. В 1880 году Герц получил докторскую степень в Берлинском университете и в течение следующих трех лет оставался для постдокторского обучения у Гельмгольца, работая его ассистентом. В 1883 году Герц стал преподавателем теоретической физики в Кильском университете. В 1885 году Герц стал профессором Университета Карлсруэ.
В 1886 году Герц женился на Элизабет Долль, дочери Макса Долла, преподавателя геометрии в Карлсруэ.
У них было две дочери: Джоанна, родившаяся 20 октября 1887 года, и Матильда, родившаяся 14 января 1891 года, которая впоследствии стала известным биологом. В это время Герц провел свое эпохальное исследование электромагнитных волн.
Герц занял должность профессора физики и директора Физического института в Бонне 3 апреля 1889 года и занимал эту должность до самой смерти. В это время он работал над теоретической механикой, его работы были опубликованы в книге Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt ( Принципы механики, представленные в новой форме ), опубликовано посмертно в 1894 году.
операции по лечению болезни. Он умер после осложнений во время операции в попытках исправить свое состояние, которое вызывало эти мигрени, которые некоторые считают злокачественным заболеванием костей. [5] Умер в возрасте 36 лет в Бонне, Германия, в 189 году.4 и был похоронен на Ольсдорфском кладбище в Гамбурге. [6][7][8]
Жена Герца, Элизабет Герц, больше не выходила замуж.
У Герца остались две дочери, Йоханна (1887–1967) и Матильда (1891–1975). Дочери Герца никогда не выходили замуж, и у него нет потомков. [9]
Научная работа
Электромагнитные волны
В 1864 году шотландский физик-математик Джеймс Клерк Максвелл предложил комплексную теорию электромагнетизма, которая теперь называется уравнениями Максвелла. Теория Максвелла предсказывала, что связанные электрические и магнитные поля могут путешествовать в пространстве как «электромагнитная волна». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн с короткой длиной волны, но никто не смог доказать это, генерировать или обнаружить электромагнитные волны с другими длинами волн.
Во время исследований Герца в 1879 году Гельмгольц предложил, чтобы докторская диссертация Герца была посвящена проверке теории Максвелла. Гельмгольц также предложил в том же году проблему «Берлинской премии» в Прусской академии наук для любого, кто сможет экспериментально доказать электромагнитный эффект в поляризации и деполяризации изоляторов, что-то предсказанное теорией Максвелла.
[11][12] Гельмгольц был уверен, что Герц был наиболее вероятным кандидатом на победу. [12] Не видя возможности построить аппарат для экспериментальной проверки этого, Герц подумал, что это слишком сложно, и вместо этого занялся электромагнитной индукцией . Герц провел анализ уравнений Максвелла во время своего пребывания в Киле, показав, что они действительно более достоверны, чем распространенные тогда теории «действия на расстоянии». [13]
После того, как Герц получил звание профессора в Карлсруэ, осенью 1886 года он экспериментировал с парой спиралей Рисса, когда заметил, что при разряде лейденской банки в одну из этих катушек возникает искра.
другая катушка. Имея представление о том, как построить аппарат, Герц теперь мог приступить к решению проблемы «Берлинской премии» 1879 года.за доказательство теории Максвелла (хотя срок действия приза истек в 1882 г.). [14][15]
Он использовал дипольную антенну, состоящую из двух коллинеарных метровых проводов с искровым промежутком между их внутренними концами и цинковыми сферами, прикрепленными к внешним концам для емкости, в качестве излучателя.
Антенна возбуждалась импульсами высокого напряжения около 30 киловольт, подаваемого между двумя сторонами катушки Румкорфа. Он принимал волны с помощью резонансной одноконтурной антенны с микрометровым разрядником между концами. В ходе этого эксперимента было получено и получено то, что сейчас называется радиоволнами в диапазоне очень высоких частот.
[17] / Изображение с Wikimedia Commons Между 1886 и 1889 годами Герц провел серию экспериментов, которые должны были доказать, что наблюдаемые им эффекты были результатом электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Начиная с ноября 1887 года со своей статьи «Об электромагнитных эффектах, вызванных электрическими возмущениями в изоляторах», Герц отправил серию статей Гельмгольцу в Берлинскую академию, в том числе статьи 1888 года, в которых показано, что электромагнитные волны в поперечном свободном пространстве распространяются с конечной скоростью на расстояние. . [15][16] В аппарате, который использовал Герц, электрические и магнитные поля излучались от проводов в виде поперечных волн. С помощью кольцевого детектора он зафиксировал, как менялась величина волны и направление компонента. Герц измерил волны Максвелла и продемонстрировал, что скорость этих волн равна скорости света. Интенсивность электрического поля, поляризация и отражение волн также измерялись Герцем.
Эти эксперименты установили, что свет и эти волны являются формой электромагнитного излучения, подчиняющегося уравнениям Максвелла.
Герц не осознавал практической важности своих экспериментов с радиоволнами. Он заявил, что [18][19][20] « Это бесполезно […] это просто эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав — у нас просто есть эти загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем видеть. невооруженным глазом. Но они есть. «
На вопрос о применении его открытий Герц ответил: [18][21] « Ничего, я думаю, .»
СЛЕВА: Демонстрация преломления: радиоволны преломляются при прохождении через смоляную призму, подобно световым волнам при прохождении через стеклянную призму.
[17] СПРАВА: График Герца для стоячих волн, возникающих при отражении радиоволн от металлического листа. / Изображение с Wikimedia Commons Доказательство Герцем существования электромагнитных волн в воздухе привело к взрыву экспериментов с этой новой формой электромагнитного излучения, которая примерно до 19 века называлась «волнами Герца».10, когда термин «радиоволны» стал общепринятым. В течение 10 лет исследователи, такие как Оливер Лодж, Фердинанд Браун и Гульельмо Маркони, использовали радиоволны в первых системах беспроводной телеграфной радиосвязи, что привело к радиовещанию, а затем к телевидению. В 1909 году Браун и Маркони получили Нобелевскую премию по физике за «вклад в развитие беспроводной телеграфии». [22] Сегодня радио является важной технологией в глобальных телекоммуникационных сетях и средой передачи, лежащей в основе современных беспроводных устройств. [23][24]
Катодные лучи
В 1892 году Герц начал эксперименты и продемонстрировал, что катодные лучи могут проникать через очень тонкую металлическую фольгу (такую как алюминий).
Филипп Ленард, ученик Генриха Герца, продолжил исследование этого «лучевого эффекта». Он разработал вариант катодной трубки и исследовал проникновение рентгеновских лучей в различные материалы. Однако Филипп Ленард не осознавал, что производит рентгеновские лучи. Герман фон Гельмгольц сформулировал математические уравнения для рентгеновских лучей. Он постулировал теорию дисперсии до того, как Рентген сделал свое открытие и объявил. Она сформировалась на основе электромагнитной теории света ( Аннален Видмана , Vol. XLIII). Однако он не работал с настоящими рентгеновскими лучами.
Фотоэлектрический эффект
Герц помог установить фотоэффект (который позже объяснил Альберт Эйнштейн), когда он заметил, что заряженный объект легче теряет свой заряд при освещении ультрафиолетовым излучением (УФ). В 1887 году он провел наблюдения за фотоэлектрическим эффектом, а также за производством и приемом электромагнитных (ЭМ) волн, результаты которых были опубликованы в журнале Annalen der Physik. Его приемник состоял из катушки с искровым разрядником, благодаря которому при обнаружении электромагнитных волн можно было увидеть искру. Он поместил аппарат в затемненный ящик, чтобы лучше видеть искру. Он заметил, что максимальная длина искры в коробке уменьшалась. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала УФ-излучение, которое помогало электронам перепрыгивать через зазор. При удалении длина искры увеличится. Он не заметил уменьшения длины искры, когда заменил стекло кварцем, поскольку кварц не поглощает УФ-излучение. Герц завершил свое многомесячное расследование и сообщил о полученных результатах. Он не стал продолжать исследование этого эффекта и не пытался объяснить, как было вызвано наблюдаемое явление.
Контактная механика
Мемориал Генриха Герца в кампусе Технологического института Карлсруэ, что переводится как На этом месте Генрих Герц открыл электромагнитные волны в 1885–1889 годах. / Фото Клауса-Дитера Келлера, Wikimedia Commons В 1886–1889 годах Герц опубликовал две статьи о том, что стало известно как область контактной механики, которые оказались важной основой для более поздних теорий в этой области. Жозеф Валентин Буссинеск опубликовал некоторые критически важные наблюдения о работе Герца, тем не менее установив, что эта работа по контактной механике имеет огромное значение. Его работа в основном резюмирует, как два осесимметричных объекта, помещенных в контакт, будут вести себя под нагрузкой. Он получил результаты, основанные на классической теории упругости и механике сплошной среды. Самым существенным недостатком его теории было игнорирование любой природы сцепления между двумя твердыми телами, что оказывается важным, поскольку материалы, составляющие твердые тела, начинают приобретать высокую эластичность. Однако в то время было естественным пренебречь адгезией, поскольку не существовало экспериментальных методов ее проверки.
Для развития своей теории Герц использовал свое наблюдение за эллиптическими кольцами Ньютона , образованными при помещении стеклянного шара на линзу, в качестве основы для предположения, что давление, оказываемое сферой, подчиняется эллиптическому распределению. Он снова использовал формирование колец Ньютона, подтверждая свою теорию экспериментами по вычислению смещения сферы в линзе. Кеннет Л. Джонсон, К. Кендалл и А. Д. Робертс (JKR) использовали эту теорию в качестве основы при расчете теоретического смещения или глубина отпечатка при наличии адгезии в 1971 г. [25] Теория Герца восстанавливается из их формулировки, если предполагается, что адгезия материалов равна нулю. Похожая на эту теорию, но с использованием других предположений, Б. В. Дерягин, В. М. Мюллер и Ю. П. Топоров опубликовали в 1975 году другую теорию, которая стала известна в исследовательском сообществе как теория ДМТ, которая также восстановила формулировки Герца в предположении о нулевой адгезии.
Эта теория DMT оказалась преждевременной и нуждалась в нескольких пересмотрах, прежде чем она была принята в качестве еще одной теории контакта материалов в дополнение к теории JKR. Теории DMT и JKR составляют основу контактной механики, на которой основаны все модели переходного контакта и которые используются для прогнозирования параметров материала в наноиндентировании и атомно-силовой микроскопии. Эти модели занимают центральное место в области трибологии, и Дункан Доусон назвал его одним из 23 «людей трибологии». [26] Исследования Герца со времен его лекционной работы, предшествовавшие его большой работе по электромагнетизму, которую он сам со свойственной ему трезвостью считал тривиальной, способствовали эпохе нанотехнологий.
Герц также описал «конус Герца», тип режима разрушения хрупких твердых тел, вызванный передачей волн напряжения.
Метеорология
Герц всегда проявлял глубокий интерес к метеорологии, вероятно, связанный с его контактами с Вильгельмом фон Бецольдом (который летом 1878 года был его профессором на лабораторном курсе в Мюнхенском политехническом институте). Будучи ассистентом Гельмгольца в Берлине, он написал несколько небольших статей в этой области, включая исследования по испарению жидкостей, [27] новый вид гигрометра и графическое средство определения свойств влажного воздуха при адиабатических изменениях. [28]
Нацистское преследование
Генрих Герц был лютеранином на протяжении всей своей жизни и не считал бы себя евреем, так как вся семья его отца обратилась в лютеранство [29] когда его отец был еще в детстве ( в возрасте семи лет) в 1834 году.0046 Rathaus ) из-за его частичного еврейского происхождения. (С тех пор картина была возвращена на всеобщее обозрение. [31] )
Вдова и дочери Герца покинули Германию в 1930-х годах и поселились в Англии.
Наследие и почести
Изображение предоставлено Deutsche Bundespost, Wikimedia Commons Племянник Генриха Герца Густав Людвиг Герц был лауреатом Нобелевской премии, а сын Густава Карл Гельмут Герц изобрел медицинское УЗИ. Его дочь Матильда Кармен Герц была известным биологом и сравнительным психологом. Внучатый племянник Герца Герман Герхард Герц, профессор Университета Карлсруэ, был пионером ЯМР-спектроскопии и в 1995 опубликовал лабораторные записи Герца. [32]
Единица СИ герц (Гц) была установлена в его честь Международной электротехнической комиссией в 1930 году для частоты, выражающей количество повторений события в секунду. Он был принят CGPM (Conférence générale des poids et mesures) в 1960 году, официально заменив предыдущее название «циклы в секунду» (cps).
В 1928 году в Берлине был основан Институт Генриха-Герца по исследованию колебаний. Сегодня известный как Институт телекоммуникаций им. Фраунгофера, Институт Генриха Герца, HHI .
В 1969 году в Восточной Германии была отлита памятная медаль Генриха Герца [33] . Медаль IEEE Генриха Герца, учрежденная в 1987 году, является « за выдающиеся достижения в области волн Герца» […] ежегодно вручается человеку за достижения, которые носят теоретический или экспериментальный характер ».
В 1980 году в Италии в районе Cinecittà Est в Риме была основана Высшая школа под названием «Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz».
В его честь назван кратер, расположенный на обратной стороне Луны, сразу за восточным краем. Его именем назван рынок радиоэлектронной продукции Hertz в Нижнем Новгороде, Россия. Радиотелекоммуникационная башня Heinrich-Hertz-Turm в Гамбурге названа в честь знаменитого сына города.
Герц отмечен Японией членством в Ордене Священного Сокровища, который имеет несколько уровней чести для выдающихся людей, включая ученых. [34]
Генрих Герц был удостоен чести ряда стран мира в своих почтовых выпусках, а в послевоенное время он также появлялся на различных выпусках немецких марок.
В день его рождения в 2012 году компания Google почтила Герца дудлом Google, вдохновленным работой всей его жизни, на своей главной странице. [35][36]
Приложение
Примечания
- Креч, Ева-Мария; Сток, Эберхард; Хиршфельд, Урсула; Андерс, Лутц Кристиан (2009 г.)). Deutsches Aussprachewörterbuch [ Словарь немецкого произношения ] (на немецком языке). Берлин: Вальтер де Грюйтер. стр. 575, 580.
- Dudenredaktion; Кляйнер, Стефан; Кнёбл, Ральф (2015) [Впервые опубликовано в 1962 году]. Das Aussprachewörterbuch [ Словарь произношения ] (на немецком языке) (7-е изд.). Берлин: Дуденферлаг. п. 440.
- История МЭК. Iec.ch.
- «Биография: Генрих Рудольф Герц». Архив истории математики MacTutor. Проверено 2 февраля 2013 г.
- Робертсон, О’Коннор. «Генрих Рудольф Герц». MacTutor . Университет Сент-Эндрюс, Шотландия. Проверено 20 октября 2020 г.
- Hamburger Friedhöfe » Ohlsdorf » Prominente. Friedhof-hamburg.de. Проверено 22 августа 2014 года .
- План Ohlsdorfer Friedhof (карта кладбища Ohlsdorfer). friedhof-hamburg.de.
- Институт IEEE, знаете ли вы? Исторические «факты», которые не соответствуют действительности. Архивировано 10 января 2014 г. в Wayback Machine
- Susskind, Charles. (1995). Генрих Герц: короткая жизнь. Сан-Франциско: San Francisco Press.
- Appleyard, Ролло (октябрь 1927 г.). «Пионеры электрической связи, часть 5 — Генрих Рудольф Герц» (PDF). Электрическая связь . Нью-Йорк: International Standard Electric Corp. 6 (2): 63–77. Проверено 19 декабря 2015 г. Два изображения показаны на стр. 66, рис. 3 и с. 70 рис. 9
- Генрих Герц. nndb.com. Проверено 22 августа 2014 г.
- Бэрд, Дэвис, Хьюз, Р.И.Г. и Нордманн, Альфред, ред. (1998). Генрих Герц: физик-классик, современный философ. Нью-Йорк: Springer-Verlag.
- Хейлброн, Джон Л. (2005) Оксфордский справочник по истории физики и астрономии . Издательство Оксфордского университета.
- Бэрд, Дэвис, Хьюз, Р.И.Г. и Нордманн, Альфред, ред. (1998). Генрих Герц: физик-классик, современный философ. Нью-Йорк: Springer-Verlag.
- Хуурдеман, Антон А. (2003) Всемирная история телекоммуникаций . Уайли.
- «Наиболее важные эксперименты — наиболее важные эксперименты и их публикации между 1886 и 1889 годами». Институт Фраунгофера Генриха Герца. Проверено 19 февраля 2016 г.
- Пирс, Джордж Вашингтон (1910 г.). Принципы беспроводной телеграфии . Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Co., стр. 51–55.
- «Генрих Рудольф Герц». История . Институт химии, Еврейский университет. сайта Иерусалима. 2004. Архивировано из оригинала 25 сентября 2009 г.. Проверено 6 марта 2018 г.
- Капри, Антон З. (2007) Колкости, цитаты и кванты: анекдотическая история физики . Всемирная научная. стр. 93.
- Нортон, Эндрю (2000). Динамические поля и волны . КПР Пресс. п. 83.
- Генрих Герц (1893). Электрические волны: исследования распространения электрического действия с конечной скоростью в пространстве . Дуврские публикации.
- «Нобелевская премия по физике 1909 года». Нобелевский фонд. Проверено 18 января 2019 г..
- «Генрих Герц | немецкий физик». Британская энциклопедия . Проверено 21 мая 2021 г.
- «Как работает радио». HowStuffWorks . 7 декабря 2000 г. Проверено 14 марта 2019 г.
- Джонсон, К.Л.; Кендалл, К.; Робертс, AD (1971). «Поверхностная энергия и контакт упругих тел» (PDF) . Труды Королевского общества A . 324 (1558): 301–313. Бибкод: 1971RSPSA.324..301J. doi: 10.1098/rspa.1971.0141. S2CID 137730057. 907:17 Доусон, Дункан (1 апреля 1979 г.). «Люди трибологии: Генрих Рудольф Герц (1857–1894) и Ричард Стрибек (1861–1950)». Журнал технологии смазки . 101 (2): 115–119. дои: 10.1115/1.3453287. ISSN 0022-2305.
- Герц, Х. (1882 г.). «Ueber die Verdunstung der Flüssigkeiten, insbesondere des Quecksilbers, im luftleeren Raume». Аннален дер Физик . 253 (10): 177–193. doi:10.1002/andp.18822531002. ISSN 1521-3889.
- Маллиган, Дж. Ф.; Герц, Х.Г. (1997). «Неопубликованная лекция Генриха Герца: «Об энергетическом балансе Земли ». Американский журнал физики . 65 (1): 36–45. Бибкод: 1997AmJPh..65…36M. дои: 10.1119/1.18565.
- olff, Stefan L. (2008-01-04) Juden wide Willen – Wie es den Nachkommen des Physikers Heinrich Hertz im NS-Wissenschaftsbetrieb erging . Jüdische Allgemeine.
- Робертсон, Струан II. Здания, являющиеся неотъемлемой частью прежней жизни и/или преследований евреев в Гамбурге – Eimsbüttel/Rotherbaum I. uni-hamburg.de
- Герц, Х.Г.; Донсель, М.Г. (1995). «Лабораторные заметки Генриха Герца 1887 года». Архив истории точных наук . 49 (3): 197–270. дои: 10.1007/bf00376092. S2CID 121101068.
- Генрих Рудольф Герц Архивировано 3 июня 2013 г. в Wayback Machine. Highfields-arc.co.uk. Проверено 22 августа 2014 г.
- L’Harmattan: Список кавалеров японского Ордена Священного Сокровища (на французском языке)
- Альбанесиус, Хлоя (22 февраля 2012 г.). «Google Doodle чествует Генриха Герца, пионера электромагнитных волн». Журнал ПК . Проверено 22 февраля 2012 г.
- 155 лет со дня рождения Генриха Рудольфа Герца. Google (22 февраля 2012 г.). Проверено 22 августа 2014 г.
Дополнительная литература
- Hertz, HR «Ueber sehr schnelle electric Schwingungen», Annalen der Physik , vol. 267, нет. 7, с. 421–448, май 1887 г. doi: 10.1002/andp.18872670707
- Hertz, HR «Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electric Entladung», Annalen der Physik , том. 267, нет. 8, с. 983–1000, июнь 1887 г. doi: 10.1002/andp.18872670827
- Герц, Х.Р. 270, нет. 5, с. 155–170, март 1888 г. doi: 10.1002/andp.18882700510
- Hertz, HR «Ueber die Ausbreitungsgeschwindigkeit der electrodynamischen Wirkungen», Annalen der Physik , vol. 270, нет. 7, с. 551–569, май 1888 г. doi:10.1002/andp.18882700708
- Hertz, HR (1899) The Principles of Mechanics Presented in a New Form , Лондон, Macmillan, с введением Германа фон Гельмгольца (английский перевод Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt , Лейпциг, опубликовано посмертно) в 1894 г. ).
- Дженкинс, Джон Д. «Открытие радиоволн – 1 888; Генрих Рудольф Герц (1847–1894)» (получено 27 января 2008 г.)
- Нотон, Рассел. «Генрих Рудольф (альтернативный: Рудольф) Герц, доктор: 1857–189.4» (получено 27 января 2008 г.)
- Роберж, Пьер Р. «Генрих Рудольф Герц, 1857–1894» (получено 27 января 2008 г.)
- Appleyard, Rollo. (1930). Пионеры электросвязи ». Лондон: Макмиллан и компания. перепечатано издательством Ayer Company Publishers, Манчестер, Нью-Гэмпшир
- Боданис, Дэвид. (2006). Electric Universe: Как электричество повлияло на современный мир. Нью-Йорк: Three Rivers Press.
- Бухвальд, Джед З. (1994). Создание научных эффектов: Генрих Герц и электрические волны. Чикаго: Издательство Чикагского университета.
- Брайант, Джон Х. (1988). Генрих Герц, Начало микроволн: открытие электромагнитных волн и открытие электромагнитного спектра Генрихом Герцем в 1886–1892 годах. Нью-Йорк: IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике).
- Лодж, Оливер Джозеф. (1900). Передача сигналов через пространство без проводов с помощью электрических волн: описание работы [Генриха] Герца и его преемников. перепечатано Arno Press, Нью-Йорк, 1974.
- Могис, Дэниел. (2000). Контакт, адгезия и разрыв упругих тел. Нью-Йорк: Springer-Verlag.
- Сасскинд, Чарльз. (1995). Генрих Герц: короткая жизнь. Сан-Франциско: San Francisco Press.
Первоначально опубликовано Википедией 05.10.2001 под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported.
Нравится:
Нравится Загрузка…
Комментарии
комментариев
Теги: Генрих Герц История История радионауки Технологии
Странные радиоволны исходят из центра галактики
12 октября 2021
Сигнал из глубин Млечного Пути дразнит ученых
Иностранный студент Зитенг Ван обнаружил необычные сигналы из глубины Млечного Пути с помощью радиотелескопа CSIRO ASKAP. Теперь астрономы ищут дополнительные доказательства того, какой тип объекта мог их излучать.
Художественное впечатление от ASKAP J173608.2-321635 Себастьяна Центиломо.
Астрономы обнаружили необычные сигналы, исходящие из центра Млечного Пути. Радиоволны не соответствуют ни одной известной в настоящее время схеме переменного радиоисточника и могут указывать на новый класс звездных объектов.
«Самым странным свойством этого нового сигнала является то, что он имеет очень высокую поляризацию. Это означает, что его свет колеблется только в одном направлении, но это направление меняется со временем», — сказал Зитенг Ван, ведущий автор нового исследования и аспирант Школы физики Сиднейского университета.
«Яркость объекта тоже резко меняется, в 100 раз, и сигнал включается и выключается, по-видимому, случайным образом. Мы никогда не видели ничего подобного».
Ведущий автор и аспирант Зитэн Ван из Школы физики.
Многие типы звезд излучают переменный свет в электромагнитном спектре. Благодаря огромным достижениям в области радиоастрономии изучение переменных или движущихся объектов в радиоволнах представляет собой огромную область исследований, помогающую нам раскрыть секреты Вселенной. Пульсары, сверхновые, вспыхивающие звезды и быстрые радиовсплески — все это типы астрономических объектов, яркость которых меняется.
«Сначала мы подумали, что это может быть пульсар — очень плотный тип вращающейся мертвой звезды — или тип звезды, излучающей огромные солнечные вспышки. Но сигналы от этого нового источника не соответствуют тому, что мы ожидаем от небесных объектов такого типа», — сказал г-н Ван.
Информация об открытии объекта была опубликована сегодня в Астрофизическом журнале .
Сигналы от ASKAP J173608.2-321635 глубоко внутри Млечного Пути
Впечатление художника от Себастьяна Центиломо
Г-н Ван и международная группа, в которую вошли ученые из национального научного агентства Австралии CSIRO, Германии, США, Канады, Южной Африки, Испании и Франции, обнаружили объект с помощью радиотелескопа CSIRO ASKAP в Западной Австралии. . Последующие наблюдения проводились с помощью телескопа MeerKAT Южноафриканской радиоастрономической обсерватории.
Научным руководителем доктора Ванга является профессор Тара Мерфи, также из Сиднейского института астрономии и Школы физики.
Профессор Мерфи сказал: «Мы исследовали небо с помощью ASKAP, чтобы найти необычные новые объекты в рамках проекта, известного как Variables and Slow Transients (VAST), в течение 2020 и 2021 годов.
«Глядя в центр Галактики, мы найден ASKAP J173608.2-321635, названный по его координатам. Этот объект был уникален тем, что сначала он был невидимым, затем стал ярким, исчез, а затем снова появился. Такое поведение было экстраординарным».
Обнаружив шесть радиосигналов от источника за девять месяцев 2020 года, астрономы попытались найти объект в видимом свете. Они ничего не нашли.
Они обратились к радиотелескопу Паркса и снова не смогли обнаружить источник.
Профессор Тара Мерфи из Школы физики и Сиднейского института астрономии.
Профессор Мерфи сказал: «Затем мы попробовали более чувствительный радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке. Поскольку сигнал был прерывистым, мы наблюдали за ним по 15 минут каждые несколько недель, надеясь, что увидим его снова.
«К счастью, сигнал вернулся, но мы обнаружили, что поведение источника резко изменилось — источник исчез за один день, хотя в наших предыдущих наблюдениях ASKAP он длился несколько недель».
Однако это дальнейшее открытие не раскрыло больше секретов этого кратковременного радиоисточника.
«Информация, которой мы располагаем, имеет некоторые параллели с другим новым классом таинственных объектов, известных как Радиопереходные процессы Галактического центра, в том числе с одним, получившим название «космическая отрыжка», — сказал соруководитель г-на Вана, профессор Дэвид Каплан из Университета Висконсина. -Милуоки.
Профессор Дэвид Каплан из Университета Висконсин-Милуоки.
«Хотя наш новый объект, ASKAP J173608.2-321635, имеет некоторые общие свойства с GCRT, у него есть и отличия. В любом случае, мы не совсем понимаем эти источники, так что это добавляет загадочности».
Ученые планируют внимательно следить за объектом, чтобы найти больше подсказок относительно того, что это может быть.
«В следующем десятилетии трансконтинентальный радиотелескоп Square Kilometer Array (SKA) будет подключен к сети. Он сможет каждый день составлять чувствительные карты неба», — сказал профессор Мерфи. «Мы ожидаем, что мощность этого телескопа поможет нам разгадать такие загадки, как это последнее открытие, но также откроет огромные новые просторы космоса для исследования в радиодиапазоне».
Декларация
Исследователи получали финансирование и поддержку от следующих организаций: Австралийского исследовательского совета, Национального научного фонда США, Европейского исследовательского совета, Канадского совета по естественным и инженерным исследованиям и Центра информатики Сиднейского университета.
Радиотелескоп ASKAP является частью Австралийского национального фонда телескопов, которым управляет CSIRO.
