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    經典電磁學封頂者,科學巨匠赫茲
    2023-11-21 中國電信博物館微信公眾號
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    通信領域的廣播、電視、移動通信;醫療領域的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——德國科學天才海因里?!數婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz)。

    雖然電磁場理論之父的詹姆斯·麥克斯韋在1864年就預言了電磁波的存在,并得出結論:光是電磁波的一種形式,但是這個“神奇”預言因缺乏直接的實驗證據,在當時并沒有得到廣泛的認可和接受。直到20多年后,德國物理學家赫茲設計實驗驗證了電磁,麥克斯韋的成就才得到世人的認可。后來,在赫茲的實驗結果之上,馬可尼發明了無線電,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,赫茲是物理學電磁理論和電磁應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,在物理學界占有舉足輕重的地位。

    01 

    天才少年,嶄露頭角 

    海因里?!數婪颉ず掌?/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,家境優渥。6歲時,赫茲進入當地的私立學校,他表現出色,常常排名第一。

    1875年,18歲的赫茲通過了德國大學統一入門考試 (Abitur examinations),來到了法蘭克福開始學習建筑工程。沒過多久,他放棄了建筑師的夢想,回到德累斯頓工學院學習工程學,幾個月后他應征入伍一年。退役后,赫茲搬到慕尼黑,繼續學習工程學課程。

    1877年,赫茲考入慕尼黑大學,選修高等數學、力學、實驗物理和實驗化學課程。一年后,他偶然在柏林聽到了創立了能量守恒學說的物理學教授赫爾曼·馮·亥姆霍茲的演講,開始對物理學、電學產生了濃厚的興趣,因此他又轉入了柏林大學,在這里,赫茲終于遇到了自己人生中最重要的兩位導師:德國著名科學家古斯塔夫·基爾霍夫和赫爾曼·馮·亥姆霍茲,開始全身心地投入學習研究中。

    1880年,赫茲獲得博士學位,并被評為榮譽優等生。畢業后,赫茲仍繼續跟隨亥姆霍茲做博士后研究,在此期間,他在眾多科學領域發表過15篇各種領域的論文,展現了卓越的科研才華。1883年,赫茲收到基爾大學的邀請,出任該校理論物理學講師,在此就任期間,赫茲發表論文《論麥克斯韋關于相向電磁基本方程之間的關系》(On the relations between Maxwell's fundamental equations of the opposing electromagnetics),提出了一套關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大學拋來的橄欖枝,邀請他擔任物理系教授。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,發現電磁波 

    受導師亥姆霍茲的啟發和鼓勵,赫茲很早便開始便研究麥克斯韋的電磁理論。1879 年,柏林科學院設立了有獎征文,要求證明麥克斯韋的電磁理論與電磁波的存在。在此之前,一些科學家就已經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,赫茲根據電容器經由電火花隙會產生振蕩的原理,設計了一套電磁波發生器裝置,來驗證電磁波的存在。這是一臺可以產生及接收電磁波的設備,主要部分是一個電火花發生器,用兩個相隔很近的小銅球作為電容器。

    當合上電路開關后,電流將穿過裝置中的感應線圈,并對銅球進行充電,當電壓上升到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,為了監測電磁波,赫茲又設計了一個接收器。它由一個開口的銅環組成,銅環是孤立存在的,在開口的接口處各鑲了一個小銅球,銅環開口與產生入射的電磁波共振,如果麥克斯韋預言的電磁波真的存在,那么在接收器銅環開口(只有幾百分之一毫米寬)處,就可以產生微小的火花來體現電磁波的存在。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射電磁波。

    赫茲的實驗裝置 

    圖源:平度市工業和信息化局微信公眾號

    這個實驗極難操作,銅環開口處產生的電火花不僅微弱,而且只能持續一個微秒左右,如果能夠肉眼看到虛無縹緲的電火花簡直是一種奇跡。完成實驗裝置準備后,赫茲打開了整個實驗的開關,發生器的電火花產生后,他激動地看向另一端的銅環,銅環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推上了最頂峰,傳統物理學研究取得了轟動業界的巨大突破!

    1887 年11 月5 日,赫茲發表了名為《論在絕緣體中電擾動所引起的電磁效應》(On electromagnetic effects produced by electrical disturbances in insulators)的論文,總結了自己的重要發現:無線電輻射具有波的所有特性,證實了麥克斯韋關于電磁波存在的預言,這篇論文直接轟動了整個物理學界,讓麥克斯韋的電磁理論被封為經典。赫茲的發現具有劃時代的意義,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生的波在屋子里傳播的現象,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,并將這些成果總結在《論運動傳播速度的電效應》(On the electric effect of the propagation velocity of moving)的論文中,我們現在都知道,赫茲的發現具有廣泛的實際用途,打開了新世界的大門。但當時赫茲并沒有意識到這一點。他說:“我認為我所發現的無線電波不會有任何實際應用?!?/p>

    03 

    赫茲留給世界的重要影響 

    赫茲紀念郵票 

    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。在其發表的著名論文《關于靜止物體的電磁學基本方程組》(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,將其加工成現代數學的表達方式,為此,愛因斯坦把該方程組稱為“麥克斯韋–赫茲方程組”;英國數學和物理學家奧利弗·海維賽德(Oliver Heaviside,1850–1925)甚至直接稱之為“赫茲方程組”。

    此外,赫茲對科學的貢獻與思考對普朗克、洛倫茲、愛因斯坦等一大批科學家產生了積極影響。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,他是第一個發現光電效應的人,即在光的照射下帶電金屬會釋放出電子的現象。三十多年后,愛因斯坦因成功解釋了赫茲發現的光電效應,并因此獲得了1921年諾貝爾物理學獎。赫茲對光電效應的這一重要發現,也成為愛因斯坦建立光量子理論的基礎。

    更重要的是,赫茲的實驗發現具有劃時代意義——奠定了無線通信的基礎,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電磁波。這個21歲的年輕人受到了極大的啟發:用赫茲的火花振蕩器產生的電磁波來發射信號。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,一顆科學巨星就此隕落。1930年,為了紀念赫茲的豐功偉績,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用(例如無線電報、廣播、雷達)進入迅猛的發展階段,人類社會也隨之真正進入了無線電時代,他就是科學史上的一位傳奇!

     

    參考資料: 

    1、2017年第14期《科技導報》科學導報:《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,河南焦作大學基礎部,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榮》,作者:陳關榮;

    4、 奇趣物理:《電磁學神殿封頂之絕唱——赫茲和他的電火花 》。

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