赫兹的故事

德国物理学家h .赫兹(1857 ~ 1894)，虽然只活了37年，却有两大发现:一是在实验中证实了麦克斯韦预言的电磁波；二是光电效应的发现。

20世纪70年代，当赫兹开始他的科学活动时，人们对电磁现象的认识还处于不一致的状态。麦克斯韦的电磁理论刚刚被提出。由于这一理论使用了比较先进新颖的数学工具，又由于牛顿力学的概念已经深入人心，宏观力学现象直观，所以并没有被普遍接受。许多物理学家仍然局限在力学理论的框架内，试图根据力学理论的框架建立电磁理论。麦克斯韦理论的关键是位移电流和电磁波。从理论上预言了电磁波的存在，并提出光是电磁波的一种。电磁波应该有很宽的频率范围，光波的频率范围只占很小一部分。要证明麦克斯韦理论的正确性，需要通过实验证明其他频率的电磁波的存在。它也以光速传播，具有光波一样的反射、折射、衍射、干涉和偏振的特性。所以1879年，柏林普鲁士科学院悬赏电磁波的实验验证。

赫兹是亥姆霍兹的学生，亥姆霍兹非常欣赏他。师生一生都保持着亲密的友谊。亥姆霍兹当时称之为电磁学领域？quot没有道路的荒野”，他给自己设定了在这个领域进行全面研究的任务，试图理清这种混乱的状态；事实上，是亥姆霍兹拟定了柏林科学院的奖励问题。受其影响，赫兹深入研究了电磁理论。他决心进行科学院奖励答题的实验。但由于其他工作的原因，这件事搁置了好几年。

赫兹证实电磁波存在的实验完成于1887 ~ 1888年。他使用的电磁波发生器和探测器。左边是发电机，由两个相距很近的小铜球通过一根30厘米长的铜棒与一个大铜球连接而成。两个大铜球相当于电容器的两个极板，中间有电容，铜棒有电感。将感应线圈的输出连接到两个小铜球上，为电容充电。当达到一定电压时，两个小铜球之间发生火花短路，发电机就变成了一个LC回路，电容上的电荷被火花放电，产生高频振荡(因为回路的电感和电容都很小)。由于电容器的形状，电场渗透到整个空间，产生向外传播的电磁波。右边是探测器，由一根铜线弯成圆形(赫兹采用的半径为35厘米)，两端焊接两个铜球而成。两个球之间的距离可以调节。它也是一个振荡电路。两个球之间的电容就是电路的电容，电路的固有频率由其电感和电容决定。为了实现显著的检测效果，将检测器调谐至与发生器共振。这样，当电磁波到达时，在探测器的圆形铜线上感应出电动势，在回路中产生受迫振荡。由于共振，探测器中的回路产生强烈的振荡。此时火花隙中会出现火花，因此可以测试电磁波的存在。赫兹还通过移动探测器到不同的位置，测得电磁波的波长为66 cm，是光波波长的106倍。根据波长和计算出的振荡频率，可以计算出波速等于光速。

后来赫兹也意识到了波的反射，验证了反射定律。原始波和反射波的叠加产生了驻波，从而证实了干涉。赫兹也通过沥青棱镜折射电磁波；通过有孔的屏蔽可以观察到衍射；平行的线栅产生极化；圆柱形金属屏也用来聚焦电磁波。这些实验结果表明电磁波的性质与光波的性质相同。就这样，赫兹用实验证明了麦克斯韦理论的正确性，电磁理论开始被很多科学家接受。到19年底，麦克斯韦的理论已经在电磁学领域占据主导地位。

赫兹在电磁波实验中也顺便发现了光电效应。在1887中，他发现当检测器振荡器的两极受到发送器振荡器的火花光照射时，检测器的火花会加强。进一步的研究表明，这是由于紫外线的照射，会把带负电的粒子从负极敲出。他将此事作为论文发表，但没有进一步研究。

1894年，赫兹死于牙病引起的毒血症，死时不到37岁。为了纪念赫兹，他的名字被用作频率单位的名称。

赫兹不仅是一位优秀的实验物理学家，而且具有良好的理论素养。1884年，他将矢势A引入电磁理论，1890年，他将麦克斯韦方程组由原来的形式(***8个方程，包括6个矢量方程)改写成简化的对称形式，只包括4个矢量方程，沿用至今。他的系统简洁而生动，这加速了麦克斯韦理论的传播。他还写了一本书《力学原理(用新形式表达)》，在他身后出版。这本书不仅重述了前人的成就，还包括了一些自己的新观点。

虽然赫兹年轻时学的是工科，做电磁波实验时是工科大学的教授，但他追求的是对自然基本规律的理解，并不关心电磁波的实际应用。发现电磁波后，他转而研究麦克斯韦理论和力学基本原理。再加上他英年早逝，所以赫兹本人并没有考虑到用电磁波传递信息的可能性。但是，差距已经拉开，条件已经成熟。赫兹为马可尼和波波夫搭建了舞台，无线电的发明是历史的必然。许多人致力于电磁波应用的研究，在赫兹去世后的一两年内取得了具体的成果，无线电电子学在整个20世纪迅速发展，创造了今天的信息时代。