赫茲如何發(fā)現電磁波的？

??無(wú)線(xiàn)電波是如何被發(fā)現的？這與麥克斯韋方程組有什么關(guān)系？?好吧，一切都始于一個(gè)悲觀(guān)的年輕科學(xué)家，海因里?！ず掌?，和一場(chǎng)他不敢嘗試的比賽，?最后它以一直以來(lái)一個(gè)最有影響力之一的實(shí)驗結束。?關(guān)于這個(gè)故事，讓我聽(tīng)聽(tīng) Kathy 老師娓娓道來(lái)。

??1879年，德國最著(zhù)名的科學(xué)家，Hermann Von Helmholtz 有一個(gè)關(guān)于在普魯士科學(xué)院建立年度柏林獎的好主意。?他建議他們提供獎金，獎勵給可以通過(guò)實(shí)驗證明空間電磁波存在，?或者證明由法拉第提出的電動(dòng)力學(xué)并由麥克斯韋先生使用數學(xué)理論進(jìn)行描述的人。

??亥姆霍茲有一個(gè) 22 歲的研究生，名叫海因里?！ず掌?，他覺(jué)得適合挑戰這個(gè)獎項。?但年輕的赫茲想了想覺(jué)得太難了，決定放棄。?但這個(gè)想法始終縈繞在赫茲的腦海里，他花費了很多年刻苦鉆研物理學(xué)中的電磁課程。?有的時(shí)候，他的日記中只有簡(jiǎn)單的一句話(huà)：一旦想到電磁射線(xiàn)，其他就什么也不想了，整天只是圍繞著(zhù)電磁波苦干，但還是毫無(wú)頭緒。?雖然感到無(wú)聊，但電磁波還是我的最?lèi)?ài)，我覺(jué)得自己和它有緣，但對它的所有認識都是大眾所知。?他在1885年年末時(shí)說(shuō)：很高興今年結束了，希望它不會(huì )被另一個(gè)類(lèi)似的東西所取代。?結果證明 1886 年無(wú)論是對個(gè)人還是對專(zhuān)業(yè)都是好事連連的一年。?1886年赫茲遇到了他的最?lèi)?ài)，名叫 Elizabeth Doll 的女孩，墜入了愛(ài)河。?也是在那一年的春天，他向自己未來(lái)的新娘展示自己研究的設備時(shí)， 碰巧看到了遠處萊頓瓶放電時(shí)所產(chǎn)生的的電火花。?赫茲于是對那個(gè)幾年前讓他覺(jué)得太難的實(shí)驗有了新的想法。?到了1887年，赫茲就找到了可以使用實(shí)驗來(lái)證明光是一種電磁波的方法。?他是如何做到的呢？

??赫茲使用震蕩的電子產(chǎn)生一種波，在屋子里傳播。?接著(zhù)又能夠證明這種波可以像光波遇到鏡子一樣被反射，?也能夠像光一樣通過(guò)棱鏡，甚至傳播的速度都和光一樣快。?天哪，這種新的不可見(jiàn)的光到底是什么呢？?甚至到了1920年，這種電磁波都被稱(chēng)為“赫茲波”。?順便說(shuō)一下，大多數人一想到無(wú)線(xiàn)電就想起音樂(lè )，覺(jué)得無(wú)線(xiàn)電是聲波。?當然這是不對的，無(wú)線(xiàn)電波只是一種看不見(jiàn)的低頻電磁波。?為了更好的理解這一點(diǎn)，可以考慮一下唱片。唱片使用乙烯基黑膠壓制而成，上面有紋理和高低起伏。?當唱針碰到唱片軌道里面的高高低低起伏時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生震動(dòng)進(jìn)而發(fā)出音樂(lè )。?唱片不是用音樂(lè )制作的，是使用黑膠壓制的。?無(wú)線(xiàn)電也不是由音樂(lè )產(chǎn)生的，它是像光線(xiàn)一樣的電磁波。?就像唱片上的記錄聲音的高高低低的音紋， 無(wú)線(xiàn)電的的幅度也會(huì )有大大小小的變化進(jìn)而傳遞音樂(lè )。

??好了，我們再考察一下當時(shí)赫茲是如何產(chǎn)生電磁波的呢？?赫茲比較幸運，他有一種叫做間隙花火產(chǎn)生設備，可以將電池的直流電壓轉換成高頻交流脈沖信號，并可以產(chǎn)生很大的電弧。?關(guān)于間隙火花的工作原理以及如何產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電將會(huì )另外進(jìn)行說(shuō)明。?赫茲所做的就是通過(guò)給火花儀器增加天線(xiàn)來(lái)產(chǎn)生這種不可見(jiàn)的電磁波。?通過(guò)兩個(gè)金屬導線(xiàn)將電火花的信號引到兩端的金屬球上。?他有了產(chǎn)生電磁波的方法，同樣他還需要找到如何檢測電磁波的手段。?為此，他制作了一個(gè)小的圓環(huán)，上面帶有兩個(gè)距離很近的小球，之間有個(gè)很小的縫隙。?他希望這種檢測器可以接收到電磁波并能夠在小球縫隙間產(chǎn)生可見(jiàn)的電火花。?通過(guò)改變間隙的大小也能夠評估接收到電磁波的強弱。?當然這不是一種很容易操作的設備，?電火花不僅微弱，而且只能持續一個(gè)微秒左右。能夠看到電火花實(shí)在是一種奇跡。?但在絕對黑暗的房間里，人的肉眼的確可以觀(guān)察到接收器上的電火花。做到這一點(diǎn)需要像走鋼絲那樣小心翼翼。

??到了1887年11月5日，他小心翼翼地向他的老板，亥姆霍茲遞交了他寫(xiě)的論文。?信中寫(xiě)道，寫(xiě)這封信打擾您我倍感不安，但它事關(guān)幾年前你要求我解決的一個(gè)難題。?亥姆霍茲立馬回了一個(gè)明信片，上面短短幾個(gè)字：太帥了！論文周四就交付發(fā)表。?突然之間，赫茲的人生就像開(kāi)了掛一樣。?此時(shí)已經(jīng)成為他老婆的伊麗莎白給他老丈人寫(xiě)信說(shuō)道，實(shí)驗做得太順了?，F在就像從自己的袖筒里輕而易舉的拿出了漂亮的實(shí)驗結果。當然他為此非常開(kāi)心，我也一樣。每次他給我談起實(shí)驗滿(mǎn)臉都放光，看起來(lái)就像一個(gè)二傻子一樣。

??那時(shí)赫茲已經(jīng)注意到紫外線(xiàn)會(huì )影響實(shí)驗結果，這也使他成為了解光電效應的第一人。? 接著(zhù)，讓赫茲倍感驚訝的是，這種新的波居然也可以被鏡子反射，就和可見(jiàn)光線(xiàn)效果一樣。?因此，赫茲架起了一個(gè)與放電花火平行的鏡子，電磁波在鏡子反射回來(lái)，形成了駐波。?駐波可以由振動(dòng)劇烈的波腹和相互抵消的波節構成。赫茲在電線(xiàn)與鏡子之間移動(dòng)接收器，可以看到在波腹的地方火花變大，在波節地方消失了。?利用這種方式赫茲測量了電磁波的長(cháng)度。?通過(guò)理論分析，赫茲知道電磁波的頻率大約為70MHz。嘿嘿，也就是每秒七千萬(wàn)個(gè)他自己的名字。?于是他使用簡(jiǎn)單的乘法便計算出波的速度，等于波長(cháng)乘以波動(dòng)頻率。?就是利用這簡(jiǎn)單的方法，他便計算出電磁波的速度，大約是每秒三十二萬(wàn)公里。這與當時(shí)已知的光速很接近了，即每秒鐘三十萬(wàn)公里。?當然他并沒(méi)有打破光速，只是測量誤差使得他測量電磁波速度比光速快。

??赫茲驗證了光是一種電磁波，無(wú)影無(wú)蹤分布在世界的各個(gè)角落。 ?赫茲的論文已經(jīng)發(fā)表，就立即建立起國際上的聲望。?威廉·湯普森，也被稱(chēng)為卡爾文勛爵，也對法拉第和麥克斯韋本人和他們的理論都有過(guò)重要的影響，談起赫茲，他說(shuō)：赫茲的電磁波論文是法拉第思想燦爛成就的一座豐碑。

??赫茲獲得邦德大學(xué)的全職教職。?他購買(mǎi)了一座漂亮的大 HOUSE，還有一個(gè)之前用于醫學(xué)實(shí)驗的小房間，可能已被化學(xué)****劑污染。?也許是這個(gè)原因，或者其他不可琢磨的命運，從1982年七月開(kāi)始赫茲開(kāi)始感到偏頭痛，后來(lái)被診斷為血液紊亂。在1894年新年的第一天，他36歲便英年早逝，留下了痛不欲生的妻子和兩個(gè)年幼的女兒，一個(gè)6歲，一個(gè)2歲。

??我們可以設想，如果赫茲不是那么早的離開(kāi)這個(gè)世界，也許他可以發(fā)明無(wú)線(xiàn)電報，或者無(wú)線(xiàn)電通訊技術(shù)。?然而在他生前并沒(méi)有看到他的發(fā)明被實(shí)際應用。關(guān)于實(shí)驗他曾說(shuō)過(guò)，這些結果并沒(méi)有什么用處，只是一個(gè)來(lái)證明麥克斯韋理論是否正確的實(shí)驗結果。?我們可以獲得這種神秘的電磁波，但無(wú)法肉眼看到它們。但它們就在那里。?在赫茲去世的幾個(gè)月后，一個(gè)20歲的愛(ài)爾蘭后裔意大利的小伙子，名叫馬可尼，看到了海因里奇·赫茲的訃告，從而癡迷于創(chuàng )建長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)電報的想法。?也許僅僅使用間隙火花放電的方式并無(wú)法走得更遠，更別說(shuō)跨大西洋發(fā)送信息。?幸運的是，五年之后另外一個(gè)電磁學(xué)領(lǐng)域的大神，尼古拉·特斯拉參加了法國巴黎世界博覽會(huì )。了解了赫茲實(shí)驗的神奇。?特斯拉便開(kāi)始自己制作間隙火花發(fā)生器，最終發(fā)明了特斯拉線(xiàn)圈。一種可以創(chuàng )建巨大電弧的裝置。

??本文給出了 Kathy 所講述的赫茲發(fā)現電磁波的經(jīng)歷，讓我們對人類(lèi)電磁學(xué)發(fā)展的這一段歷史有了更加清晰的認識。