В конце летнего семестра Гельмгольц должен был распределить темы конкурсных студенческих работ. Он без колебаний предложил Герцу очень интересную, но и не менее сложную задачу: попытаться обнаружить явление инерции при возникновении в проводнике электрического тока или при его прекращении. Задача это восходила к спору между сторонниками концепций дальнодействия и близкодействия, уже упомянутых нами в статье о Максвелле. Как мы знаем теперь, электрический ток обладает некоей инерцией, так как его носителями в металлах являются электроны, а они имеют массу. Но инерция эта во много тысяч раз меньше, чем Герц мог обнаружить доступными ему в те времена способами. Отсутствие же инерции говорило в пользу теории дальнодействия, что отвечало взглядам Гельмгольца. Сама же работа была выполнена прекрасно, ее результаты получили известность и послужили трамплином к будущей славе автора. За блестяще выполненные исследования ректор университета лично наградил Генриха Герца памятной медалью.
Следующую тему для исследований Герцу также предложил Гельмгольц. На этот раз молодому ученому предстояло подтвердить или опровергнуть теорию Максвелла, показав влияние изоляторов на электродинамические процессы. Но Генрих, проделав предварительные расчеты, пришел к выводу, что существующего на тот момент оборудования недостаточно для проведения соответствующих исследований, и временно отказался от этой тематики. Вместо этого он решил попытаться обнаружить «электрическую инерцию» во вращающихся шарах. Обширные исследования и внушительную теоретическую часть работы Герц выполнил в очень короткие сроки – примерно за три месяца. В начале 1880 года Генрих подал оформленную работу под названием «Индукция во вращающихся шарах» в качестве докторской диссертации. Работа была высоко оценена и Гельмгольцем, и Кирхгофом. Уже через 14 дней Герц был допущен к экзаменам на докторскую степень, которые он успешно сдал 5 февраля.
15 марта 1880 года Герцу был вручен докторский диплом, и вскоре он занял освободившееся место ассистента Гельмгольца. Эти обязанности Генрих исполнял два года и, несмотря на большую нагрузку (ему была поручена работа с практикантами), он провел ряд исследований по термодинамике, теории упругости, твердости тел, испарению и опубликовал их результаты. Как ученый Герц отличался аккуратностью, большой экспериментаторской фантазией и одновременно осторожностью в оценке результатов, большим трудолюбием. Например, в 1882 году Генрих приступил к исследованию световых явлений в разреженных газах. Для работ в этой области он использовал в качестве источника тока самостоятельно сконструированную электрическую батарею, состоящую из 1000 элементов.
Тем временем стало ясно, что в ближайшее время возможностей для карьерного роста для Генриха в Берлине нет. Конечно же, Герцу было нелегко отказаться от возможности работать в прекрасно оборудованной лаборатории Гельмгольца, но в конце концов он прислушался к совету другого своего наставника, Кирхгофа, и согласился переехать в Киль, где ему предложили место доцента по математической физике в небольшом местном университете. В Киле Герц преподавал два года. Нагрузка была невелика, и поэтому Генрих располагал свободным временем, которое посвящал совершенствованию своей теоретической подготовки, размышлениям над всевозможными физическими проблемами, планированию будущих экспериментов и исследований: оборудования в провинциальном университете не хватало.
В начале 1885 года Генрих Герц перебрался в Карлсруэ. Здесь он занял должность ординарного профессора физики в Высшей технической школе. Теперь в распоряжении ученого были прекрасно оборудованные лаборатории, однако резко сократилось количество свободного времени: работы было очень много. В этот период времени Генрих писал родителям: «Неужели я тоже стану одним из тех, кто, получив профессуру, перестает что-либо создавать?» К счастью, его опасения не сбылись. В течение года Генрих привыкал к новым обязанностям, устраивал свой быт. Летом 1886 года он женился на Елизавете Долль, дочери одного из своих коллег. А уже в октябре ученый приступил к экспериментам, впоследствии прославившим его имя.
Начало исследованиям положила, можно сказать, случайность. Герц проводил эксперименты с электрическими разрядами и заметил искрение на одной из лежащих рядом друг с другом изолированных спиралей. Ученый предположил, что наблюдает явление, связанное с индукцией и представляющее собой электромагнитный резонанс. Теперь он решился взяться за конкурсную задачу, от которой отказался в 1879 году. Его первой целью было выяснить, влияют ли изоляторы на электродинамические процессы, а задачей максимум – опровергнуть или доказать существование электромагнитных волн. Несколько дней понадобилось гениальному экспериментатору для того, чтобы подготовить приборы и приступить к исследованиям. В качестве источника электромагнитных волн ученый использовал сконструированный им вибратор (диполь) Герца. Он представлял собой простейшую антенну – медный стержень с металлическими шарами на концах и небольшим разрывом посередине (искровым промежутком). Две части вибратора ученый заряжал, пока в промежутке не проскакивала искра. В результате возникали колебания и, как следствие – электромагнитные волны.
25 октября 1886 года Генрих записал в своем дневнике: «Получил искровой микрометр (так Герц называл свой прибор) и начал с ним опыты». А уже 2 декабря появилась запись, свидетельствующая о первом успехе: «Удалось вызвать явление резонанса между двумя электрическими колебаниями». 5 декабря Герц отправил Гельмгольцу описание своих наблюдений. Вскоре в «Видемановских анналах физики и химии» появилась статья «Об очень быстрых электрических колебаниях», в которой были опубликованы первые результаты исследований. В статье «О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд» Герц описал открытое им явление внешнего фотоэффекта. А 5 ноября 1887 года Герц отправил Гельмгольцу новую работу «О явлении индукции, вызываемой в изоляторах электрическими процессами», в которой полностью решил то самое конкурсное задание 1879 года. Через три дня пришел ответ: «Рукопись получил. Браво! В четверг передаю ее в печать. Герман фон Гельмгольц».
Но на достигнутом Герц не остановился. Наоборот, успех окрылил его, и он с новыми силами продолжал свои исследования. Правда, его, эксперименты были весьма трудоемкими, сложность состояла в том, что ученый имел дело с волнами большой длины, а это требовало особых условий. Работы необходимо было проводить в просторном помещении – приходилось использовать большую (14×15 м) учебную аудиторию и, естественно, только в промежутках между занятиями. Из помещения удаляли все металлические предметы (газовые трубы, люстры и т. д.). Отражателем волн служила цинковая пластинка высотой 4 метра. Сиденья соединялись специальными мостками, чтобы экспериментатор мог свободно перемещаться по всему пространству аудитории. Герц ходил по всему помещению с проволочным кольцом, служащим измерительным инструментом (по своей сути кольцо представляло собой тот же диполь). Позже он проводил наблюдения в темноте и даже с лупой – так были открыты стоячие электромагнитные волны.
