無線電波的發(fā)現(xiàn)者——赫茲

沈建峰

19世紀下半葉的德國已成為世界科學中心，在物理學界可謂人才濟濟、群星燦爛。海因里?！數婪颉ず掌潱℉einrichRudolfHertz）正是這個科學家群體中一顆光彩照人的巨星。他既有淵博的知識，又具有融實驗家和理論家為一體的非凡天才，在其所涉獵的諸多領域中，都做出了杰出而偉大的貢獻。

19世紀還是牛頓力學如日中天的時代，電學還屬于旁門左道的研究領域，當時活躍的電學家大多數都是發(fā)明家，比如發(fā)明電報的莫爾斯，原來是畫家；發(fā)明電燈的愛迪生，只在正規(guī)學校讀了幾年書就輟學了；還有發(fā)現(xiàn)電磁感應定律的法拉第，原來是報童和裝訂工人……這些今天聽來如雷貫耳的名字，當時都是憑借個人興趣在進行電學方面的探索和研究，而主流的物理學家們，對電學仍然不屑一顧。

直到1873年，麥克斯韋的經典著作《電磁學通論》問世，電磁學才有了系統(tǒng)理論，但由于采用力學類比的方法，數學工具又極其艱深難懂，再加上當時大多數理學家接受諾伊曼和韋伯的超距作用理論，以至麥克斯韋晚年在劍橋大學教授電磁理論時，竟然只有兩個學生在聽課！這一方面說明電磁學在當時的地位，連對新事物特別敏感的學生也不感興趣；另一方面，麥克斯韋的理論的關鍵點，即關于存在電磁波的預言，尚未得到實驗證實。

那么，麥克斯韋的電磁理論，會不會像他關于土星的研究成果一樣，要過一百多年才被證實呢？今天我們知道，沒有經過那么漫長的歲月，否則，我們今天還進入不了信息時代。讓電磁學榮登物理學圣殿的關鍵人物，是德國物理學家海因里希·魯道夫·赫茲，將其推向實用的功臣，則是意大利科學家馬可尼和俄國科學家波波夫。而當年麥克斯韋的兩個學生之一弗萊明，則在后來發(fā)明了電子管，這一成果稱霸電子工業(yè)50多年，至今仍在某些場合使用。

1857年2月22日，赫茲誕生于德國漢堡的一個富裕家庭，他的父親是一位律師和市議員，母親是一位醫(yī)生的女兒。赫茲有個幸福的童年，從父親身上繼承了對人文科學的熱愛，喜歡學習阿拉伯語和梵文。后來一位叔公送給他一些儀器，他在家里裝備起一個小型實驗室，學著擺弄物理和化學實驗，逐漸萌發(fā)了對自然科學的熱愛，興趣慢慢從人文轉到理工。他在繪畫、雕刻、木工、金工和設計上都顯示出精湛的手工技巧，這使他在一生的科學實驗中受益匪淺。

中學畢業(yè)后，赫茲曾在一家公司實習土木工程，并曾在德累斯頓、慕尼黑等地學習科學和工程學。20 歲時他來到柏林，成為人生的重大轉折點，他從一個實驗者轉變成為一位學者。1878 年他進入柏林大學，并在亥姆霍茲和基爾霍夫指導下學習。亥姆霍茲是19 世紀最偉大的科學家之一，在生理學、光學、數學和氣象學等領域有諸多建樹，最著名的是發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律，更重要的是，亥姆霍茲是賞識麥克斯韋工作的為數不多的物理學家之一，這對赫茲的研究方向起了重要作用。

在柏林大學，赫茲獨立進行的第一項物理學研究就獲了獎，這是亥姆霍茲提出的一個有獎問題，研究在一個容器中的運動電荷是否具有慣性質量。1879 年，亥姆霍茲又提出一個有獎問題，鼓勵“建立磁力和絕緣體的介質極化之間的某些聯(lián)系”，赫茲曾打算以此作為博士論文課題，但由于沒有找到入門的途徑，他選擇了另一個在帶電旋轉球體中感應效果的問題研究，并在第二年以 “優(yōu)異學業(yè)成績”獲得了博士學位。同年，他被任命為物理學演示教師，擔任亥姆霍茲在物理研究所的助手達三年之久。在此期間，他在眾多學科領域發(fā)表了13篇科學論文，展示了卓越的科研才華。

1883 年，赫茲離開恩師亥姆霍茲，到德國北方海港城市基爾，任基爾大學理論物理編外講師。兩年后，他來到卡爾斯魯厄工學院，擔任實驗物理學教授。應該說，當時赫茲的才華已經得到公認，選擇卡爾斯魯厄工學院，主要是為了繼續(xù)進行他攻讀博士學位時未能進行的電磁學研究。卡爾斯魯厄工學院是德國第一座工科大學，環(huán)境幽雅，不受干擾，而且有相當數量的實驗設備，德國汽車大王本茨就畢業(yè)于這里；其次是因為卡爾斯魯位于德國西南部的萊茵河畔，有綿延200公里的森林和大片的丘陵，空氣清新，對他的身體健康應該會有好處。在這里，他完成了著名的電磁波實驗，還收獲了愛情，與一位講師的女兒結婚。

盡管赫茲的博士論文沒有選擇研究尋找電磁力和絕緣體的介質極化之間聯(lián)系，但他對導師提出的這個問題總是時刻縈懷在心。經過幾年醞釀，赫茲于1884 年寫出一篇重要論文，他用一種新的方法推導出麥克斯韋方程組，既不用力學類比，也避開了位移電流概念，得出我們目前使用的不含標勢和矢勢的對稱的麥克斯韋方程組。正是這種簡單明了、優(yōu)雅對稱的表達式，征服了物理學家，后來愛因斯坦一生都在堅持找到簡單、優(yōu)雅的數學表達。

赫茲堅信麥克斯韋理論是正確的，它在數學上簡直完美得像一個奇跡！仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想象它是錯誤的。然而，不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證。于是他設計了一套裝置，來驗證電磁波的存在。赫茲的裝置在今天看來很簡單：它的主要部分是一個電火花發(fā)生器，有兩個相隔很近的小銅球作為電容。當合上了電路開關，電流穿過裝置里的感應線圈，開始對銅球電容進行充電。隨著電壓的上升，很快兩個小球之間的空氣就會被擊穿，然后整個系統(tǒng)就會形成一個高頻的振蕩回路（LC回路），如果麥克斯韋是對的話，那么在兩個銅球之間就應該產生一個振蕩的電場，同時引發(fā)一個向外傳播的電磁波。在實驗室的另一邊，放著一個開口的銅環(huán)，在開口處也各鑲了一個小銅球，那是電磁波的接收器。如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話，那么它就會穿越這個房間到達另外一端，在接收器那里感生一個振蕩的電動勢，從而在接收器的開口處也激發(fā)出電火花來。

1988 年，即赫茲的實驗100周年紀念之際，美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）在紐約舉行了一個慶祝赫茲成就的專題討論會。在這個會上，展出了一套擦得锃亮的由倫敦自然科學博物館提供的赫茲原先使用過的儀器的復制品?？梢韵胂螽斈?，赫茲站在那里，仿佛他的眼睛已經看見無形的電磁波在空間穿越。當銅環(huán)接受器突然顯得有點異樣，赫茲忍不住要大叫一聲，他湊到銅環(huán)的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣里閃爍。他跑到窗口，把所有的窗簾都拉上，現(xiàn)在看得更清楚了：淡藍色的電花在銅環(huán)的缺口不斷地綻開，而整個銅環(huán)卻是一個隔離的系統(tǒng)，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲注視著，在他眼里，那些藍色的火花顯得如此美麗。終于他揉了揉眼睛，直起腰來：現(xiàn)在不用再懷疑了，電磁波真真實實地存在于空間之中，正是它激發(fā)了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個8年前自己的恩師提出懸賞的問題；同時，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學的一個新高峰——電磁理論終于被建立起來。勤奮的法拉第為它打下了地基，天才的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，偉大的赫茲為這座大廈封了頂。

赫茲進一步研究了電磁波的各種性質，確認了電磁波具有與光類似的特性，如反射、折射、衍射等，并求出電磁波的傳播速度，正如麥克斯韋預測的一樣，等于光速，從而全面驗證了麥克斯韋電磁理論的正確性。1888年1月，赫茲將這些成果總結在《論動電效應的傳播速度》一文中公布，轟動了全世界的科學界。1888年，也因此成為近代科學史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，之前邁克爾遜在1881年進行的實驗和1887年的邁克爾遜-莫雷實驗，推翻了光以太的存在，現(xiàn)代物理學已經露出了萌芽，這完全可以用我們熟知的互聯(lián)網做一個類比。20世紀80年代末，沒有幾個人聽說過互聯(lián)網，但它卻如星星之火，在二十多年后呈燎原之勢，走進社會生活的方方面面；而19世紀80年代末的電磁波，在當時也只有少數科學家理解和信服，二十年后，無線電通信已勢不可擋，對社會發(fā)生了重大影響。即使在封閉落后的中國，也對當時清政府的覆滅產生了重大影響。袁世凱1909年被罷黜返鄉(xiāng)，就在家中秘密設立了無線電臺，隨時截獲清廷的最新動向，暗中指揮北洋軍，從而為在辛亥革命中復出，當上民國大總統(tǒng)做好了準備。

赫茲不僅用實驗證實了麥克斯韋論，還在氣象學、力學、材料等諸多方面有所建樹。他發(fā)現(xiàn)了光電效應，與他對陰極射線的研究一起，成為現(xiàn)代物理學的開場鑼，而光電效應正是愛因斯坦建立光量子理論的基礎。

赫茲在1889年完成了這些工作，并在同年被任命為波恩大學的物理學教授。不管從一個物理學家的角度，還是從一個普通人的角度來看，赫茲的德國同事們都深深地尊敬他，并期待著他接替亥姆霍茲的“德國物理學的帝國大臣”的位置， 然而，就在他37歲生日前2個月，他卻因慢性血液中毒去世，比恩師亥姆霍茲去世還早8個月。為了紀念他的功績，人們用他的名字作為電磁波和其他波動頻率的單位，簡稱“赫”。