הרץ והתיאוריה של מקסוול

תורת היחסות הפרטית של אינשטיין פורסמה ב-1905 תחת הכותרת “על האלקטרודינמיקה של גופים בתנועה”. כאשר מדברים על אלקטרודינמיקה מתכוונים לזו של ג’יימס קלארק מקסוול. והרי זה ברור. אינשטיין פתח את מאמר היחסות המפורסם שלו בעל הכותרת הזו באלו המילים: “זה ידוע שהאלקטרודינמיקה של מקסוול – כפי שבדרך כלל מבינים אותה כיום, כאשר היא מיושמת לגופים בתנועה היא מובילה לאסימטריות שלא נראות כטבועות בתופעות”. אולם לתיאוריה של מקסוול היה קשה לפלס את דרכה אל תוככי ההכרה של הקהילייה המדעית. היא לא כה בקלות הייתה מובנת מאיליה במדע. לאחר שהיא התפרסמה היה צורך בניסוי מכריע שיבסס את מעמדה. להלן תולדות העלילה.

ג’יימס קלארק מקסוול חקר בחשמל ומגנטיות ופרסם את מסה על חשמל ומגנטיות ב-1873. במסה זו מקסוול כונן את התורה הקלאסית של האלקטרומגנטיות ובעושו כן הוא סיכם את העבודות של קודמיו.

ב-1855 מקסוול הרצה על “קווי הכוח של פרדיי” בפני האגודה הפילוסופית של קיימבריג’. לפני כן הוא קרא את המחקרים היסודיים של פרדיי. פרדיי הגה את מושג קווי הכוח המגנטיים והוא הציע שכוחות מגנטיים וחשמליים אינם פועלים ישירות על גופים מרוחקים אלא הם מועברים על ידי השדות החשמלי והמגנטי, שממלאים את החלל המפריד ביניהם. מקסוול התוודע לכתביו של מדען בריטי נודע נוסף, פרופסור ויליאם תומסון, או בכינויו המאוחר לורד קלווין. ב-1845, תומסון הניח את היסודות לתורה המתמטית של החשמל – אולם ללא בסיס פיזיקאלי וזאת לפי רעיונותיו של פרדיי. מקסוול ניסח בצורה שלמה ועקבית את התורה האלקטרומגנטית.

במאמרו מ-1855 מקסוול פרש את משוואות התורה האלקטרומגנטית הבסיסיות שסיפקו את החוקים הידועים של קולון, אמפר ופרדיי. אולם נותרה עדיין בעיה בלתי פתורה: משוואת אמפר. שש שנים מאוחר יותר בעודו הוגה מודל פיזיקאלי מחשבתי מאוד משכולל שמבוסס על המערבולות המולקולאריות והחלקיקים בשדה האלקטרומגנטי, מקסוול הציע שהחלל הריק הכיל תווך חומרי לו קרא “אתר” והשדות החשמלי והמגנטי בחלל צריכים להיחשב כמצבים מכאניים בתווך זה. מקסוול הבין שלצורך תיאור עקבי של משוואות השדה האלקטרומגנטי היה עליו להניח שלאתר היו תכונות אלסטיות ולכן יש להוסיף איבר נוסף – לו קרא זרם ההעתק – למשוואת אמפר. כך מקסוול הגיע לארבע משוואות יסוד לשדה האלקטרומגנטי, קבוצה שידועה כיום בשם משוואות מקסוול.

ההנחה של התווך האלסטי – האתר – רמזה על התפשטות של גל אלקטרומגנטי: מושג שמקסוול בקלות אישר על ידי קבלת משוואת הגלים מארבעת משוואותיו. הפתרון למשוואת הגלים היה גל אלקטרומגנטי מתפשט במהירות האור, מה שתאם למהירות האור אותה חישב פיזו בניסויים האופטיים שלו מ-1849 ולכן מקסוול הסיק שהאור הוא גלים חשמליים ומגנטיים. מקסוול הציג את מסקנתו במאמרו, “תורה דינאמית של השדה האלקטרומגנטי” אותו הרצה בפני הרוייאל סוסייאטי בדצמבר 1864. בהקדמה למאמר מקסוול ציין: “ניתן לקרוא לתורה אותה אני מציע… התורה של השדה האלקטרומגנטי כי היא עוסקת בחלל ובסביבה של גופים חשמליים ומגנטיים ו…היא מניחה שבחלל יש חומר בתנועה, שבאמצעותו התופעות האלקטרומגנטיות נוצרות”. יעברו 22 שנים מפרסום מאמרו של מקסוול ב-1864 ועד לניסויים הראשונים של היינריך רודולף הרץ שהדגימו נחרצות את הקיום של גלים אלקטרומגנטיים.

ב-1878 הרץ הגיע לאוניברסיטת ברלין ופגש את פרופסור הרמן פון הלמהולץ, אחד מאנשי המדע הגדולים של גרמניה. החל מ-1847 הלמהולץ התעניין בנושא החשמל. עם פרסום מאמריו של מקסוול, הלמהולץ היה הראשון לחקור ולהעריך את חשיבותם במחקרים פיזיקאליים עתידיים. הלמהולץ רצה לגשר בין התורה של מקסוול לתורה אחרת שהוצעה באותו הזמן ושהתבססה על הפיזיקה הניוטונית – התורה של נויימן וובר. כדי לפתור את הבלבול בו יש כמה תיאוריות אלקטרומגנטיות, האקדמיה הפרוסית בברלין החליטה ב-1879, בעקבות הצעה של הלמהולץ, להציע את פרס ברלין. התורה שהציע פרדיי ונוסחה מתמטית על ידי מקסוול הניחה הנחות מסוימות; “האקדמיה דורשת שהוכחה ניסויית מכרעת תסופק בעד או נגד הקיום של השפעות אלקטרודינמיות…כפי שמניח אותן מקסוול, או בעד או נגד…” ההנחות של התורות האחרות.

הלמהולץ החשיב את הרץ לאדם הסביר ביותר למחקר הזה והבטיח לסטודנט הצעיר להיות אסיסטנט באוניברסיטה אם יענה לאתגר. אולם בטרם הרץ החליט לבצע את הניסויים הוא חקר את הבעיה בצורה אנליטית וגם הבין שבשלב זה לא ניתן לבצע את הניסויים ולכן הוא פנה קודם לסיים את הדוקטורט. ב-1880 הוא קיבל את הדוקטורט בהצטיינות בגיל 23. אחר כך הוא נשאר אסיסטנט של הלמהולץ למשך שלוש שנים ואז עבר לאוניברסיטת קייל לעבוד כחוקר בפיזיקה תיאורטית.

ב-1884 הרץ פרסם מאמר שכותרתו, “על היחסים בין המשוואות האלקטרומגנטיות היסודיות של מקסוול למשוואות היסודיות של אלקטרומגנטאים מתנגדים”. הוא הגיע למסקנה ש”אם הבחירה מונחת רק בין המערכת הרגילה של האלקטרומגנטיות לבין זו של מקסוול, יש להעדיף את זו המאוחרת”.

ב-1885 הרץ קבל משרה של פרופסור בטכניון של הוכשול. הציעו לו קידום בקייל אבל הוא סרב לעסוק בפיזיקה תיאורטית על חשבון הפיזיקה הניסויית. בהוכשול הייתה לו מחלקה משלו, כולל מעבדה מצוידת היטב וצוות עובדים. מאוחר יותר ב-1886 הוא החל בסדרת הניסויים שלו בגלים אלקטרומגנטיים בסיוע האסיסטנט שלו ג’וליוס אמונס.

למכשיר הראשון בו השתמש הרץ קראו “ספירלות קנוכנהאור”. אלה היו סלילי חוטי נחושת מלופפים על ליבה שטוחה, כאשר קצות החוטים הסתיימו באלקטרודות כדוריות שיש ביניהן מרווח ניצוץ קטן מאוד. בעודו מבצע ניסויים בעזרת מכשיר זה, הרץ שם לב לכך שהופיע ניצוץ. הניסויים עם סלילי קנוכנהאור היו מכריעים להצלחה שבאה אחר כך בניסויים עם הגלים האלקטרומגנטים, מכיוון שהרץ גילה אמצעי לגילוי הקרינה ממרווח הניצוץ. הרץ נטש את ספירלות קנוכנהאור והחליפן בתיל שמוליך זרם ישר: חוט נחושת ארוך מחובר בקצותיו לשני כדורי נחושת מוליכים וביניהם מרווח ניצוץ. הרץ אפשר לניצוץ לעבור ולעורר תנודות חשמליות. זוהי אנטנה חצי-גל או דיפול חצי-גל. ניסויים נוספים הובילו את הרץ להבין שבידיו המכשיר והטכניקות הניסוייות כדי להמשיך ולעסוק בבעיית פרס ברלין שהוצעה שמונה שנים קודם לכן.

הרץ הרגיש שהעוקץ בהשקפת פרדיי ומקסוול מונח בהנחה שמקסוול ניבא שגלים אלקטרומגנטיים נעים במהירות סופית. במאמרו, “על מהירות ההתפשטות הסופית של הפעולות האלקטרומגנטיות” מ-1888 הרץ מתאר את הניסוי הראשון שלו למדידת מהירות התפשטות הגלים האלקטרומגנטיים. הרץ הכניס את הדיפול חצי-גל לתוך מוקד מחזיר גלילי. הוא חיבר את הדיפול לסלילי השראה. המחזיר מיוצר מחתיכת אבץ שהתעקמה על פני מסגרת מעץ לעקמומיות הנדרשת כדי לתת את האורך המוקדי והחריץ הנדרשים. מחזיר זהה יחד עם דיפול, שמורכב משתי חתיכות של תיל, שימש כאנטנה המקבלת. בעזרת מכשיר זה הרץ הדגים את ההחזרה, השבירה והקיטוב של הגלים האלקטרומגנטיים. בעזרת מכשיר דומה לדיפול הרץ גם קבע את מהירות התפשטות הגלים האלקטרומגנטיים.

הרץ אישר את ההנחות של מקסוול. הוא שלח כתב יד להמלהולץ בדורשו להציג זאת לאקדמיה הפרוסית למדעים. לא ידוע האם הרץ קיבל את הפרס, כי הזמן עבר ב-1882, אבל איש לא נכנס לתחרות. הרץ מת צעיר בן 36 ולכן לא חי כדי לראות את ההתפתחויות הטכנולוגיות מעבודתו היסודית.

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s