八年懸賞翹首以盼 電磁理論一朝收官
——赫茲“電火花”實(shí)驗(yàn)

任炳杰

(江蘇省白蒲高級(jí)中學(xué)，江蘇 如皋 226511)

海因里?！?shù)婪颉ず掌澥侵聡锢韺W(xué)家,1857年生于德國漢堡市一個(gè)富裕的猶太人家庭,從小受到了良好的教育,23歲時(shí)師從于亥姆霍茲獲得德國柏林大學(xué)博士學(xué)位,后成為卡爾斯魯厄高等技術(shù)學(xué)院物理教授．赫茲在理論和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域均對(duì)物理學(xué)發(fā)展作出了杰出貢獻(xiàn),走在了當(dāng)時(shí)電磁學(xué)、X射線、光電效應(yīng)、陰極射線等研究領(lǐng)域的最前沿,其中又以發(fā)現(xiàn)電磁波和測量電磁波傳播速度的“電火花”實(shí)驗(yàn)最為著名．本文從赫茲“電火花”實(shí)驗(yàn)的研究背景、實(shí)驗(yàn)原理、歷史意義3個(gè)方面加以闡述．

1 實(shí)驗(yàn)的研究背景

18世紀(jì)中葉在庫侖發(fā)現(xiàn)電力、磁力的平方反比規(guī)律的基礎(chǔ)上,拉普拉斯、泊松等人建立了完整的靜電理論．進(jìn)入19世紀(jì)以后隨著電流磁效應(yīng)、電流熱效應(yīng)、電磁感應(yīng)等電磁現(xiàn)象的陸續(xù)發(fā)現(xiàn),物理學(xué)家們開始關(guān)注電磁現(xiàn)象的理論體系,試圖仿照牛頓力學(xué)體系將上述電磁現(xiàn)象都納入其中．安培遵循牛頓力學(xué)體系的思路建立了電動(dòng)力學(xué),韋伯和紐曼發(fā)展了安培的理論認(rèn)為電磁現(xiàn)象是一種超距作用,形成了大陸派電動(dòng)力學(xué);與之對(duì)立的另一學(xué)派以法拉第為代表,構(gòu)想出描繪電磁作用的“力線”圖像,主張電磁現(xiàn)象是一種近距作用．

1856～1865的近10年間,麥克斯韋在前人工作的基礎(chǔ)上,洞察了大陸電動(dòng)力學(xué)的不協(xié)調(diào)因素,認(rèn)識(shí)到超距作用的弱點(diǎn);繼承了法拉第的“力線”思想,堅(jiān)定了近距作用的信念．同時(shí)又正確汲取了大陸電動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)表達(dá)方式,在兩種不同學(xué)說的爭論中展開了電磁理論的研究,和牛頓一樣在前人研究的基礎(chǔ)上作出了偉大的歷史突破,陸續(xù)發(fā)表了3篇題為《論法拉第力線》《論物理力線》《電磁場的動(dòng)力學(xué)理論》關(guān)于電磁場理論的論文．麥克斯韋的電磁理論可以解釋已發(fā)現(xiàn)的所有電磁現(xiàn)象,而且其數(shù)學(xué)形式簡潔優(yōu)美,仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌,符合物理學(xué)家們一貫的審美邏輯從而獲得了高度評(píng)價(jià),被譽(yù)為自牛頓建立經(jīng)典力學(xué)體系以來物理學(xué)最偉大的成就．

麥克斯韋電磁理論雖然完美,但是未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論終究不能使人信服．1879年柏林普魯士科學(xué)院頒布一項(xiàng)科學(xué)懸賞,以重金向當(dāng)時(shí)科學(xué)界征求對(duì)麥克斯韋電磁理論的證明．麥克斯韋電磁理論包涵了一個(gè)偉大的預(yù)言,如果空間某區(qū)域中有周期性變化的電場,那么它會(huì)在空間引起變化的磁場;這個(gè)變化的磁場又會(huì)引起新的變化的電場……變化的電場和變化的磁場交替出現(xiàn),由近及遠(yuǎn)傳播開去,空間可能存在電磁波．不僅如此,麥克斯韋電磁理論還指出真空中電磁波的傳播速度等于光速c,光本身就是一種遵循電磁規(guī)律傳播的電磁波．基于上述背景赫茲在導(dǎo)師亥姆霍茲的鼓勵(lì)下決定進(jìn)行電磁波實(shí)驗(yàn),因?yàn)檎业诫姶挪ň湍茏C明麥克斯韋的電磁理論．

2 實(shí)驗(yàn)原理

赫茲證實(shí)電磁波存在的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,主要由發(fā)生器和接收器兩部分組成．兩個(gè)大銅球分別通過70 cm長的銅棒與兩只小銅球連接,小銅球相對(duì)放置中間留有約0.75 cm的空隙,實(shí)際上組成了一個(gè)電容器．銅球表面仔細(xì)打磨光滑,兩根銅棒分別用導(dǎo)線連接到電感線圈的兩端,閉合開關(guān)給電感線圈通電時(shí)銅球電容開始充電,當(dāng)電壓上升至2×104V左右時(shí),兩個(gè)小銅球間的空氣被擊穿,出現(xiàn)短暫的放電電流,在暗室中能觀察到一束美麗的藍(lán)色電火花．每一次“電火花”的出現(xiàn)都會(huì)伴隨能量損失,使得銅球電容兩端的電壓降低至擊穿電壓以下,直到電容器繼續(xù)充電達(dá)到擊穿電壓,“電火花”再次出現(xiàn),但是發(fā)生器中的“電火花”卻不是赫茲想要觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．赫茲取2 mm粗的銅棒做成圖1中的兩個(gè)開口的長方形銅環(huán),在其接口處同樣連接兩只小銅球,銅球間的間隙調(diào)節(jié)至適當(dāng)寬度,實(shí)際上組成了電磁波的接收器．隨著發(fā)生器不斷擊穿空氣形成高頻振蕩的放電電流,赫茲將目光集中到不遠(yuǎn)處的接收器,開口處的小銅球間也同樣激發(fā)出了“電火花”,一次、兩次、三次、一閃而逝但千真萬確．接收器是一個(gè)孤立系統(tǒng),既沒有連接發(fā)生器也沒有能量來源,“電火花”的閃現(xiàn)只能有一個(gè)解釋,電磁波真實(shí)存在于空間之中,正是電磁波激發(fā)了接收器上的“電火花”．赫茲成功地解決了這個(gè)8年前由柏林普魯士科學(xué)院頒布的科學(xué)懸賞,雖然這個(gè)懸賞于1882年因?yàn)閷?shí)在太難無人能解就已經(jīng)失效了．

圖1 赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置及簡圖

赫茲通過“電火花”實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波存在以后,接下來證明麥克斯韋電磁理論最有說服力的實(shí)驗(yàn)就是直接測量電磁波的傳播速度．依據(jù)麥克斯韋電磁理論,電磁波在真空中的傳播速度等于光速c,要直接測量這么快的速度是非常困難的．赫茲在“電火花”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,巧妙地利用波的疊加原理,成功地測出了電磁波的傳播速度,成為赫茲電磁波系列實(shí)驗(yàn)中最具有代表性的杰作．

圖2 測量電磁波速度的裝置示意圖

圖3 前進(jìn)波與反射波相遇

3 實(shí)驗(yàn)的歷史意義

赫茲通過“電火花”實(shí)驗(yàn)全面證實(shí)麥克斯韋的電磁理論,并在理論上進(jìn)行了進(jìn)一步完善,揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一,建立了科學(xué)完整的電磁理論體系,成為物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程中一個(gè)劃時(shí)代的里程碑,足以與牛頓建立經(jīng)典力學(xué)理論體系相媲美．愛因斯坦曾經(jīng)給予高度評(píng)價(jià):“自從牛頓奠定理論物理學(xué)的基礎(chǔ)以來,物理學(xué)公理基礎(chǔ)的最偉大變革,是由法拉第、麥克斯韋、赫茲在電磁現(xiàn)象方面的工作引起的”．[1]經(jīng)典電磁理論大廈經(jīng)由法拉第奠基、麥克斯韋建造主體、赫茲完成封頂之作,歷經(jīng)百年終于建成,它高聳入云、精美絕倫、宏偉輝煌,成為物理學(xué)發(fā)展歷程中最具有代表意義的經(jīng)典建筑．

赫茲“電火花”實(shí)驗(yàn)為人類無線電技術(shù)的發(fā)展開拓了道路,他的名字被定為頻率單位永遠(yuǎn)鐫刻于科學(xué)史的名人殿堂．1894年赫茲英年早逝,就在這一年一位正在度假的意大利青年古格列爾莫馬可尼在電氣雜志上讀到了赫茲關(guān)于電磁波實(shí)驗(yàn)的論文．大受啟發(fā)兩年以后馬可尼在公開場合進(jìn)行了無線電通訊表演,不久成立馬可尼無線電報(bào)公司并獲得了專利,到了1901年也就是赫茲去世僅7年后,無線電報(bào)已經(jīng)能夠穿越大洋實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信了．來自俄國的波波夫同樣在無線電技術(shù)領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn),如果說馬可尼與波波夫?qū)⑷祟悗肓藣湫碌摹靶畔r(shí)代”,那么無疑是赫茲啟發(fā)他們開始了物理學(xué)改變?nèi)祟惿鐣?huì)的奇妙旅程．

赫茲“電火花”實(shí)驗(yàn)為物理學(xué)新理論華麗登場埋下了重要伏筆．首先是麥克斯韋電磁理論的證實(shí),使得物理學(xué)家對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)得到扭轉(zhuǎn),在此之前受牛頓經(jīng)典力學(xué)體系影響,光的粒子性占了上風(fēng),自此之后光的波動(dòng)性絕地反擊,光本身就是一種電磁波是對(duì)粒子性的最佳駁斥．更重要的是波動(dòng)性也沒能風(fēng)光多久,短短幾年后新的現(xiàn)象和理論風(fēng)起云涌,光的波粒二象性呼之欲出．其次赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波的傳播速度等于光速c,成為電磁規(guī)律的重要組成部分,愛因斯坦敏銳地發(fā)現(xiàn)相對(duì)性原理與電磁規(guī)律無法調(diào)和的矛盾,在令人困惑的事實(shí)面前,愛因斯坦大膽提出了狹義相對(duì)論,從此將人類帶入了一個(gè)嶄新而奇妙的時(shí)空世界．