Komórkowa transmisja danych, telewizja, radio czy kuchenki mikrofalowe to jedne z wielu wynalazków, które towarzyszą nam na każdym kroku. Jesteśmy już do nich przyzwyczajeni i stały się dla nas czymś normalnym, elementem codzienności. Można śmiało powiedzieć, że nie wyobrażamy sobie już bez nich życia. Należy jednak pamiętać, że nie zawsze tak było, a technologie te są stosunkowo młode, na przykład – pierwszy przenośny telefon komórkowy, mieszczący się w dłoni, zaprezentowano zaledwie kilkadziesiąt lat temu, a konkretnie w 1973 roku i ważył około dwa kilogramy.
Technologie bezprzewodowe przeszły bardzo długą drogę, zanim stały się takie, jakie znamy obecnie, a u podłoża ich działania leżą zjawiska całkowicie naturalne, jak pole elektromagnetyczne. To, że dziś otaczają nas nowoczesne urządzenia, zawdzięczamy licznym badaniom i pracy wielu wybitnych naukowców, o których trudach powinniśmy pamiętać. Jak to jednak bywa w przypadku wszystkich odkryć – ktoś musiał być pierwszy. Poniżej przedstawiamy sylwetki trzech pionierów w dziedzinie fal elektromagnetycznych, dzięki którym możemy cieszyć się m.in. swoimi smartfonami. Te nazwiska powinien znać każdy.
James Clerk Maxwell – Teoretyk
James Clerk Maxwell był wybitnym naukowcem i „człowiekiem orkiestrą” o szerokich zainteresowaniach, a sam Albert Einstein miał jego zdjęcie powieszone na ścianie gabinetu. Co ciekawe, Clerk nie jest jego drugim imieniem, a nazwiskiem rodowym. Drugie nazwisko – Maxwell, przyjął jego ojciec po jednym z przodków, po którym odziedziczył majątek Middelby.
James urodził się w 1831 roku w Edynburgu (Szkocja), jako jedynak w dobrze sytuowanej rodzinie. Już od najmłodszych lat wykazywał się ponadprzeciętną pamięcią oraz odziedziczonym po ojcu – Johnie, zamiłowaniem do wynalazków i mechanicznych urządzeń. Pierwszą pracę naukową napisał mając zaledwie 14 lat i od tamtej pory jego kariera rozwijała się w zawrotnym tempie, również ta akademicka. Był cenionym profesorem filozofii naturalnej, fizyki doświadczalnej oraz fizyki i astronomii na takich uczelniach, jak m.in. Cambridge czy Kings College w Londynie. Nie mniej okazale prezentował się również jego dorobek badawczy.
Trzeba przyznać, że James Clerk Maxwell nie lubił się ograniczać, a gdy już za coś się zabierał, to wyniki niemal zawsze były imponujące. W 1859 roku wykazał, że pierścienie Saturna są złożone z brył, a nie jednolite, jak uważano do tamtej pory. Maxwell zaprojektował także tzw. trójkąt barw i wykazał, że wszystkie kolory powstają poprzez mieszanie trzech podstawowych – czerwonego, niebieskiego i zielonego[1], a następnie wykonał jedną z pierwszych kolorowych fotografii. Dokonał on także innych istotnych odkryć i opracował m.in. podstawowe zasady termodynamiki, kinetyczną teorię gazów czy zasadę wzajemnych przemieszczeń (stosowaną do obliczania układów hiperstatycznych)[2]. Ciekawostką jest, że aż do śmierci w 1879 roku, odrzucał on teorię ewolucji Darwina[3].
Obecnie Maxwell jest wymieniany w gronie najwybitniejszych fizyków w historii, zaraz obok takich postaci, jak Isaac Newton. Zawdzięcza to jednak, przede wszystkim, swoim badaniom pola magnetycznego. Co było w nich tak przełomowego? To właśnie James Clerk Maxwell stworzył tzw. „równania Maxwella”, dzięki którym „udowodnił, że elektryczność i magnetyzm są dwoma rodzajami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu” oraz, że rozchodzą się one w próżni, w postaci fali.
Dzięki jego wzorom można również m.in. wyznaczyć prędkość rozprzestrzeniania się takich fal, czyli obliczyć prędkość światła.[4] Odkrycia te nie tylko przyczyniły się do powstania współczesnej technologii bezprzewodowej, ale stały się też podstawą elektrodynamiki kwantowej i umożliwiły stworzenie teorii względności. Nic więc dziwnego, że Albert Einstein określił je, jako „najgłębsze i najbardziej owocne, jakich doświadczyła fizyka od czasów Newtona”[5].
Niestety, choć James Clerk Maxwell był szanowanym i cenionym naukowcem, to za jego życia (zmarł w 1879 roku), jego badania na temat elektromagnetyzmu nie znalazły należytego uznania. Było to spowodowane sceptycyzmem środowiska naukowego oraz brakiem fizycznych dowodów na potwierdzenie jego tez. Zmieniło się to dopiero w 1886 roku, za sprawą innego wielkiego badacza.
Heinrich Rudolf Hertz – Wynalazca
Z pewnością wiele osób kojarzy to nazwisko. To właśnie Heinrich Hertz, jako pierwszy udowodnił empirycznie istnienie fal elektromagnetycznych, a ich jednostkę częstotliwości nazwano na jego część – hercem (Hz)[6]. Trzeba przyznać, że historia związana z tym wydarzeniem jest dość zabawna, ale po kolei.
Heinrich Hertz był Niemcem pochodzenia żydowskiego. Urodził się w Hamburgu w 1857 roku i był najstarszym z piątki rodzeństwa. Miał on sporo wspólnego z Maxwellem, obaj pochodzili z zamożnych rodzin, a ich ojcowie byli prawnikami. On również już w dzieciństwie wyróżniał się na tle rówieśników, jednak jego zainteresowania nie były zbyt skonkretyzowane. Zajmował się zarówno przedmiotami ścisłymi (m.in. fizyką, chemią i matematyką), humanistycznymi, jak i wykazywał talenty artystyczne[7]. Z niezwykłą łatwością przyswajał także języki obce (mówił i czytał m.in. po arabsku i w starożytnej grece), a jego nauczyciel lingwistyki stwierdził, że nigdy nie spotkał kogoś o takim talencie do języków.
Plany Hertza dotyczące przyszłości również nie były sprecyzowane i zmieniały się kilkukrotnie. Początkowo planował on zostać inżynierem, a potem architektem (był nawet uczniem architekta we Frankfurcie), co jednak szybko mu się znudziło. Następnie, ponownie powrócił do pierwotnego pomysłu i rozpoczął studia inżynierskie, które po kilku miesiącach zostały przerwane powołaniem do wojska. Wkrótce po odbyciu przymusowej, rocznej służby wojskowej, postanowił jednak studiować matematykę. To również nie trwało długo, gdyż ostatecznie zmienił kierunek na fizykę i dopiero jej pozostał wierny[8]. Szybko także zaczął odnosić sukcesy w tej dziedzinie, zdobywając nagrody akademickie i publikując liczne prace naukowe. Jedną z jego cech charakterystycznych było to, że połączył zamiłowanie do fizyki ze smykałką do majsterkowania i sam tworzył przyrządy badawcze lub modyfikował już istniejące[9].
W trakcie swojej edukacji akademickiej, a także przez kilka lat po jej zakończeniu, Heinrich rozwijał swoje zdolności w Berlinie, pod okiem innego wielkiego naukowca tamtych czasów – Hermanna von Helmholtza. Mentor Hertza mógł pochwalić się licznymi osiągnięciami, zarówno z dziedziny fizyki, jak i medycyny (badał m.in wytwarzanie energii cieplnej przez organizmy żywe oraz funkcjonowanie neuronów). Jednym z tematów, które wyjątkowo go zainteresowały, była teoria pola i fal elektromagnetycznych stworzona przez Maxwella.
Doceniając umiejętności swojego protegowanego, von Helmholtz postanowił namówić Hertza do zajęcia się tym (kontrowersyjnym wtedy) zagadnieniem i zweryfikowania jego trafności. Przekonał on nawet władze Uniwersytetu w Berlinie, do ufundowania specjalnej nagrody za to dokonanie. Co ciekawe, Hertz odmówił. Naukowiec stwierdził, że zagadnienie nie jest dość interesujące, aby się nim zająć, a badania zajmą zbyt wiele czasu.
Powrócił jednak do tematu wiele lat później i w 1886 roku, za pomocą m.in zbudowanego przez siebie oscylatora elektrycznego (zwanego oscylatorem Hertza), jako pierwszy wytworzył fale elektromagnetyczne. Dzięki temu, empirycznie udowodnił trafność tez Maxwella i oficjalnie odkrył istnienie fal elektromagnetycznych.[10] Niestety okazało się, że nagroda za to dokonanie (na którą namówił von Helmholtz uczelnię z myślą właśnie o Hertzu) już wtedy wygasła.
Pomimo zdobytego uznania oraz sukcesu, sam Hertz nie doceniał swojego osiągnięcia i twierdził, że poza walorami naukowymi, odkrycie to nie ma żadnego praktycznego zastosowania. Zabawne, że człowiek, dzięki któremu możliwy był rozwój technologii i łączności na świecie, sam uważał swoje odkrycie za nieprzydatne. Na szczęście, inni zauważyli tkwiący w nim potencjał.
Sir Oliver Joseph Lodge – Praktyk
Oliver Lodge urodził się 1851 roku w brytyjskim mieście Penkhull (dzisiejsze Stoke-on-Trent). Był synem kupca oraz najstarszym z ośmiu braci. W wieku 14 lat, po ukończeniu szkoły podstawowej, zaczął pomagać ojcu w biznesie, jednak równocześnie nadal kontynuował swoją edukację, hołdując tym samym tradycji rodzinnej, w której bardzo ceniono wykształcenie (byli w niej m.in. nauczyciele, historycy, matematycy i kartograf). Po ukończeniu 22 lat, Oliver rozpoczął studia na Kolegium Uniwersyteckim w Londynie. Lodge był z racji pochodzenia osobą bardzo rodzinną, więc w 1877 roku poślubił swoją koleżankę z dzieciństwa i wspólnie doczekali się aż dwanaściorga dzieci (sześciu synów i sześciu córek).
Jako człowiek ambitny i pracowity, Oliver szybko zrobił karierę naukową, a także akademicką (był m.in. pierwszym rektorem Uniwersytetu w Birmingham). Można powiedzieć, że jego badania naukowe były bardzo ukierunkowane, gdyż interesował się głównie elektrycznością i dokonał wielu ciekawych odkryć w tej dziedzinie, na przykład stwierdził „możliwość zastosowania pola elektrostatycznego do oczyszczania powietrza z pyłów i dymów” oraz wynalazł iskrownik, który następnie wykorzystał do inicjowania zapłonu w silnikach spalinowych (zawdzięczamy mu więc m.in. świece zapłonowe)[11].
Początkowo Lodge zajmował się takimi zagadnieniami, jak przewodnictwo jonowe czy fotoelektryczność, ale w 1881 roku skoncentrował się na wyładowaniach elektrycznych. Powodem tego był apel brytyjskiej poczty, która zmagała się z uszkodzeniami urządzeń telegraficznych, spowodowanymi wyładowaniami atmosferycznymi. Swoje badania prowadził niezależnie, ale równolegle do Hertza i podobnie jak on, wynalazł metodę wytwarzania fal elektromagnetycznych. Niestety, opublikował swoje wyniki kilka miesięcy po niemieckim koledze. W przeciwieństwie do niego jednak, Oliver znalazł praktyczne zastosowanie fal elektromagnetycznych.
Właśnie na wykładzie poświęconym osiągnięciom Hertza w 1894 roku (tuż po jego śmierci), Lodge zaprezentował jeden ze swoich najważniejszych wynalazków – koherer. Była to zmodyfikowana wersja pomysłu francuskiego fizyka Èdouarda Branly, które dzięki udoskonaleniu przez Olivera, było w stanie wykrywać i odbierać fale radiowe[12]. Tak się złożyło, że podczas tego wydarzenia wśród słuchaczy znajdował się Alexander Muirhead, konstruktor sprzętu telegraficznego, który zaproponował badaczowi współpracę. Panowie połączyli więc zmodyfikowany telegraf z kohererem, dzięki czemu sprzęt odbierał nadawany poprzez fale radiowe sygnał alfabetu Morse’a i automatycznie zapisywał go na papierze. Lodge i Muirhead zaprezentowali swój wynalazek jeszcze tego samego roku i po raz pierwszy w historii, nawiązali bezprzewodową transmisję radiową (pomiędzy salą wykładową, a pobliskim laboratorium).
Niestety Oliver Lodge uważał, że rozpowszechnienie tego wynalazku będzie nieopłacalne i nie wystąpił o patent na niego. Wykorzystał to Włoch Guglielmo Marconi, który przybył do Anglii dwa lata później. Wspierany przez brytyjską pocztę, opatentował on w 1897 roku urządzenie bardzo podobne do zaprezentowanego w 1894 roku przez Lodge’a oraz Muirheada[13] i praktycznie identyczne z jego udoskonaloną wersją, stworzoną przez Aleksandra Popowa w roku 1895.
Zmotywowany tym faktem Lodge, uzyskał kilka istotnych patentów, związanych z odbiorem fal radiowych (w tym na stosowanie cewek oraz kondensatorów do regulacji częstotliwości nadajników i odbiorników bezprzewodowych[14]), jednak ten najważniejszy przypadł już Włochowi. Tym samym to Marconi zmonopolizował ówczesny rynek oraz został oficjalnym pionierem radia i przemysłu elektronicznego.
Co więcej, to on został w 1909 roku laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, za swój wkład w rozwój telegrafii bezprzewodowej [15]. Dopiero „około roku 1911, w większości krajów, pojawiły się zdania, że główny radiowy patent Marconiego narusza patent Lodge’a dotyczący obwodów strojonych. Reakcją Marconiego było wykupienie patentów zagrażających jego pozycji”.[16] Tak więc, pomimo tego, że odpowiednie patenty należą do kogoś innego, to historia nie kłamie. Sir Oliver Joseph Lodge, który otrzymał tytuł szlachecki za swoje zasługi w 1902 roku, jako pierwszy przeprowadził transmisję radiową i wykorzystał w praktyce fale elektromagnetyczne.
Podsumowanie
Każde zjawisko jakie znamy – musiało zostać przez kogoś odkryte, a każde urządzenie jakie posiadamy – musiało zostać przez kogoś wynalezione. To, że choć trochę wiemy jak funkcjonuje świat i możemy korzystać z technologii, jest zasługą ciężkiej pracy wielu ludzi. Mówimy tu o naukowcach i badaczach, których głód wiedzy popychał do przekraczania dotychczasowych granic.
Mowa o wielu latach poświęceń i zmagań, aby to co było niemożliwe, stało się możliwe. Zatem włączając telewizor, szukając informacji w internecie czy rozmawiając przez telefon, miejmy czasem refleksję na temat tych, którym to zawdzięczamy. James Clerk Maxwell, Heinrich Rudolf Hertz oraz Sir Oliver Joseph Lodge zbudowali fundamenty pod technologię bezprzewodowej transmisji danych, a wielu innych udoskonalało ją i rozwijało osiągnięcia swoich poprzedników. To, że czytacie ten tekst, również jest po części ich zasługą, mamy więc za co być wdzięczni.
Źródła:
[1]https://pl.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%B3jk%C4%85t_Maxwella
[2]https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/Maxwell-James-Clerk;3938847.html
[3]https://pl.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell
[4]https://pl.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell
[5]https://www.britannica.com/biography/James-Clerk-Maxwell
[6]https://pl.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Hertz
[7]https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/Hertz-Heinrich-Rudolf;3911378.html
[8]https://fizyka.uniedu.pl/heinrich-hertz/
[9]https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/Hertz-Heinrich-Rudolf;3911378.html
[10]https://www.famousscientists.org/heinrich-hertz/
[11]https://pl.wikipedia.org/wiki/Oliver_Lodge
[12]https://www.britannica.com/biography/Oliver-Joseph-Lodge
[13]https://pl.wikipedia.org/wiki/Oliver_Lodge
[14]https://www.britannica.com/biography/Oliver-Joseph-Lodge.
[15]https://pl.wikipedia.org/wiki/Guglielmo_Marconi
[16]https://pl.wikipedia.org/wiki/Oliver_Lodge