赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波

劉慶賀

1887年，赫茲首先發(fā)現(xiàn)并驗證了電磁波的存在。當(dāng)時年僅29歲。赫茲的重大發(fā)現(xiàn)不但為無線電通信創(chuàng)造了條件，并且根據(jù)電磁波的傳播規(guī)律，確定了電磁波和光波一樣，具有反射、折射和偏振等性質(zhì)，驗證了麥克斯韋關(guān)于光是一種電磁波的理論推測。

19世紀(jì)60年代，麥克斯韋提出了電磁場的理論，并從理論上推測到電磁波的存在，可惜他英年早逝，未能用實驗來證明自己推測的正確性。當(dāng)時，沒有人能理解麥克斯韋的學(xué)說，因此，他的功績生前并未得到重視，直到他死后近10年，赫茲發(fā)現(xiàn)并證明了電磁波存在后，人們才意識到麥克斯韋理論的重要性。如果把電磁理論的建立比作一座宏偉的大廈，那么，為這座大廈奠定了堅實地基的是法拉第；在堅實的地基上建成這座大廈的是麥克斯韋；為這座雄偉的大廈進行內(nèi)部裝修，使它能夠最后被人們廣泛使用的是赫茲。人們?yōu)榱思o(jì)念這位年輕的科學(xué)家為人類做出的不朽功勛，用他的名字來命名物理學(xué)和數(shù)學(xué)的一些概念，并采用“赫茲”作為頻率的單位。

1857年2月22日，亨利希·赫茲生于德國漢堡。赫茲在少年時代就顯示了自己非凡的聰明才智，以及出眾的實驗才能。他特別喜歡做力學(xué)和光學(xué)實驗。為了提高自己的動手能力，他利用課余時間向一位細(xì)木工學(xué)習(xí)手藝，還向車工師傅學(xué)習(xí)車工技術(shù)，練就了一雙靈巧的手。星期天，赫茲從來不休息，他在學(xué)校里學(xué)習(xí)制圖。有趣的是，后來當(dāng)他的車工師傅得知赫茲當(dāng)了物理學(xué)教授的消息時，曾帶著惋惜的口吻贊嘆道：“唉！真可惜！赫茲本該是一個多么出色的車工??！”

1884年秋，赫茲開始攻克他的導(dǎo)師亥姆霍茲提出的柏林科學(xué)院懸賞獎的問題。即如何用實驗來證實電磁波的存在？他對這個難題進行了無數(shù)次實驗，均未取得什么成效。然而，赫茲并沒有灰心，一直思索著解決這道難題的辦法。他幾乎把全部時間都耗在了學(xué)校實驗室里。在學(xué)校的物理實驗室中，有一種叫黎斯螺線管的感應(yīng)線圈，這種儀器有初級和次級兩個線圈，它們是相互絕緣的。在實驗中，赫茲發(fā)現(xiàn)：若給初級線圈輸入脈沖電流，次級線圈的火花隙中便有電火花發(fā)生。這種現(xiàn)象立即引起了赫茲的注意，他敏銳地感到，這是一種與聲共振現(xiàn)象相似的快速電磁共振過程。他想，電火花的往返跳躍表明在電極間建立了一個迅速變化的電場和磁場，因為根據(jù)尚未被實驗證明的麥克斯韋的電磁理論，變化的場將以電磁波的形式向周圍空間輻射。赫茲斷定：次級線圈中火花隙中的電火花，是因為初級線圈電磁振蕩，次級線圈受到感應(yīng)的結(jié)果。

為了用實驗來證實麥克斯韋高深莫測的電磁場理論，驗證電磁波的確存在，赫茲精心設(shè)計了一個電磁波發(fā)生器，對“電火花實驗”進行了一系列深入的研究。赫茲用兩塊邊長40.64厘米的正方形鋅板，每塊鋅板接上一個30.5厘米長的銅棒，銅棒的一端焊上一個金屬球，將銅棒與感應(yīng)圈的電極相連。通電時，如果使兩根銅棒上的金屬球靠近，便會看到有火花從一個球跳到另一個球，這些火花表明電流在循環(huán)不息。在金屬球之間產(chǎn)生的這種高頻電火花，即電磁波。麥克斯韋的理論認(rèn)為由此電磁波便會被送到空間去。赫茲為了捕捉這些電磁波，證明它確實被送到了空間，他用一根兩端帶有銅球的銅絲彎成環(huán)狀，當(dāng)作檢波器。他把這個檢波器放到離電磁波發(fā)生器10米遠的地方，當(dāng)電磁波發(fā)生器通電后，檢波器銅絲圈兩端的銅球上產(chǎn)生了電火花。這些火花是怎樣產(chǎn)生的呢？赫茲認(rèn)為：這便是電磁波從發(fā)射器發(fā)出后，被檢波器捉住了；電磁波不僅產(chǎn)生了，而且傳播了10米遠。

誰也沒有想到，赫茲竟用如此簡單的自制儀器驗證了麥克斯韋如此深奧的電磁場理論，赫茲的論文出色地解答了1879年亥姆霍茲提出的懸賞難題，由此榮獲柏林學(xué)院的科學(xué)獎。從此，電磁波的存在得到了確認(rèn)，再也沒有人懷疑了。