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    无线电波的发现者――赫兹_无线电波以

    时间:2019-07-21 09:06:29来源:佩佩美文网 本文已影响 佩佩美文网手机站
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      19世纪下半叶的德国已成为世界科学中心,在物理学界可谓人才济济、群星灿烂。海因里希・鲁道夫・赫兹(HeinrichRudolfHertz)正是这个科学家群体中一颗光彩照人的巨星。他既有渊博的知识,又具有融实验家和理论家为一体的非凡天才,在其所涉猎的诸多领域中,都做出了杰出而伟大的贡献。  19世纪还是牛顿力学如日中天的时代,电学还属于旁门左道的研究领域,当时活跃的电学家大多数都是发明家,比如发明电报的莫尔斯,原来是画家;发明电灯的爱迪生,只在正规学校读了几年书就辍学了;还有发现电磁感应定律的法拉第,原来是报童和装订工人……这些今天听来如雷贯耳的名字,当时都是凭借个人兴趣在进行电学方面的探索和研究,而主流的物理学家们,对电学仍然不屑一顾。  直到1873年,麦克斯韦的经典著作《电磁学通论》问世,电磁学才有了系统理论,但由于采用力学类比的方法,数学工具又极其艰深难懂,再加上当时大多数理学家接受诺伊曼和韦伯的超距作用理论,以至麦克斯韦晚年在剑桥大学教授电磁理论时,竟然只有两个学生在听课!这一方面说明电磁学在当时的地位,连对新事物特别敏感的学生也不感兴趣;另一方面,麦克斯韦的理论的关键点,即关于存在电磁波的预言,尚未得到实验证实。  那么,麦克斯韦的电磁理论,会不会像他关于土星的研究成果一样,要过一百多年才被证实呢?今天我们知道,没有经过那么漫长的岁月,否则,我们今天还进入不了信息时代。让电磁学荣登物理学圣殿的关键人物,是德国物理学家海因里希・鲁道夫・赫兹,将其推向实用的功臣,则是意大利科学家马可尼和俄国科学家波波夫。而当年麦克斯韦的两个学生之一弗莱明,则在后来发明了电子管,这一成果称霸电子工业50多年,至今仍在某些场合使用。  1857年2月22日,赫兹诞生于德国汉堡的一个富裕家庭,他的父亲是一位律师和市议员,母亲是一位医生的女儿。赫兹有个幸福的童年,从父亲身上继承了对人文科学的热爱,喜欢学习阿拉伯语和梵文。后来一位叔公送给他一些仪器,他在家里装备起一个小型实验室,学着摆弄物理和化学实验,逐渐萌发了对自然科学的热爱,兴趣慢慢从人文转到理工。他在绘画、雕刻、木工、金工和设计上都显示出精湛的手工技巧,这使他在一生的科学实验中受益匪浅。  中学毕业后,赫兹曾在一家公司实习土木工程,并曾在德累斯顿、慕尼黑等地学习科学和工程学。20 岁时他来到柏林,成为人生的重大转折点,他从一个实验者转变成为一位学者。1878 年他进入柏林大学,并在亥姆霍兹和基尔霍夫指导下学习。亥姆霍兹是19 世纪最伟大的科学家之一,在生理学、光学、数学和气象学等领域有诸多建树,最著名的是发现了能量守恒定律,更重要的是,亥姆霍兹是赏识麦克斯韦工作的为数不多的物理学家之一,这对赫兹的研究方向起了重要作用。  在柏林大学,赫兹独立进行的第一项物理学研究就获了奖,这是亥姆霍兹提出的一个有奖问题,研究在一个容器中的运动电荷是否具有惯性质量。1879 年,亥姆霍兹又提出一个有奖问题,鼓励“建立磁力和绝缘体的介质极化之间的某些联系”,赫兹曾打算以此作为博士论文课题,但由于没有找到入门的途径,他选择了另一个在带电旋转球体中感应效果的问题研究,并在第二年以 “优异学业成绩”获得了博士学位。同年,他被任命为物理学演示教师,担任亥姆霍兹在物理研究所的助手达三年之久。在此期间,他在众多学科领域发表了13篇科学论文,展示了卓越的科研才华。  1883 年,赫兹离开恩师亥姆霍兹,到德国北方海港城市基尔,任基尔大学理论物理编外讲师。两年后,他来到卡尔斯鲁厄工学院,担任实验物理学教授。应该说,当时赫兹的才华已经得到公认,选择卡尔斯鲁厄工学院,主要是为了继续进行他攻读博士学位时未能进行的电磁学研究。卡尔斯鲁厄工学院是德国第一座工科大学,环境幽雅,不受干扰,而且有相当数量的实验设备,德国汽车大王本茨就毕业于这里;其次是因为卡尔斯鲁位于德国西南部的莱茵河畔,有绵延200公里的森林和大片的丘陵,空气清新,对他的身体健康应该会有好处。在这里,他完成了著名的电磁波实验,还收获了爱情,与一位讲师的女儿结婚。  尽管赫兹的博士论文没有选择研究寻找电磁力和绝缘体的介质极化之间联系,但他对导师提出的这个问题总是时刻萦怀在心。经过几年酝酿,赫兹于1884 年写出一篇重要论文,他用一种新的方法推导出麦克斯韦方程组,既不用力学类比,也避开了位移电流概念,得出我们目前使用的不含标势和矢势的对称的麦克斯韦方程组。正是这种简单明了、优雅对称的表达式,征服了物理学家,后来爱因斯坦一生都在坚持找到简单、优雅的数学表达。  赫兹坚信麦克斯韦理论是正确的,它在数学上简直完美得像一个奇迹!仿佛是上帝之手写下的一首诗歌。这样的理论,很难想象它是错误的。然而,不管理论怎样无懈可击,它毕竟还是要通过实验来验证。于是他设计了一套装置,来验证电磁波的存在。赫兹的装置在今天看来很简单:它的主要部分是一个电火花发生器,有两个相隔很近的小铜球作为电容。当合上了电路开关,电流穿过装置里的感应线圈,开始对铜球电容进行充电。随着电压的上升,很快两个小球之间的空气就会被击穿,然后整个系统就会形成一个高频的振荡回路(LC回路),如果麦克斯韦是对的话,那么在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场,同时引发一个向外传播的电磁波。在实验室的另一边,放着一个开口的铜环,在开口处也各镶了一个小铜球,那是电磁波的接收器。如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话,那么它就会穿越这个房间到达另外一端,在接收器那里感生一个振荡的电动势,从而在接收器的开口处也激发出电火花来。  1988 年,即赫兹的实验100周年纪念之际,美国电气与电子工程师协会(IEEE)在纽约举行了一个庆祝赫兹成就的专题讨论会。在这个会上,展出了一套擦得锃亮的由伦敦自然科学博物馆提供的赫兹原先使用过的仪器的复制品。可以想象当年,赫兹站在那里,仿佛他的眼睛已经看见无形的电磁波在空间穿越。当铜环接受器突然显得有点异样,赫兹忍不住要大叫一声,他凑到铜环的前面,明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里闪烁。他跑到窗口,把所有的窗帘都拉上,现在看得更清楚了:淡蓝色的电花在铜环的缺口不断地绽开,而整个铜环却是一个隔离的系统,既没有连接电池也没有任何的能量来源。赫兹注视着,在他眼里,那些蓝色的火花显得如此美丽。终于他揉了揉眼睛,直起腰来:现在不用再怀疑了,电磁波真真实实地存在于空间之中,正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了,成功地解决了这个8年前自己的恩师提出悬赏的问题;同时,麦克斯韦的理论也胜利了,物理学的一个新高峰――电磁理论终于被建立起来。勤奋的法拉第为它打下了地基,天才的麦克斯韦建造了它的主体,而今天,伟大的赫兹为这座大厦封了顶。  赫兹进一步研究了电磁波的各种性质,确认了电磁波具有与光类似的特性,如反射、折射、衍射等,并求出电磁波的传播速度,正如麦克斯韦预测的一样,等于光速,从而全面验证了麦克斯韦电磁理论的正确性。1888年1月,赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中公布,轰动了全世界的科学界。1888年,也因此成为近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义,之前迈克尔逊在1881年进行的实验和1887年的迈克尔逊-莫雷实验,推翻了光以太的存在,现代物理学已经露出了萌芽,这完全可以用我们熟知的互联网做一个类比。20世纪80年代末,没有几个人听说过互联网,但它却如星星之火,在二十多年后呈燎原之势,走进社会生活的方方面面;而19世纪80年代末的电磁波,在当时也只有少数科学家理解和信服,二十年后,无线电通信已势不可挡,对社会发生了重大影响。即使在封闭落后的中国,也对当时清政府的覆灭产生了重大影响。袁世凯1909年被罢黜返乡,就在家中秘密设立了无线电台,随时截获清廷的最新动向,暗中指挥北洋军,从而为在辛亥革命中复出,当上民国大总统做好了准备。  赫兹不仅用实验证实了麦克斯韦论,还在气象学、力学、材料等诸多方面有所建树。他发现了光电效应,与他对阴极射线的研究一起,成为现代物理学的开场锣,而光电效应正是爱因斯坦建立光量子理论的基础。  赫兹在1889年完成了这些工作,并在同年被任命为波恩大学的物理学教授。不管从一个物理学家的角度,还是从一个普通人的角度来看,赫兹的德国同事们都深深地尊敬他,并期待着他接替亥姆霍兹的“德国物理学的帝国大臣”的位置, 然而,就在他37岁生日前2个月,他却因慢性血液中毒去世,比恩师亥姆霍兹去世还早8个月。为了纪念他的功绩,人们用他的名字作为电磁波和其他波动频率的单位,简称“赫”。

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