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.
В целом проведенные в 1886–1888 годах опыты Герца не только убедительно продемонстрировали существование электромагнитных волн, но позволили открыть целый ряд их свойств: особенности распространения, отражения, преломления, поляризации. Сходство этих свойств со свойствами световых лучей подтвердило предположение Фарадея и Максвелла о единой природе света и электричества. Вместе с этим была окончательно повержена концепция дальнодействия.
Открытия привлекли к Генриху Герцу внимание научного сообщества. Он стал получать заманчивые предложения от различных учебных заведений. Его приглашали в Гиссен на кафедру, недавно оставленную Рентгеном; после смерти Кирхгофа, в 1887 году, поступило предложение занять его место в Берлинском университете. Но Герц хотел иметь больше времени для исследований и поэтому выбрал университет Бонна, где весной 1889 года стал ординарным профессором физики.
В Бонне его предшественником был великолепный ученый Рудольф Клаузиус – один из основателей термодинамики. Клаузиус умер годом раньше, и в распоряжение семьи Герца перешел дом покойного. Дом окружал прекрасный сад, в котором Генрих любил проводить время с женой и двумя дочерьми. Новое жилище имело и еще одно преимущество. Герц писал: «То, что в доме жил один из самых знаменитых в моей науке людей, конечно, привлекательно для меня и всех физиков, которым случается меня посещать».
В университете же Герц на первых порах столкнулся с трудностями. Ему пришлось переоборудовать лабораторию, на что ушло много времени и сил. К серьезным практическим работам удалось приступить только через год. В сентябре 1889 года ученый с большим успехом выступил на 62-м заседании Общества немецких естествоиспытателей и врачей с докладом «Об отношении между светом и электричеством». Доклад, подготовленный для широкого круга слушателей, способствовал росту научной славы Герца. Следующим шагом на вершину научного Олимпа стала поездка в Лондон по приглашению Королевского общества. Генрих читал лекции в Лондоне и Кембридже, общался с коллегами, например с Уильямом Томсоном. Повсюду его встречали как великого ученого. Научные общества многих стран мира принимали его в свои члены, награждали медалями, читали о нем доклады. Надо сказать, что слава и популярность не испортили характер Герца. До конца своих дней он никогда не проявлял свойственной многим великим ученым безапелляционности. Например, в одном из писем, говоря о своих исследованиях в области механики, он писал: «Все же трудно избавиться от некоторой робости, когда приступаешь к делу, которое никогда не обсуждалось ни одним человеком».
В 1890 году Генрих Герц, продолжая эксперименты, приступил к теоретическим работам. В труде «Основные уравнения электродинамики покоящихся тел» он дополнил и обобщил теорию Максвелла. Далее последовали работы над основами механики. Герц попытался построить механику, избавив ее от искусственного понятия «силы». Результаты ученый изложил в трудах «Принципы механики, изложенные в новой связи» и «Механика без сил».
Результаты экспериментальных исследований Герц опубликовал в 1892 году под заголовком «Исследования о распространении электрической силы». Эта работа представляет особый интерес для историков науки, так как в ней автор подробно описывает не только результаты своих исследований, но и то, как он пришел к ним. В Бонне ученый обратился и к новой области исследований, плоды которых опубликовал в фундаментальной статье «О прохождении катодных лучей через тонкие слои металла». Он сделал важное открытие: атомы не представляют собой непроницаемые шарики, а масса их собрана только в одной мельчайшей части пространства. Этот результат в дальнейшем лег в основу модели атома Резерфорда.