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하인리히 루돌프 헤르츠

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목차

1. 개요

하인리히 루돌프 헤르츠는 1857년 함부르크에서 태어난 독일의 물리학자이다. 그는 베를린 대학교에서 박사 학위를 받았으며, 킬 대학교와 카를스루에 대학교에서 교수를 역임했다. 헤르츠는 전자기파의 존재를 실험적으로 증명하여 무선 통신 기술 발전에 기여했으며, 광전 효과와 접촉 역학 연구에도 중요한 업적을 남겼다. 36세의 젊은 나이에 사망했지만, 그의 이름을 딴 주파수 단위(Hz)가 사용되고, 다양한 연구소와 기념물, 구글 두들 등을 통해 그의 업적을 기리고 있다. 나치 시대에는 유대인으로 간주되어 박해를 받기도 했다.

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하인리히 루돌프 헤르츠 - [인물]에 관한 문서
기본 정보
하인리히 루돌프 헤르츠
본명하인리히 루돌프 헤르츠
출생지자유 한자 도시 함부르크
거주지독일
국적독일
사망지본
학력 및 경력
분야물리학
전기 공학
소속 기관킬 대학교
카를스루에 대학교
본 대학교
모교뮌헨 대학교
베를린 대학교
박사 지도교수헤르만 폰 헬름홀츠
업적
주요 업적전자기파
광전 효과
알려진 업적헤르츠 원뿔(Hertzian cone)
헤르츠 효과(Hertz effect)
헤르츠 발진기(Hertzian oscillator)
헤르츠의 원리(Hertz's principle)
헤르츠 벡터(Hertz vector)
헤르츠파(Hertzian wave)
헤르츠-크누센 방정식(Hertz–Knudsen equation)
접촉 역학(Contact mechanics)
에마그램(Emagram)
다이폴 안테나(Dipole antenna)
파라볼라 안테나(Parabolic antenna)
헤르츠(단위)(Hertz)
수상
수상 경력마테우치 메달(Matteucci Medal) (1888년)
럼퍼드 메달(Rumford Medal) (1890년)
가족 관계
배우자엘리자베스 돌 (1886년 결혼)
자녀2명 (마틸데 카르멘 헤르츠 포함)
아버지구스타프 페르디난트 헤르츠(Gustav Ferdinand Hertz)
친척구스타프 루트비히 헤르츠(Gustav Ludwig Hertz) (조카)
기타
서명

2. 생애

하인리히 루돌프 헤르츠는 1857년 독일 연방의 독립 국가였던 함부르크의 한자 가문에서 태어났다. 아버지 구스타프 페르디난트 헤르츠는 변호사였고,[4] 어머니는 안나 엘리자베스 페퍼콘이었다.[5]

요하네움 학교에서 공부하며 과학뿐만 아니라 아랍어 등 언어에도 재능을 보였다. 드레스덴, 뮌헨, 베를린에서 과학과 공학을 공부했으며, 구스타프 R. 키르히호프와 헤르만 폰 헬름홀츠의 지도를 받았다. 1880년 베를린 대학교에서 박사 학위를 받았으며, 그 후 3년 동안 헬름홀츠의 조수로 있었다.[6]

1883년 킬 대학교에서 이론 물리학 강사로, 1885년 카를스루에 공과대학교 정교수가 되었다. 1886년에는 막스 돌의 딸 엘리자베스 돌과 결혼하여 두 딸 요한나와 마틸데를 두었는데, 마틸데는 훗날 저명한 생물학자가 되었다.[7]

1889년 본의 물리학 교수 겸 물리학 연구소 소장직을 맡았고, 이론 역학에 대한 연구를 담은 책 ''Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt'' (새로운 형태로 제시된 역학의 원리)를 남겼다.[8]

2. 1. 초기 생애와 교육

1857년 독일 연방의 독립 국가였던 함부르크의 부유한 한자 가문에서 태어났다. 아버지 구스타프 페르디난트 헤르츠는 변호사였고, 어머니는 안나 엘리자베스 페퍼콘이었다.[4][5] 함부르크 요하네움 김나지움에서 공부하며 과학뿐만 아니라 아랍어 등 언어에도 재능을 보였다. 드레스덴, 뮌헨, 베를린에서 과학과 공학을 공부했으며, 구스타프 R. 키르히호프와 헤르만 폰 헬름홀츠의 지도를 받았다. 1880년 베를린 대학교에서 박사 학위를 받았으며, 그 후 3년 동안 헬름홀츠의 조수로 있었다.[6]

2. 2. 학문적 경력

1883년, 킬 대학교에서 이론 물리학 강사로 임명되었다. 1885년에는 카를스루에 공과대학교의 정교수가 되었고, 그곳에서 전자기파를 발견했다.[53]

2. 3. 죽음

1892년, 헤르츠는 심한 편두통을 앓은 후 감염 진단을 받고 여러 차례 수술을 받았다. 그러나 수술 후 합병증으로 1894년 독일 본에서 36세의 나이로 사망했으며, 함부르크의 오르스도르프 묘지에 묻혔다.[9][10][11][12] 사인은 육아종성 혈관염으로 추정된다. 일부에서는 그의 질병이 악성 골 상태에 의해 발생한 것으로 여기기도 한다.[9]

헤르츠의 아내 엘리자베트 헤르츠(''née'' 돌; 1864–1941)는 재혼하지 않았다. 슬하에 딸 요한나(1887–1967)와 마틸데(1891–1975)가 있었으나, 두 딸 모두 결혼하거나 자녀를 두지 않아 헤르츠의 직계 후손은 없다.[13]

3. 과학적 업적

헤르츠는 1886년부터 1889년까지 일련의 실험을 통해 제임스 클러크 맥스웰이 예측한 전자기파의 존재를 증명했다. 1864년 맥스웰은 전기장과 자기장이 결합하여 전자기파 형태로 공간을 이동할 수 있다는 맥스웰 방정식을 발표했다. 그는 빛이 짧은 파장의 전자기파라고 제안했지만, 다른 파장의 전자기파를 생성하거나 감지하는 것은 증명하지 못했다.[15]

1879년 헤르만 폰 헬름홀츠는 헤르츠에게 맥스웰의 이론을 시험하는 박사 학위 논문을 제안하면서, 프로이센 과학 아카데미에서 맥스웰 이론에 의해 예측된 절연체의 편광 및 탈편광에서 전자기 효과를 실험적으로 증명할 수 있는 사람에게 "베를린 상" 문제를 제안했다.[16][17] 그러나 헤르츠는 실험 장치를 만들 방법을 찾지 못해 전자기 유도 연구에 매달렸다. 이후 킬에서 맥스웰 방정식에 대한 분석을 수행하여 원격 작용 이론보다 더 타당성이 있음을 보여주었다.[18]

1886년 가을, 카를스루에에서 교수가 된 후 리스 나선 쌍으로 실험하던 중, 라이덴 병을 한 코일에 방전시키면 다른 코일에 불꽃이 발생하는 것을 발견했다. 이를 통해 헤르츠는 맥스웰 이론을 증명하는 방법을 찾았다.[19][20] 그는 불꽃 갭이 있는 쌍극자 안테나를 방사체로, 마이크로미터 불꽃 갭이 있는 루프 안테나를 수신기로 사용하여 초단파 범위에서 무선 전파를 생성하고 수신했다. 안테나는 유도 코일에서 약 30 킬로볼트의 고전압 펄스로 여기되었다.



헤르츠는 링 검출기로 파동의 진폭과 구성 요소 방향 변화를 기록했다. 그는 맥스웰의 파동을 측정하고 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 증명했다. 파동의 전기장 강도, 편광, 반사도 측정되었다. 이를 통해 빛과 이 파동들이 모두 맥스웰 방정식을 따르는 전자기 방사 형태임이 밝혀졌다.[22]

헤르츠는 자신의 무선 전파 실험의 실용적 중요성을 깨닫지 못하고 "전혀 쓸모가 없다"고 말했다.[24][25][26] 그러나 그의 발견은 "헤르츠파" 실험을 폭발적으로 증가시켰고, 10년 이내에 굴리엘모 마르코니 등 연구자들이 최초의 무선 전신 무선 통신 시스템에서 무선 전파를 사용하여 라디오 방송과 텔레비전을 개발했다.

1887년, 헤르츠는 자외선을 쬐면 대전된 물체가 전하를 더 쉽게 잃는다는 광전 효과를 발견했다.[55] 이는 전자기파를 더 강하게 발신하는 방법을 찾던 중, 자외선을 발신 장치에 쬐면 전자기파가 강해지는 현상을 발견하면서 이루어졌다. 이후 알베르트 아인슈타인이 광전 효과를 빛의 입자성 (광양자설)으로 설명하여 양자 역학 발전에 기여했다.[55]

1881년과 1882년에 헤르츠는 접촉 역학 분야의 중요한 기반이 된 두 편의 논문을 발표했다.[34][35][36] 그의 연구는 마찰학 분야의 핵심이며, 덩컨 도슨에 의해 23명의 "마찰학의 인물" 중 한 명으로 선정되었다.[39]

헤르츠는 기상학에도 관심을 가졌는데, 빌헬름 폰 베졸트와의 관계에서 비롯된 것으로 보인다. 그는 액체의 증발,[41] 새로운 종류의 습도계, 단열 변화를 겪을 때 습한 공기의 특성을 결정하는 데 사용되는 그래픽 방법 등에 관한 몇 개의 작은 논문을 기고했다.[42][54]

3. 1. 전자기파의 발견

1864년 스코틀랜드의 수리물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 전자기 이론(맥스웰 방정식)을 제안했다. 맥스웰의 이론은 전기장과 자기장이 결합하여 "전자기파"로 공간을 이동할 수 있다고 예측했다. 맥스웰은 빛이 짧은 파장의 전자기파로 구성되어 있다고 제안했지만, 다른 파장의 전자기파를 생성하거나 감지하는 것은 증명하지 못했다.[15]

1879년 헬름홀츠는 헤르츠에게 맥스웰의 이론을 시험하는 박사 학위 논문을 제안했다. 또한 헬름홀츠는 프로이센 과학 아카데미에서 맥스웰 이론에 의해 예측된 절연체의 편광 및 탈편광에서 전자기 효과를 실험적으로 증명할 수 있는 사람에게 "베를린 상" 문제를 제안하기도 했다.[16][17] 헤르츠는 실험 장치를 만들 방법이 없어 어렵다고 생각하여 전자기 유도 연구에 매달렸다. 이후 킬(Kiel)에서 맥스웰 방정식에 대한 분석을 수행하여 "원격 작용" 이론보다 더 타당성이 있음을 보여주었다.[18]

1886년 가을, 카를스루에(Karlsruhe)에서 교수가 된 후 리스 나선 쌍으로 실험하던 중, 라이덴 병을 한 코일에 방전시키면 다른 코일에 불꽃이 발생하는 것을 발견했다. 이를 통해 헤르츠는 맥스웰 이론을 증명하는 "베를린 상" 문제를 해결할 방법을 찾았다(실제 상은 1882년에 미수령으로 만료).[19][20] 그는 불꽃 갭이 있는 쌍극자 안테나를 방사체로 사용하고, 외부 끝에 전기 용량을 위해 아연 구를 부착했다. 안테나는 유도 코일(Ruhmkorff 코일)에서 약 30 킬로볼트의 고전압 펄스로 여기되었다. 그는 마이크로미터 불꽃 갭이 있는 루프 안테나로 파동을 수신했다. 이 실험은 현재 초단파 범위에서 무선 전파를 생성하고 수신했다.

1886년과 1889년 사이에 헤르츠는 관찰한 효과가 맥스웰이 예측한 전자기파의 결과임을 증명하는 일련의 실험을 수행했다. 1887년 11월 "절연체에서 전기적 교란에 의해 생성된 전자기 효과에 관하여"라는 논문으로 시작하여 베를린 아카데미의 헬름홀츠에게 일련의 논문을 보냈으며, 1888년 논문에는 유한한 속도로 거리를 이동하는 횡파인 자유 공간 전자기파를 보여주는 내용이 포함되었다.[20][21] 헤르츠가 사용한 장치에서 전기장과 자기장은 횡파로 전선에서 방사되었다. 헤르츠는 발진기를 정상파를 생성하기 위해 아연 반사판에서 약 12미터 떨어진 곳에 배치했다. 각 파동의 길이는 약 4미터였다. 링 검출기로 파동의 진폭과 구성 요소 방향 변화를 기록했다. 헤르츠는 맥스웰의 파동을 측정하고 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 증명했다. 파동의 전기장 강도, 편광, 반사도 측정되었다. 이를 통해 빛과 이 파동들이 모두 맥스웰 방정식을 따르는 전자기 방사 형태임이 밝혀졌다.[22]

헤르츠는 그의 무선 전파 실험의 실용적 중요성을 깨닫지 못하고 다음과 같이 말했다.[24][25][26]

> 그것은 전혀 쓸모가 없습니다... 이것은 단지 마에스트로 맥스웰이 옳았다는 것을 증명하는 실험일 뿐입니다. 우리는 육안으로 볼 수 없는 이 신비한 전자기파를 가지고 있을 뿐입니다. 하지만 그들은 존재합니다.

발견의 적용에 대한 질문에는 다음과 같이 대답했다.[24][27]

> 아무것도, 짐작건대

헤르츠의 증명은 "헤르츠파" (1910년경 무선 전파로 통용) 실험을 폭발적으로 증가시켰다. 10년 이내에 Oliver Lodge, Ferdinand Braun, Guglielmo Marconi 등 연구자들이 최초의 무선 전신 무선 통신 시스템에서 무선 전파를 사용하여 라디오 방송과 텔레비전을 개발했다. 1909년 브라운과 마르코니는 "무선 전신의 발전에 기여한 공로"로 노벨 물리학상을 받았다.[28] 오늘날 무선은 글로벌 통신 네트워크에서 필수적인 기술이며 현대 무선 장치에서 사용되는 통신 매체이다.[29][30]

3. 2. 광전 효과 연구

1887년, 헤르츠는 자외선을 쬐면 대전된 물체가 전하를 더 쉽게 잃는다는 광전 효과를 발견했다.[55] 이는 전자기파를 더 강하게 발신하는 방법을 찾던 중, 자외선을 발신 장치에 쬐면 전자기파가 강해지는 현상을 발견하면서 이루어졌다.

헤르츠는 수신기의 스파크 갭에 자외선을 쬐면 스파크가 더 강해지는 것을 관찰했다. 그는 어두운 상자 안에서 실험을 진행했는데, 상자 안에서는 스파크를 관측할 수 있는 최대 거리가 짧아졌다. 또한, 발신 장치와 수신 장치 사이에 유리판을 놓으면 자외선이 흡수되어 스파크 관측 거리가 짧아졌지만, 자외선을 흡수하지 않는 석영 유리에서는 거리가 짧아지지 않는 것을 확인했다. 이를 통해 헤르츠는 자외선이 전자를 보조하여 광전 효과를 일으킨다는 것을 알아냈다.

이후 알베르트 아인슈타인이 광전 효과를 빛의 입자성 (광양자설)으로 설명하여 양자 역학 발전에 기여했다.[55]

3. 3. 접촉 역학 연구

1881년과 1882년에 헤르츠는 접촉 역학 분야의 중요한 기반이 된 두 편의 논문을 발표했다.[34][35][36] 조제프 발랑탱 부시네스크는 헤르츠의 연구에 대해 중요한 고찰을 발표했지만, 헤르츠의 연구는 접촉 역학에서 매우 중요한 것으로 평가받는다. 헤르츠의 연구는 기본적으로 접촉 상태에 있는 두 개의 축대칭 물체가 구조 하중 하에서 어떻게 거동하는지를 탄성과 연속체 역학의 고전 이론을 기반으로 요약한 것이다. 그는 렌즈 위에 유리 구체를 놓았을 때 형성되는 타원형 뉴턴의 고리를 관찰하여, 구가 가하는 압력이 타원 분포를 따른다는 가정을 했다. 또한 뉴턴의 고리 형성을 이용하여 구체가 렌즈로 들어가는 변위를 계산하는 실험을 통해 자신의 이론을 검증했다.

헤르츠 이론의 가장 큰 결점은 두 고체 사이의 부착 성질을 무시한 것이었는데, 이는 고체를 구성하는 재료가 높은 탄성을 띠기 시작하면서 중요해졌다. 당시에는 부착을 무시하는 것이 자연스러웠는데, 이를 테스트할 실험 방법이 없었기 때문이다.[37]

케네스 L. 존슨, K. 켄들, A. D. 로버츠(JKR)는 1971년에 부착이 있는 상태에서 이론적 변위 또는 '들여쓰기 깊이'를 계산하면서 이 이론을 기반으로 사용했다.[38] 재료의 부착이 0이라고 가정하면 JKR 공식에서 헤르츠의 이론이 도출된다. B. V. 데르야긴 연구팀은 1975년에 DMT 이론을 발표했는데, 이 또한 부착이 0이라는 가정 하에 헤르츠의 공식을 도출했다. DMT 이론은 여러 수정을 거쳐 JKR 이론과 함께 나노압입 및 원자력 현미경에서 재료 매개변수 예측에 사용되는 접촉 역학의 기초를 형성했다.

헤르츠의 접촉 역학 연구는 마찰학 분야의 핵심이며, 그는 덩컨 도슨에 의해 23명의 "마찰학의 인물" 중 한 명으로 선정되었다.[39] 그의 전자기학 연구에 앞서, 헤르츠의 접촉 역학 연구는 나노기술 시대를 촉진했다.

3. 4. 기상학 연구

헤르츠는 기상학에 깊은 관심을 가졌는데, 이는 1878년 여름 뮌헨 공과대학 실험 강좌에서 그의 교수였던 빌헬름 폰 베졸트와의 관계에서 비롯된 것으로 보인다. 베를린에서 헬름홀츠의 조교로 있으면서, 그는 액체의 증발,[41] 새로운 종류의 습도계, 단열 변화를 겪을 때 습한 공기의 특성을 결정하는 데 사용되는 그래픽 방법 등에 관한 몇 개의 작은 논문을 기고했다.[42][54]

4. 유산과 영향

하인리히 헤르츠


하인리히 헤르츠의 조카 구스타프 루트비히 헤르츠는 노벨 물리학상 수상자였고, 구스타프의 아들 카를 헬무트 헤르츠는 의료용 초음파 촬영술을 발명했다. 헤르츠의 딸 마틸데 카르멘 헤르츠는 저명한 생물학자이자 비교 심리학자였다. 헤르츠의 종손자 헤르만 게르하르트 헤르츠는 칼스루에 대학교의 교수로, NMR 분광학의 선구자였으며, 1995년에 헤르츠의 실험 노트를 출판했다.[48]

SI 단위 ''헤르츠(Hz)''는 1930년 국제전기기술위원회에 의해 초당 반복되는 사건의 횟수를 나타내는 주파수를 기리기 위해 제정되었다. 이는 1960년 국제도량형총회에서 채택되어 이전 명칭인 "초당 사이클(cps)"을 공식적으로 대체했다.[49]

1928년에는 하인리히 헤르츠 진동 연구소가 베를린에 설립되었다. 현재는 ''프라운호퍼 통신 연구소, 하인리히 헤르츠 연구소, HHI''로 알려져 있다.

1969년, 동독에서 하인리히 헤르츠 기념 메달이 주조되었다.[50] 1987년에는 IEEE가 IEEE 하인리히 헤르츠 메달을 제정하여 "''헤르츠파에 대한 뛰어난 업적''[...]''을 기리기 위해 매년 이론적이거나 실험적인 업적을 이룬 개인에게 수여된다''."

1992년에 건설된 애리조나주 마운트 그래함의 하인리히 헤르츠 서브밀리미터 망원경은 그의 이름을 따서 명명되었다. 달의 뒷면 동쪽 가장자리 바로 뒤에 있는 충돌구인 헤르츠 크레이터는 그를 기리기 위해 명명되었다.

2012년 그의 생일에, 구글은 그의 생애 업적에서 영감을 얻은 구글 두들을 자사 홈페이지에 게재하여 헤르츠를 기렸다.[51][52]

함부르크에는 Heinrich-Hertz-Turm|하인리히 헤르츠 탑de이라는 전파탑이 있다.

전파 입문서에서 볼 수 있는 통상산업성이 제작한 '전파의 나무'는 맥스웰, 패러데이, 앙페르가 뿌리로 여겨지며, 헤르츠가 줄기의 역할을 담당하는 형태로 100년에 걸친 전파 이용의 역사가 그림으로 묘사되어 있다.

5. 나치 시대의 억압

하인리히 헤르츠는 루터교 신자였지만, 나치는 그를 유대인 가문 출신으로 간주하고 함부르크 시청에 걸려 있던 헤르츠의 초상화를 철거했다.[53] 헤르츠의 가족은 그가 태어나기 20년 전에 유대교에서 루터교로 개종했기 때문에, 그의 업적은 1930년대 나치 정부에 의해 훼손되었다.[45][46] 나치 정권은 종교 대신 "인종"에 따라 사람들을 분류했기 때문이다.[45][46]

헤르츠의 이름은 거리와 기관에서 삭제되었고, 심지어 그를 기리는 주파수 단위(헤르츠)의 이름을 헤르만 폰 헬름홀츠로 변경하려는 움직임도 있었지만, 기호(Hz)는 변경되지 않았다.[46]

그의 가족 또한 비(非) 아리안 신분으로 박해를 받았다. 헤르츠의 막내딸 마틸데는 나치가 집권한 후 베를린 대학교에서 강사직을 잃었고, 몇 년 안에 그녀와 그녀의 여동생, 그리고 어머니는 독일을 떠나 영국에 정착했다.[47] 철거되었던 초상화는 후에 다시 일반에 공개되었다.[58]

참조

[1] 서적 Deutsches Aussprachewörterbuch https://books.google[...] Walter de Gruyter
[2] 서적 Das Aussprachewörterbuch https://books.google[...] Dudenverlag
[3] 웹사이트 IEC History http://www.iec.ch/ab[...] Iec.ch
[4] 웹사이트 Biography: Heinrich Rudolf Hertz http://www-history.m[...] MacTutor History of Mathematics archive 2013-02-02
[5] 문서 Buchwald 2011
[6] 문서 Buchwald 2011
[7] 문서 Buchwald 2011
[8] 문서 Stathis Psillos, Philosophy of Science A-Z, Edinburgh University Press · 2007, page 107
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[16] 웹사이트 Heinrich Hertz http://www.nndb.com/[...] 2014-08-22
[17] 서적 Heinrich Hertz: Classical Physicist, Modern Philosopher Springer-Verlag
[18] 서적 The Oxford Guide to the History of Physics and Astronomy Oxford University Press
[19] 서적 Heinrich Hertz: Classical Physicist, Modern Philosopher Springer-Verlag
[20] 서적 The Worldwide History of Telecommunications Wiley
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[22] 문서 Buchwald 2011
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[26] 서적 Dynamic Fields and Waves https://books.google[...] CRC Press 2000
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