Только 14 дней лежал манускрипт на письменных столах экспертов. Гельмгольц оценил работу на "очень хорошо". "Она показывает, - писал он, что автор умеет проводить трудные математическо-физические исследования с большой уверенностью и находчивостью. Результаты интересны и новы". Кирхгоф как второй эксперт добавил: "Я присоединяюсь к положительной оценке работы и ходатайствую о допуске кандидата к экзамену".
О ходе докторского экзамена, проходившего 5 февраля 1880 года, Герц сообщил на следующий день родителям: "Некоторую неловкость испытал я, однако, когда шел вчера в университет и увидел, что в сенатском зале горят все огни. Экзамен длился от шести до восьми. Стоило мне начать, и я сразу увидел, что не должен провалиться". Далее он пишет: "Как только у меня появлялась неуверенность, экзаменаторы торопились поднять мое мужество детски легкими вопросами и перейти в другую область. В философии я мог бы блеснуть, если бы профессор Целлер не спрашивал слишком уж легко".
Протокол экзамена в актах Гумбольдтовского университета подтверждает и дополняет слова Герца.
"Господин Гельмгольц, - говорится там, - начал экзамен с основного предмета. Он спросил о фактах, обнаруженных посредством наблюдений, благодаря которым пришли к признанию волновой теории света. Кандидат ответил на все без исключения поставленные вопросы с большой уверенностью и ясностью. Профессор Целлер спрашивал о досократовской, платоновской и аристотелевской философии и был удовлетворен ответами кандидата".
На все вопросы, поставленные Кирхгофом, который продолжил экзамен по основному предмету, Герц также ответил "полностью правильно и уверенно". Математик Куммер закончил экзамен вопросами из области механики и ее применения и из теории кривых плоскостей. И здесь кандидат показал себя "хорошо ориентированным почти во всем в этих предметах". Общей оценкой экзамена была - "хорошо" ("magna cum laude").
Оценка "хорошо" была тогда редкой в Берлинском университете и Герц остался ею весьма доволен. "Считанные доктора здешнего университета имеют мою оценку, и, особенно у Гельмгольца и Кирхгофа, это удается немногим", гордо сообщает он родителям. Еще раньше, вскоре после своего прибытия в Берлин, он писал: "К здешним докторам относятся с трепетным уважением, и они кажутся, мне во всяком случае, иными, чем где-либо в других местах".
15 марта 1880 года Герц получает диплом доктора, написанный по-латыни. Вскоре после этого Гельмгольц предлагает высокоодаренному молодому физику освободившееся место ассистента в своем институте.
Два с половиной года Герц был ассистентом в институте на Рейхстагуфер. Наряду со своими служебными обязанностями по руководству практикантами он находил время делать собственные эксперименты и публиковать их результаты. В его работах обсуждались вопросы термодинамики, теории упругости, твердости тел, испарения. "Равновесие плывущей льдины, на которой стоит человек", тоже относилось к проблемам, которыми он занимался.
Как следует из писем к родителям, начиная с лета 1882 года, Герц занялся световыми явлениями в разреженных газах. При этом он заметил, что исследования в этой еще "очень неясной" области, по его мнению, приобретут большое теоретическое значение. Это было верным предвидением. Исследование катодных лучей, о котором здесь шла речь, привело в дальнейшем к открытию рентгеновских лучей и к снятию таинственного покрова со структуры материи событиям, до которых не пришлось дожить самому Герцу.
Молодого физика направлял и оказывал на него влияние при этих исследованиях частный берлинский ученый Евгений Гольдштейн. Он был на семь лет старше Герца и тоже принадлежал к числу учеников Гельмгольца.
Эти примечательные световые явления в гейслеровских трубках, известные с конца 50-х годов и описанные Плюккером, Гитторфом и Круксом, Гольдштейн назвал катодными лучами. Как раз в то время, когда Герц был ассистентом Гельмгольца, Гольдштейн написал несколько капитальных работ об электрических разрядах в разреженных газах. В 1886 году, вскоре после отъезда Герца из Берлина, он увенчал свою исследовательскую деятельность открытием "каналовых" лучей, которые сыграли важную роль в экспериментальных исследованиях следующих лет.
Герц находил, что экспериментирование с катодными трубками в высшей степени увлекательно и в эстетическом плане. В письмах к родителям он снова и снова описывал эти "чудесные" явления и изумительную игру красок, которая вызывала его восхищение.
Искусство стеклодува, которым Генрих Герц, как и большинство физиков и химиков его поколения, мастерски владел, весьма пригодилось ему при этих опытах. Кстати, молодой Вильгельм Оствальд, судя по воспоминаниям его учителя, также был превосходным стеклодувом.
Подобно всем крупным экспериментаторам, Генрих Герц был необычайно находчив и неисчерпаем на выдумки в том, что касается приспособлений для опытов. "За день можно придумать опытов и работ больше, чем сделать за год", - читаем мы в письме от 2 декабря 1882 года. Он изобрел и сам построил несколько научных измерительных приборов, например гигрометр и электродинамометр, который он использовал для своих экспериментов с газосветными разрядами.
Герц не боялся однообразной механической работы, которая была неизбежной, например, при самостоятельной постройке большого источника постоянного тока. "Я тружусь совершенно так же, как фабричный рабочий, писал он 6 сентября 1882 года, - потому что я тысячу раз повторяю каждое движение руки, так, я часами только и делаю, что сверлю отверстия одно подле другого, гну жестяные полосы, потом часами лакирую их и так далее".
Уже работы берлинского периода выявляют ту беспощадную самокритичность в оценке результатов опытов, которая была характерна для позднейших работ исследователя. Герц никогда не удовлетворялся констатацией какого-либо положения, но всегда точно указывал границы, в которых оно действительно. Этот рано развившийся самокритический подход стал одним из источников его научного величия.
За время своего ассистентства Герц по-человечески ближе познакомился с "имперским канцлером науки", как любили называть Гельмгольца в годы культа Бисмарка. Гельмгольц часто приглашал своего сотрудника на чай или на званые вечера в свою роскошно обставленную служебную квартиру.
Однако более близкое знакомство со знаменитым физиком оказалось во многих отношениях разочаровывающим. Гельмгольц был в обращении чопорен и формален и до мозга костей прусский тайный советник. Он "не относится к хорошим собеседникам... - замечал Герц в письме к родителям, - он говорит так медленно и размеренно, что по крайней мере для меня невозможно слушать его внимательно, если речь не идет о вещах, при обсуждении которых действительно хочется взвешивать каждое слово".
Такие внешние моменты, конечно, не умаляли уважения и благодарности, которые Герц испытывал к своему наставнику. В речи, посвященной памяти Герца, Планк говорил о "детском почитании своего учителя Гельмгольца", которое Герц проявлял при каждой возможности: "нельзя было не заметить, что он сам воспринимал как благо возможность облечь в личную форму восхищение достоинством и истинностью своей науки".
В Берлине для молодого физика-исследователя не было тогда возможности продвижения, во всяком случае в обозримый промежуток времени. Поэтому Герц последовал совету Кирхгофа принять доцентуру по математической физике в университете Киля. Министерство просвещения дало согласие. На время его приват-доцентуры до разрешения на экстраординарную профессуру, для которой он предназначался, для него была предусмотрена постоянная денежная субсидия.
Нелегко было страстному физику-экспериментатору уйти из главного центра физических исследований и преподавания, каким был Берлинский университет при Гельмгольце и Кирхгофе, в провинциальный университет, где в его распоряжений не было даже простой лаборатории. В Берлине он располагал самыми лучшими приборами для своей дальнейшей исследовательской работы. Регулярные собрания в Берлинском физическом обществе, где он сам несколько раз делал доклады, стимулировали его научную работу. От всего этого он должен был теперь отказаться.
После того как в мае 1883 года за статью о газосветном разряде он получил право преподавания, Герц два года преподавал в Киле математическую физику.
Влияние его преподавательской деятельности на этот маленький университет, где на всех факультетах, взятых вместе, насчитывалось лишь несколько сот студентов, было скромно. Большей частью в его аудитории сидело лишь 6...8 студентов. В хорошую летнюю погоду их было еще меньше. Так, в июле 1883 года он писал, что посещаемость лекций за последние недели, когда было особенно жарко, пострадала, к его "немалому огорчению", несколько раз число присутствующих опускалось до двух. Поскольку одновременно с понижением температуры оно вновь поднялось до четырех, он решил, что может не ставить себе в вину столь скудное посещение. Время от времени он находил аудиторию совсем пустой. "Большое расстройство", - писал он по этому поводу в своем дневнике.
При таких обстоятельствах молодой ученый имел относительно много времени для размышления о научных вопросах и работы над специальной литературой. Это было лучшее из того, чем отмечены годы, проведенные в Киле, и что впоследствии очень благоприятно отразилось на его успехах.
Заметки в дневнике позволяют детально проследить исследования, проводимые доцентом.
Так, 19 января 1884 года говорится: "Обдумывал электродинамические опыты". 27 января он отметил: "Размышлял об электромагнитном излучении". 29 января он раздумывал об электромагнитной теории света. 4 марта его занимала недавно вышедшая "Механика" Эрнста Маха. 6 марта он посвятил оптике. 11 мая говорится: "Вечером - основательно - электродинамика по Максвеллу". 13 мая: "Исключительно электродинамика". 16 мая: "Весь день занимался электродинамикой".
Вплоть до поздней осени 1884 года на первом плане стояли занятия электродинамикой. Все время встречаются записи о том, что Герц "размышлял" над вопросами электродинамики. В их числе появляется заметка: "Упорно размышлял над электродинамикой". Наряду с этим он интересовался также трудами Давида Фридриха Штрауса, посвященными критике религии, и читал переписку между Гёте и Шиллером, Гауссом и Шумахером.
Но Герц не мог быть полностью удовлетворен своей деятельностью в Киле. "Очень плохое настроение", - отметил он в дневнике 29 октября 1884 года. Предоставление обещанной профессуры оттягивалось от семестра к семестру. Из-за этого у него не было прочной основы для существования. Но большей частью его угнетало, по-видимому, отсутствие возможности экспериментировать в хорошо оборудованном институте, к чему он привык в свои берлинские годы. Маленькая частная лаборатория, которую он начал оборудовать самодельными приборами в подсобном помещении своей квартиры, могла быть лишь паллиативом.
Герц был прирожденным экспериментатором. Несмотря на свои ярко выраженные математические способности и живые теоретические наклонности, он не чувствовал себя счастливым, занимаясь математической физикой. Он тосковал, как писал Планк, по своему любимому делу - эксперименту.
Поэтому он с радостью принял осенью 1884 года приглашение на должность ординарного профессора физики в Высшую техническую школу в Карлсруэ, где в его распоряжении был институт с хорошим экспериментальным оборудованием.
В марте 1885 года Герц переселяется в город, который в последующие четыре года стал ареной его великих открытий и местом рождения его мировой славы. "Утром осмотрел институт в политехникуме и остался доволен", значится в дневнике 30 марта 1885 года. Двумя днями позднее он отмечает: "В институт доставлен оптический шкаф. Найдена подходящая квартира".
Во всяком случае, было покончено, как он писал, с "безмятежным досугом приват-доцента". Он должен был заниматься всевозможными институтскими и административными делами. Подготовка к лекциям, экзамены и факультетские обязанности всякого рода мешали ему заниматься собственной научной работой. В июне 1885 года он жаловался в письме своим родителям: "Неужели я тоже стану одним из тех, кто, получив профессуру, перестает что-либо создавать".
Дневник верно отображает жизнь молодого профессора. Среди заметок о служебных делах, о ссоре с учеником механика, разбившим диск большой электростатической машины, о теоретических вопросах, короткая и деловая - в стиле сообщений о результатах физических опытов - запись о том, что он помолвлен с дочерью одного из коллег. Через год после своего переселения в Карлсруэ, летом 1886 года, Герц женится.
Вскоре после этого, в октябре 1886 года, начинаются в "удивительном сплетении заслуг и счастья", как писал Планк, те классические эксперименты, которые создали научную славу Генриха Герца. Их непосредственным исходным пунктом - подобно открытию Эрстеда в 1820 году - было случайное наблюдение во время подготовки и проверки учебного эксперимента.
При экспериментировании с электрическими разрядами Герц заметил искрение одной из двух близко лежавших друг подле друга изолированных спиралей. Он сразу же предположил, что это явление основано на процессе индукции и его следует толковать как электромагнитный резонанс, сравнимый с аналогичным акустическим явлением. Очевидно, было возможно с помощью искрового индуктора и в открытой катушке с небольшим количеством витков вызывать быстрые электрические колебания.
Теперь Герц вернулся к вопросу, поставленному в конкурсном задании Берлинской Академии наук, от разработки которого он отказался семь лет назад, потому что тогда не видел возможности разрешить его при помощи имевшихся в его распоряжении средств. Но вскоре он вышел за рамки частной проблемы, которая была предметом конкурсного академического сочинения: влияют ли изоляторы на электродинамические процессы?
Герц поставил перед собой гораздо более широкую задачу: он хотел выяснить, существуют ли в действительности электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла. За несколько дней он изготовил необходимые приборы и начал планомерно экспериментировать.
25 октября 1886 года в дневнике записано: "Получил искровой микрометр и начал с ним опыты". 26 октября: "Ставил опыты над искрами в коротких металлических контурах". 29 октября: "Опыты с искрами". И так продолжается до 2 декабря 1886 года, когда появляется первое значительное свидетельство успеха: "Удалось вызвать явление резонанса между двумя электрическими колебаниями".
В ходе этих опытов Герц создал основную форму дипольной антенны, которая и сегодня применяется в технике УКВ. При помощи этого прибора он мог получать быстрые электрические колебания, необходимые для осуществления его исследовательского замысла и для оценки теории Максвелла.
5 декабря 1886 года Герц отправил Гельмгольцу первое письменное сообщение о своих наблюдениях, противоречащих теории дальнодействия. Предварительные результаты своих экспериментов он обобщил в двух работах.
Первая была опубликована под заголовком "Об очень быстрых электрических колебаниях" в "Видемановских анналах физики и химии". Вторая, толчком для которой послужила идея, высказанная Фарадеем, была написана в его духе и под заголовком "О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд" напечатана в материалах заседаний Берлинской Академии наук. Она была посвящена побочному явлению, возникавшему при некоторых опытах с искрами.
Герц наблюдал влияние ультрафиолетового света на искровой разряд. Он открыл таким образом закономерность, которую уже через год подробно исследовал экспериментальным путем дрезденский физик Вильгельм Галлвакс, а позднее Филипп Ленард. Однако теоретическое объяснение этой закономерности было дано лишь в 1905 году Альбертом Эйнштейном. Речь идет о фотоэлектрическом эффекте, электрическом действии света, которое, как показал Эйнштейн, основывается на квантовом обмене энергией между фотонами и электронами.
В силу чисто внешних обстоятельств, при которых Герц проводил свои опыты, он иногда оказывался на ложном пути. Он должен был работать с очень длинными электрическими волнами. Между тем особые условия резонанса в помещении, где ставились опыты, приводили к неверным результатам. "Неблагоприятное влияние помещений", как он писал, не могло быть устранено даже при усилении тщательности наблюдений.
Он придумывал все новые условия опытов и месяцами проводил контрольные эксперименты, чтобы проверить надежность результатов своих наблюдений. Нередко ему казалось, что он "заблуждается, несмотря на все старания". При этом наиболее сомнительным был вывод, к которому он пришел из-за помех. Ему показалось, что электрическая сила распространяется в проводах с иной скоростью, чем в вакууме. Это противоречило бы максвелловской теории. Через некоторое время ему удалось исправить свою ошибку.
5 ноября 1887 года Герц послал Гельмгольцу новую статью - "О явлении индукции, вызываемом в изоляторах электрическими процессами". Он просил его предложить рукопись Берлинской Академии наук.
Гельмгольца эта работа должна была особенно обрадовать: в ней Герц блестяще и исчерпывающим образом решил конкурсную задачу Академии от 1879 года. Он сумел показать, что изолятор может быть местом электромагнитных процессов. Это подтверждало взгляды Фарадея и Максвелла. Уже через три дня он получил почтовую открытку с ответом: "Рукопись получил. Браво! В четверг передаю ее в печать. Герман фон Гельмгольц".
Теперь Герц ставит опыт за опытом в захватывающем дух темпе. Последовала дальнейшая проверка и подтверждение максвелловской теории. Основные эксперименты Герц мог производить только в перерывах между лекциями, так как он использовал для них свою аудиторию, площадью 14x15 метров, которая была самым большим из имевшихся в его распоряжении помещений. Зал для опытов специально оборудовался. Механик удалял все металлические предметы, которые можно было убрать, прежде всего газовые трубы и люстру. Скамейки были соединены мостками, по которым Герц мог ходить во всех направлениях со своим измерительным инструментом, проволочным кольцом примерно 30 см диаметром. Цинковая пластинка 4 м высотой, которая была укреплена на стене, служила отражателем электрических волн.
Работу экспериментатора снова можно шаг за шагом проследить по дневнику. 29 декабря 1887 года значится: "Экспериментировал. Затеняющее действие железа, рефлексия от стены и т.д.". 30 декабря: "Проследил действие через аудиторию". 31 декабря он заметил: "Устал от экспериментов". И радостно добавляет: "С удовлетворением оглядываюсь на прошедший год".
Литературным отражением этих эпохальных опытов, со всей определенностью подтверждающих теорию Максвелла, была классическая статья "О скорости распространения электродинамических эффектов", которую Герц закончил в январе 1888 года и тоже направил Гельмгольцу. После ее публикации в протоколах заседаний Берлинской Академии наук мир специалистов начал настораживаться.