pohledy do minulosti elektrotechniky

Pohledy do minulosti elektrotechniky
10
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 3
POHLEDY DO MINULOSTI ELEKTROTECHNIKY
Objevitelé a jejich učitelé
(Příběh Heinricha Rudolfa Hertze)
Objevování nových přírodních zákonů lze přirovnat
k říčnímu toku. Začíná drobným praménkem, klikatí se
četnými meandry a slepými rameny a mohutní četnými
přítoky. V našem přirovnání jsou těmito přítoky dílčí poznatky
dosažené mnoha badateli; koncem pomyslného toku je pak
odhalení nového přírodního jevu. Na tento mechanismus
upozornil již Isaac Newton (*1642, †1727), když se zamýšlel
nad genezí svého díla. Prohlásil: „Pokud jsem viděl dále, bylo
to proto, že jsem stál na ramenou obrů“, avšak neprozradil,
kdo byli oni obři (Toto tvrzení se samo potvrzuje, protože jej
Newton převzal od svých předchůdců...). Zatímco objevitelům,
kteří vstoupili až do poslední fáze vývoje poznatků a podařilo
se jim formulovat nový objev, je vyhrazeno místo v síni slávy
a jejich jména se stávají součástí učebnic, jména badatelů, kteří
vytýčili cestu pro zrození objevu, zůstávají v hlubokém stínu
a mnohdy i v anonymitě. Nejinak tomu bývá u učitelů, kteří
přivedli své žáky k vědeckým objevům. Historie nebývá
k učitelům spravedlivá. Ačkoliv u svých žáků vzbudili lásku
k vědě, inspirovali je a vytýčili cíl jejich snažení, jejich jména
se v souvislosti s objevem zpravidla neuvádějí.
Naši úvahu ilustrujme nahlédnutím do krátké životní dráhy
Heinricha Rudolfa Hertze (*1857, †1894). Hertz dovršil
Maxwellův vědecký odkaz: realizoval elektromagnetické vlny
a prozkoumal jejich vlastnosti. Tím se stal zakladatelem
moderní bezdrátové telekomunikační elektrotechniky. Cenným
zdrojem poznání Hertzova života jsou biografické vzpomínky
[1], které spolu s osobní korespondencí a Hertzovým deníkem
uveřejnila jeho matka, Johanna Hertzová, sedm let po předčasném úmrtí svého syna.
Heinrich Rudolf Hertz (*1857, †1894)
Ve škole patřil Hertz k nejlepším žákům. V roce 1865
připsal jeho učitel na školní vysvědčení: „Při vyučování
se třpytí jako hvězda první velikosti“ [1]. V osmnácti letech
maturoval a poté začal studovat stavební inženýrství
na Vysoké škole technické v Drážďanech. Studium jej však
nezaujalo, v dopisu rodičům si stěžuje, že „ …přednášky jsou
dosti nudné“ [1]. Proto přestoupil na stavební inženýrství
při Vysoké škole technické v Mnichově, avšak záhy se
ukázalo, že ani tato inženýrská škola nevzbudila jeho zájem.
Herz navštívil několik přednášek z matematiky a fyziky
na mnichovské univerzitě a okamžitě si uvědomil, že jeho
touhu po hlubším vzdělání v exaktních vědách může naplnit
univerzitní studium. Zanechal studia na technice a plně se
věnoval univerzitnímu studiu matematiky a fyziky. Nadaného
studenta si povšiml profesor matematiky a fyziky Philipp Jolly
a rozhodl se věnovat mu svou péči. Diskutoval s ním
o fyzikálních problémech, které silně převažovaly školní látku,
a seznamoval ho s díly klasiků. Hertze tehdy hluboce zaujala
Montuculova kniha „Dějiny matematiky“ z roku 1800.
V dopise rodičům o ní píše s nadšením: „…je to tlustá kniha
o čtyřech svazcích, je však překrásně napsaná, lze ji číst skoro
bez námahy, ač je obsáhlá a kritická, a pokud ji mohu
posuzovat, je výborná“ [1]. Hertz později s entuziasmem
prostudoval
Lagrangeovu
„Analytickou
mechaniku“,
Laplaceovu
„Nebeskou
mechaniku“
a
Poissonovu
„Mechaniku“. Prof. Jolly tím otevřel mladému Hertzovi nový
svět matematických a fyzikálních teorií a vzbudil v něm
hluboké zaujetí pro studium fyzikálních jevů. Sblížení s prof.
Jollym se stalo prvním osudovým milníkem v životě mladého
Hertze.
Philipp von Jolly (*1809, †1884) by v německy mluvících
zemích uznávaným experimentálním fyzikem [2]. Získal
profesuru na univerzitě v Heidelbergu a po úmrtí profesora
Georga Simona Ohma převzal jeho katedru fyziky
na univerzitě v Mnichově. Profesor Jolly se věnoval
mechanice. Je autorem uznávané knihy Prinzipien
der Mechanik (r. 1852), zpřesnil dosavadní měření gravitační
konstanty a vybudoval teorii osmózy. Zastával názor, že fyzika
již dosáhla svého vrcholu a dále se nebude rozvíjet. Traduje se
historka, podle níž otec později slavného fyzika Maxe Plancka
(byl profesorem na právnické fakultě) požádal svého kolegu
Jollyho o radu, zda se má jeho syn věnovat studiu fyziky − ten
se rozhodoval mezi kariérou koncertního pianisty, klasickou
filologií a fyzikou. Jolly prý tehdy odpověděl [2], [3], [4]: „Je
to docela hezký obor, ale něco podstatně nového tam
nedokážete, neboť objevem principu zachování energie je
oblast teoretické fyziky v podstatě uzavřena. Je možné ještě tu
a tam v nějakém koutku vyhmátnout malé smítko, ale něco
principiálně nového už nenajdete.“ Max Planck této rady
(naštěstí) neuposlechl, vystudoval fyziku a o dvacet let později
„nevyhmátl jen malé smítko“, ale svou kvantovou hypotézou
změnil celou fyziku a naše představy o světě.
Záhy se ukázalo, že pozitivní vliv prof. Jollyho na Hertze
má své meze. Názorem prof. Jollyho, že fyzika je uzavřenou
disciplínou a nic podstatného již nelze objevit byl Hertz
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 3
Pohledy do minulosti elektrotechniky
zklamán, měl jiné představy o vývoji fyziky. V té době měla
v Německu nejvyšší vědeckou úroveň berlínská univerzita,
především zásluhou profesorů Hermanna von Helmholtze
a Gustava Roberta Kirchhoffa. Hertz se rozhodl opustit
mnichovskou univerzitu a v r. 1878 vstoupil na berlínskou
univerzitu, aby zde studoval u těchto mistrů matematiky
a fyziky.
Když Hertz nastoupil ke studiu na berlínské univerzitě,
profesor Helmholtz okamžitě poznal Hertzovo mimořádné
nadání, věnoval mu svou péči a poté trvale stál v pozadí všech
Hertzových vědeckých úspěchů. Uvědomoval si, že má-li být
Maxwellem předložený matematický model elektromagnetického pole životaschopný, nutno jej dotvořit. Patrně si též
uvědomoval, že na vyřešení tohoto zajímavého, leč dlouhodobého a náročného úkolu se mu již nedostává dost sil. Proto
problém svěřil Hertzovi a postup jeho řešení pečlivě sledoval.
Ukázalo se, že se v Hertzovi nezmýlil. Pro Hertze se stalo
setkání s Helmholtzem druhým mezníkem v jeho vědeckém
životě.
Hermann von Helmholtz (*1821, †1894), [4], [5]. Jeho
všestranný duch zanechal hluboké stopy v mnoha oborech
přírodních věd. Nejvýznamnější jsou Helmholtzovy práce
v termodynamice, zejména jeho přesná formulace zákona
zachování energie (r. 1847), při níž navázal na starší práce
J. R. Mayera a J. P. Jouleho. Max v. Laue označil Helmholtze
za „ …muže, jehož univerzální duch dovedl plně rozvinout
univerzální význam tohoto principu“ [4]. Helmholtz odhalil
nové poznatky v dalších oborech fyziky, zejména v hydraulice,
akustice a optice. Pozoruhodné jsou jeho objevy ve fyziologii
(zjistil, že nervová vlákna vycházejí z gangliových buněk,
měřil rychlost šíření nervových vzruchů) a oftalmologii
(sestrojil oftalmoskop a oftalmometr). S nadšením sledoval
novou Faraday-Maxwellovu koncepci elektromagnetických
jevů a zabýval se též řešením dílčích elektrotechnických
problémů; např. navrhl uspořádání cívek pro generování
homogenního magnetického pole (tzv. Helmholtzovy cívky).
Šíři Helmholtzova vědeckého zájmu a hloubku jeho myšlení
ocenil Maxwell tím, že jej nazval intelektuálním gigantem.
Hermann von Helmholtz (*1821, †1894)
11
Maxwellovo dílo “A Treatise on Electricity and
Magnetism“ (r. 1873), v němž předložil matematickou teorii
elektromagnetického pole, bylo ve své době přijato fyziky
poměrně chladně. Bariérou byla nejen velmi stručná (a tím
těžko srozumitelná) Maxwellova formulace, ale především
novost myšlenek založených na fyzikální (Faradayově)
představě elektromagnetického pole. Ve vědeckém vědomí
byly tehdy ještě silně zakotveny „předmaxwellovské“
koncepce formující pevná schémata mechanistického myšlení,
z nichž se podařilo vymanit jen nemnoha fyzikům. Například
i slavný Gustav Robert Kirchhoff setrvával až do konce svého
života (r. 1887) na starém pojetí elektrických fluid. Mezi první
stoupence, horlivé propagátory a obdivovatele patřili Hermann
Helmholtz, Ludwig Boltzmann a Oliver Heaviside.
Prvním dílčím problémem, který Helmholtz předložil tehdy
ještě studentovi Hertzovi, bylo experimentální vyšetření
elektrického náboje, který se pohybuje ve vodiči jako
elektrický proud. V podstatě šlo o rozhodnutí mezi starší
koncepcí Weberovou, která převáděla elektrické jevy
na účinky sil působících na dálku a šířících se nekonečnou
rychlostí nevažitelnými fluidy, a koncepcí FaradayMaxwellovou, založenou na vlastnostech elektromagnetického
pole. Hertz, který se neomezil na experimenty, které mu navrhl
Helmholtz, plnou měrou potvrdil představy tvůrců nové teorie
elektromagnetického pole. Helmholtz Hertzovu práci vysoce
ocenil a na konci letního semestru 1879 získal Hertz zlatou
medaili berlínské univerzity, kterou mu předal rektor, filosof
E. Zellner. Hertzova první vědecká práce byla předzvěstí jeho
pozdějších velkých objevů. V roce 1880 obhájil Hertz
doktorskou disertaci na téma „O indukci v rotujících koulích“.
Jejími oponenty byli profesoři Helmholtz a Kirchhoff
a klasifikovali je známkou „velmi dobře“, což bylo v té době
vynikající hodnocení. V dopisu svým rodičům Hertz s radostí
píše [1]: „Doktory zdejší univerzity se stejnou známkou, jako
mám já, lze spočítat na prstech a zvláště u Helmholtze a
Kirchhoffa se jí doposud dostalo jen nemnohým.“ Také ústní
rigorózní zkouška, konaná u Helmholtze, byla klasifikována
„Magna cum laude“. Ve zkušebním protokolu je tento zápis
[3], [4] : Prof. Helmholtz zahájil zkoušku v hlavním oboru …
kandidát zodpověděl všechny otázky vesměs s velkou jistotou a
jasností. Prof. Zellner, který zkoušel … filosofii, byl
s odpověďmi kandidáta velmi spokojen, stejně jako Kirchhoff a
Krummer.“ Helmholtz nabídl Hertzovi místo asistenta,
s nástupem od 1. října 1880, s ročním platem 1100 marek a
služebním bytem. Hertz nabídku s radostí přijal a ve funkci
asistenta setrval dva a půl roku. Vůči svému slavnému učiteli
Helmholtzovi, „prvnímu přírodovědci Německa“, jak jej
ve svých dopisech Hertz označoval, choval hlubokou úctu,
avšak jeho osobním jednáním byl poněkud zklamán − pruský
tajný rada Helmholtz byl formální a odměřený.
Na Helmholtzův podnět vypsala v roce 1880 berlínská
Akademie věd úlohu, jejímž cílem bylo zevrubněji prozkoumat
Maxwellovu teorii. Jednalo se o zjištění, zda časově proměnné
elektrické pole v izolantech (tzv. posuvný proud) je
doprovázeno magnetickým polem, s čímž starší teorie
(Ampére, Weber) nepočítaly. Jinými slovy šlo o vyšetření, zda
elektromagnetické vlny, jejichž existence vyplývala z Maxwelových rovnic, jsou fyzikální realitou. Vyřešení této úlohy se
Hertzovi podařila až po důkladné přípravě, o sedm let později.
Protože Hertz neměl na berlínské univerzitě možnost
dalšího postupu, uposlechl Kirchhoffovy rady a v r. 1883 se
habilitoval jako soukromý docent pro obor matematická fyzika
12
Pohledy do minulosti elektrotechniky
na univerzitě v Kielu. Pedagogická činnost na této provinční
univerzitě, poznamenaná malým počtem studentů a jejich
nezájmem, vyvolávala u Hertze pocity zklamání. Občas se
stávalo, že přišel na přednášku, ale posluchárna zela
prázdnotou. „Velmi znechucen“, poznamenal k tomu ve svém
deníku [1]. Na druhé straně to bylo období naplněné
soustředěným studiem a promýšlením nesnadné Maxwellovy
teorie. Nedokonalé laboratorní zařízení a nejasné vyhlídky
na získání profesury vedly k tomu, že v r. 1885 přijal nabídku
místa řádného profesora fyziky na Vysoké škole technické
v Karlsruhe. Teprve zde byl připraven k vyřešení úlohy, kterou
před sedmi lety vypsala berlínská Akademie věd. Dne
1. května 1887 píše Hertz svým rodičům [1]: „…Nyní pracuji
velmi horlivě, není dne bez malého pokroku; doufám, že
neplodný čas minul a že ovoce již uzrálo, i když to jsou jen
rozinky a nikoliv ananasy.“
V období let 1886 - 1888 realizoval své klasické
experimenty. Potvrdil jimi existenci elektromagnetických vln,
ale též prozkoumal zákony jejich šíření, odrazu, lomu,
polarizace a některé další vlastnosti společné s vlastností
světelných vln. Slavné Hertzovy experimenty jsou popsány
např. v [3], [6], [7]. Na praktické využití výsledků svých
geniálních experimentů Hertz nepomýšlel. Podrobně referoval
o svých poznatcích Helmholtzovi. Například v dopise ze dne
5. 11. 1887, připojeném ke studii, kterou nazval „O indukčních
jevech vyvolaných elektrickými pochody“, píše [1], [4], [8]:
„ …nemohl jsem Vám neposlat tuto práci, jelikož v ní
objasňuji problematiku, k níž jste mi dal před několika lety
podnět. Stále jsem měl na zřeteli tuto úlohu a posléze jsem
nalezl cestu k jejímu rozřešení, která snad dá jasný výsledek.“
Odpověď byla stručná: „Rukopis jsem dostal. Bravo!
Ve čtvrtek jej zašlu do tisku. Hermann von Helmholtz“
(Hertzův článek pak vyšel v časopisu Annalen der Physik und
Chemie.)
Objevem elektromagnetických vln a prozkoumáním jejich
vlastností se stal Hertz slavným a uznávaným vědcem. Hertz
stanul na vrcholu světové proslulosti a domácí i zahraniční
vědecké společnosti jej přijímaly do svých řad. Katedru fyziky
mu nabídla univerzita v Giessenu (na uvolněné místo
po Conradu Röntgenovi, který odešel do Wűrzburgu), poté
berlínská univerzita (po úmrtí Roberta Kirchhoffa) a posléze
univerzita v Bonnu (po úmrtí Rudolfa Clausia). Nabídku
berlínské univerzity, jíž si Hertz velmi vážil, inicioval
Helmholtz. Ten ve svém dobrozdání ministerstvu hodnotí
Hertzův „výkon mimořádného teoretického významu“, jehož
realizace se „zdála být nemožná pro téměř beznadějné
experimentální obtíže“, které Hertz překonal „vzácným
spojením hlubokých teoretických znalostí a praktickou
zručností“ [4]. Nakonec se Hertz rozhodl pro menší univerzitu
v Bonnu, na níž nastoupil v r. 1889. Domníval se, že tam
nalezne klid pro svou vědeckou práci. Helmholtz k tomu
ve svém dopisu Hertzovi poznamenává [1], [9]: „Osobně lituji,
že nechcete přijít do Berlína, ale jak jsem Vám již dříve sdělil,
myslím, že jednáte ve vlastním zájmu zcela správně, dáváte-li
přednost Bonnu. Kdo před sebou vidí ještě mnoho vědeckých
úkolů, nechť se raději vyhne velkoměstům.“ Hertzovo
očekávané klidné prostředí se však nesplnilo; bylo třeba
věnovat mnoho úsilí na budování ústavu a jeho přístrojového
vybavení. Podařilo se mu však získat dům, v němž bydlel jeho
předchůdce R. Clausius. „Že v tom domě bydlel muž v mé vědě
velice slavný, má přirozeně svůj půvab pro mne a pro všechny
fyziky, kteří mne snad navštíví“, psal svým rodičům [1].
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 3
Zbývajících několik let života věnoval Hertz přípravě
rukopisu „Principy mechaniky v nových souvislostech“, jehož
vydání se již nedožil. Helmholtz nazval toto Hertzovo dílo
„poslední památkou jeho poslední činnosti“. Hertz, stejně jako
Maxwell, považoval mechaniku za základní fyzikální vědu,
z níž je možno odvodit všechny přírodní jevy. Pokusil se
vybudovat ryze fenomenologickou matematickou teorii zákonů
mechaniky, bez použití pojmu síly. Jeho koncepce však
nenalezla pokračovatele, i když ji Boltzmann a obdobě Planck
nazvali „fyzikou budoucnosti“. Svými vnitřními rozpory byla
předzvěstí blížící se krize klasické fyziky.
Hertz zemřel 1. ledna 1894, ve věku pouhých sedmatřiceti
let. Ve svém posledním dopise rodičům píše: „ …netruchlete
a buďte trochu hrdi při vědomí, že patřím k těm zvláště
vyvoleným, kteří žijí jen krátce, a přece žijí dosti… „ [1].
O povaze tohoto jedinečného badatele pravil Helmholtz [3]:
„ …svými objevy si zajistil ve vědě trvalou slávu. Jeho
památka však nebude žít dál jen v jeho pracích, nýbrž všichni,
kdo ho znali, nezapomenou na jeho laskavou povahu, na jeho
trvalou skromnost, na věrnou vděčnost, kterou zachovával vůči
svým učitelům…“. V témže roce zemřel i jeho učitel Hermann
Helmholtz.
Jak vznikají objevy? Důležitá otázka (nejen pro manažery
vědy), ale též nesnadná. Na příběhu Heinricha Hertze jsme
ukázali, že jednou z podmínek pro odhalení fyzikálního jevu
jsou nejen hluboké znalosti a především mimořádné tvůrčí
schopnosti objevitele, ale také vliv jeho učitele. Jen výjimečně
je vzájemná spolupráce mezi žákem a učitelem tak intenzivní,
jako tomu bylo v našem příběhu. V biografii objevitelů však
vždy nalézáme v počátcích jejich kariéry nějaký vnější, třeba
jen nevýrazný podnět, který se ukáže jako určující
pro vymezení jejich celoživotních cílů. Jako příklad
připomeňme, že jen několik přednášek o elektrotechnice, které
uvedl profesor Karel Václav Zenger na pražské technice,
rozhodlo o životní dráze tehdy mimořádného studenta
Františka Křižíka [10].
Prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc.
Literatura
[1] Hertz, J. Heinrich Hertz. San Francisco Press, San
Francisco 1927.
[2] Böhm, G. Philipp von Jolly, ein Lebens- und
Charakterbild. Sitzungsberichte der Bayerischen
Akademie der Wissenschaft zu München, math.−phys.
Kl., 15 (1885), str. 118-136.
[3] Herneck, F. Bahnbrecher des Atomzeitalters. Buchverlag
Der Morgen, Berlin, 1971.
[4] Laue, M. Dějiny fyziky. Orbis, Praha, 1963.
[5] Kraus, I. Fyzika v kulturních dějinách Evropy. Století
elektřiny. ČVUT v Praze, Praha, 2008. ISBN 978-80-0104052-2.
[6] Mayer, D. Heinrich Hertz a elektromagnetické vlny.
Dějiny věd a techniky, 22, 1989, č. 4, str. 209−222.
[7] Hertz, H. Gesammelte Werke von Heinrich Hertz.
J. A. Barth, Leipzig 1895.
[8] Flössing, A. Heinrich Hertz: Eine Bibliografie. Hamburg,
Hoffmann und Campe, 1997.
[9] Kutzera, J. Heinrich Hertz. BSB B. G. Teubner
Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1977.
[10] Křižík, F. Paměti. Techn. - věd. vydavatelství, Praha,
1952.