通信領(lǐng)域的廣播、電視、移動通信;醫(yī)療領(lǐng)域的X射線、核磁共振(NMR);生活使用的微波爐和電磁爐……電磁波如今被廣泛應(yīng)用于人們的日常工作生活中,成為這個時代的重要基石。這一切都離不開一個人——德國科學(xué)天才海因里希·魯?shù)婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz)。
雖然電磁場理論之父的詹姆斯·麥克斯韋在1864年就預(yù)言了電磁波的存在,并得出結(jié)論:光是電磁波的一種形式,但是這個“神奇”預(yù)言因缺乏直接的實驗證據(jù),在當(dāng)時并沒有得到廣泛的認可和接受。直到20多年后,德國物理學(xué)家赫茲設(shè)計實驗驗證了電磁,麥克斯韋的成就才得到世人的認可。后來,在赫茲的實驗結(jié)果之上,馬可尼發(fā)明了無線電,從此徹底改變了人們的生活,最終迎來了移動通信時代。
可以說,赫茲是物理學(xué)電磁理論和電磁應(yīng)用之間最重要的銜接者,也是第一個證實電磁波真實存在的人,在物理學(xué)界占有舉足輕重的地位。
01
天才少年,嶄露頭角
海因里?!?shù)婪颉ず掌?/strong>
圖片來源:百度百科
1857年2月22日,赫茲出生在德國漢堡市,家境優(yōu)渥。6歲時,赫茲進入當(dāng)?shù)氐乃搅W(xué)校,他表現(xiàn)出色,常常排名第一。
1875年,18歲的赫茲通過了德國大學(xué)統(tǒng)一入門考試 (Abitur examinations),來到了法蘭克福開始學(xué)習(xí)建筑工程。沒過多久,他放棄了建筑師的夢想,回到德累斯頓工學(xué)院學(xué)習(xí)工程學(xué),幾個月后他應(yīng)征入伍一年。退役后,赫茲搬到慕尼黑,繼續(xù)學(xué)習(xí)工程學(xué)課程。
1877年,赫茲考入慕尼黑大學(xué),選修高等數(shù)學(xué)、力學(xué)、實驗物理和實驗化學(xué)課程。一年后,他偶然在柏林聽到了創(chuàng)立了能量守恒學(xué)說的物理學(xué)教授赫爾曼·馮·亥姆霍茲的演講,開始對物理學(xué)、電學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣,因此他又轉(zhuǎn)入了柏林大學(xué),在這里,赫茲終于遇到了自己人生中最重要的兩位導(dǎo)師:德國著名科學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫和赫爾曼·馮·亥姆霍茲,開始全身心地投入學(xué)習(xí)研究中。
1880年,赫茲獲得博士學(xué)位,并被評為榮譽優(yōu)等生。畢業(yè)后,赫茲仍繼續(xù)跟隨亥姆霍茲做博士后研究,在此期間,他在眾多科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表過15篇各種領(lǐng)域的論文,展現(xiàn)了卓越的科研才華。1883年,赫茲收到基爾大學(xué)的邀請,出任該校理論物理學(xué)講師,在此就任期間,赫茲發(fā)表論文《論麥克斯韋關(guān)于相向電磁基本方程之間的關(guān)系》(On the relations between Maxwell's fundamental equations of the opposing electromagnetics),提出了一套關(guān)于電磁力的自由傳播理論,為他后來修改麥克斯韋方程組的表達形式作了鋪墊。
1885年,28歲的赫茲收到了來自卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)拋來的橄欖枝,邀請他擔(dān)任物理系教授。赫茲認為,不通過實驗,無法真正接觸到物理學(xué)真相。于是他接受了邀請并親自改良實驗室,在上課時進行各種示范性的實驗。正是在這里,他完成了永載史冊的電磁波實驗。
02
人生開掛,發(fā)現(xiàn)電磁波
受導(dǎo)師亥姆霍茲的啟發(fā)和鼓勵,赫茲很早便開始便研究麥克斯韋的電磁理論。1879 年,柏林科學(xué)院設(shè)立了有獎?wù)魑模笞C明麥克斯韋的電磁理論與電磁波的存在。在此之前,一些科學(xué)家就已經(jīng)開始探討如何來驗證麥克斯韋的電磁理論,其中包括物理學(xué)家菲茨杰拉德、W. 湯姆遜、亥姆霍茲等,赫茲也開始了驗證電磁波的思考和研究。
依照麥克斯韋理論,電擾動能輻射電磁波。于是,赫茲根據(jù)電容器經(jīng)由電火花隙會產(chǎn)生振蕩的原理,設(shè)計了一套電磁波發(fā)生器裝置,來驗證電磁波的存在。這是一臺可以產(chǎn)生及接收電磁波的設(shè)備,主要部分是一個電火花發(fā)生器,用兩個相隔很近的小銅球作為電容器。
當(dāng)合上電路開關(guān)后,電流將穿過裝置中的感應(yīng)線圈,并對銅球進行充電,當(dāng)電壓上升到2萬伏時,兩個銅球之間的空氣將被擊穿,電荷就可以從中穿過,往來于兩個大銅球之間,形成一個高頻的振蕩回路(LC回路)。
同時,為了監(jiān)測電磁波,赫茲又設(shè)計了一個接收器。它由一個開口的銅環(huán)組成,銅環(huán)是孤立存在的,在開口的接口處各鑲了一個小銅球,銅環(huán)開口與產(chǎn)生入射的電磁波共振,如果麥克斯韋預(yù)言的電磁波真的存在,那么在接收器銅環(huán)開口(只有幾百分之一毫米寬)處,就可以產(chǎn)生微小的火花來體現(xiàn)電磁波的存在。再通過改變間隙的大小可評估接收到電磁波的強弱。如果麥克斯韋理論是正確的,那么此時兩個銅球就會向外發(fā)射電磁波。
赫茲的實驗裝置
圖源:平度市工業(yè)和信息化局微信公眾號
這個實驗極難操作,銅環(huán)開口處產(chǎn)生的電火花不僅微弱,而且只能持續(xù)一個微秒左右,如果能夠肉眼看到虛無縹緲的電火花簡直是一種奇跡。完成實驗裝置準(zhǔn)備后,赫茲打開了整個實驗的開關(guān),發(fā)生器的電火花產(chǎn)生后,他激動地看向另一端的銅環(huán),銅環(huán)之間那微弱的電火花在那一刻如此的耀眼。赫茲成功解決了導(dǎo)師亥姆霍茲一直想要驗證思考的問題,也將麥克斯韋的電磁學(xué)推上了最頂峰,傳統(tǒng)物理學(xué)研究取得了轟動業(yè)界的巨大突破!
1887 年11 月5 日,赫茲發(fā)表了名為《論在絕緣體中電擾動所引起的電磁效應(yīng)》(On electromagnetic effects produced by electrical disturbances in insulators)的論文,總結(jié)了自己的重要發(fā)現(xiàn):無線電輻射具有波的所有特性,證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言,這篇論文直接轟動了整個物理學(xué)界,讓麥克斯韋的電磁理論被封為經(jīng)典。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義,他驗證了電磁波的存在,所以電磁波也直接被稱為 “赫茲波”,直到多年以后才改叫“電磁波”(無線電波)。
后來,赫茲又使用震蕩的電子產(chǎn)生的波在屋子里傳播的現(xiàn)象,證明了這種波可以像光波遇到鏡子一樣被反射,?也能夠像光一樣通過棱鏡,甚至傳播的速度都和光一樣快。他用這個實驗確定了電磁波的速度等于光速,且具有與光波一樣的直線傳播、反射、折射、偏振等性質(zhì),并將這些成果總結(jié)在《論運動傳播速度的電效應(yīng)》(On the electric effect of the propagation velocity of moving)的論文中,我們現(xiàn)在都知道,赫茲的發(fā)現(xiàn)具有廣泛的實際用途,打開了新世界的大門。但當(dāng)時赫茲并沒有意識到這一點。他說:“我認為我所發(fā)現(xiàn)的無線電波不會有任何實際應(yīng)用?!?/p>
03
赫茲留給世界的重要影響
赫茲紀(jì)念郵票
赫茲不僅從實驗上證明了麥克斯韋理論,還從理論上簡化了麥克斯韋理論。在其發(fā)表的著名論文《關(guān)于靜止物體的電磁學(xué)基本方程組》(On the fundamental equations of electromagnetics for bodies at rest)中,他進一步完善了麥克斯韋方程組,將其加工成現(xiàn)代數(shù)學(xué)的表達方式,為此,愛因斯坦把該方程組稱為“麥克斯韋–赫茲方程組”;英國數(shù)學(xué)和物理學(xué)家奧利弗·海維賽德(Oliver Heaviside,1850–1925)甚至直接稱之為“赫茲方程組”。
此外,赫茲對科學(xué)的貢獻與思考對普朗克、洛倫茲、愛因斯坦等一大批科學(xué)家產(chǎn)生了積極影響。除了電磁波實驗,赫茲還研究了紫外線光對火花放電的影響并進行了一系列實驗,他是第一個發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的人,即在光的照射下帶電金屬會釋放出電子的現(xiàn)象。三十多年后,愛因斯坦因成功解釋了赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng),并因此獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎。赫茲對光電效應(yīng)的這一重要發(fā)現(xiàn),也成為愛因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。
更重要的是,赫茲的實驗發(fā)現(xiàn)具有劃時代意義——奠定了無線通信的基礎(chǔ),決定了人類必將邁入信息時代。1895年,意大利青年古列爾莫·馬可尼 (Guglielmo Marconi) 在度假時偶然讀到了雜志上赫茲的一篇科普文章,其中描述了如何用振蕩器激發(fā)電磁波。這個21歲的年輕人受到了極大的啟發(fā):用赫茲的火花振蕩器產(chǎn)生的電磁波來發(fā)射信號。1901年,馬可尼成功地將無線電信號送到大西洋彼岸的美國,由此開啟了人類無線通信時代。
令人遺憾的是,1892年,赫茲被診斷出敗血癥,1894年1月1日,赫茲因血液中毒在波恩去世,年僅37歲,一顆科學(xué)巨星就此隕落。1930年,為了紀(jì)念赫茲的豐功偉績,國際電工委員會把他的名字“赫茲”定為頻率的測量單位。1960年,國際度量衡大會官方正式確認了這一單位。
赫茲的一生雖然短暫,但他對電磁波的驗證為電磁波研究做出了里程碑式的貢獻,圍繞電磁波的一系列應(yīng)用(例如無線電報、廣播、雷達)進入迅猛的發(fā)展階段,人類社會也隨之真正進入了無線電時代,他就是科學(xué)史上的一位傳奇!
參考資料:
1、2017年第14期《科技導(dǎo)報》科學(xué)導(dǎo)報:《赫茲永載史冊的電磁波實驗帶給人類的福祉和啟示》,作者:呂增建,河南焦作大學(xué)基礎(chǔ)部,教授;
2、 鮮棗課堂:《赫茲傳》,作者:小棗君;
3、 《赫茲,他證實了電磁波的存在丨陳關(guān)榮》,作者:陳關(guān)榮;
4、 奇趣物理:《電磁學(xué)神殿封頂之絕唱——赫茲和他的電火花 》。