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电磁波的发现者——赫兹

        发布时间:2017-11-06        

无线电、X射线、微波……毫不夸张地说,我们的生活空间被形形色色的电磁波包围着,这种看不见的物质影响着我们的通信、出行等生活的方方面面。而早前人们对电磁波知之甚少,直到一位叫做海因里希·鲁道夫·赫兹的科学家揭示了它的存在。 

此外,赫兹还发现电磁波与光同速,为争论已久的光本性问题下了一个定论,在赫兹看来,满天的星光是不同的光体,是不同频率的电磁波来到地面上。


海因里希·鲁道夫·赫兹

验证电磁波的存在

1857年2月22日,海因里希·鲁道夫·赫兹(以下简称“赫兹”)出生在德国汉堡一个犹太家庭。年轻时,赫兹表现出了对严肃科学的爱好。高中毕业后,赫兹先是进入了工程学院学习机械工程,但他发现自己对理论研究的欲望更加强烈,于是进入柏林大学就读物理学,成为了著名物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹的学生。

1844年,电报机被发明出来,实现了相互通信,但必须依赖导线,传输距离受限。1888年的一个夜晚,年仅31岁的青年科学家赫兹在他的实验室里证实了电磁波的存在,让无线电通信成为可能。

这一天,在德国卡尔斯鲁厄大学的实验室里,赫兹思考着这样一个问题:麦克斯韦曾预言电磁波的存在,却没有能用实验来验证,有什么办法能验证它吗?

赫兹制做了一个简单的电火花发生器——一个感应线圈、两个相隔很近的小铜球。当他将电路开关闭合时,电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来:无形的电流穿过装置里的感应线圈,并开始对铜球进行充电。过了一会儿,随着细微的“啪”的一声,一束美丽的蓝色电花在两个铜球之间爆开,细小的电流束在空气中不停地扭动,绽放出幽幽的荧光——铜球之间的空气被击穿了,本来缺个小口的系统形成了一个完整的回路。

然而,产生火花短路并不是这个实验的目的。赫兹站在房间的另一角,心里琢磨着:如果电磁波确实存在的话,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。赫兹转过头去,在身旁放置了一个开口的铜环,在开口处也各镶了一个小铜球。如果麦克斯韦的电磁波真的存在,那么它就会穿越这个房间到达这里,在铜环处感生一个振荡的电动势,开口处的铜球间也会发出电火花来。

关闭房间的窗帘,赫兹一动不动地等待着。忽然,铜环处出现异样,两个铜球之间的空气中飘浮出微弱的火花,淡蓝色的电花在铜环的缺口处不断地绽开,整个铜环既没有连接电池也没有任何的能量来源。电火花的出现无疑证明了电磁波真实地存在,正是电磁波激发了接收器上的电火花。

赫兹胜利了。随后,他又通过实验证明了电信号可以穿越空气,并发展出电磁波发射、接收的方法,这一理论成为无线电的基础,开创了无线电电子技术的新纪元。为了纪念赫兹对电磁学的巨大贡献,频率的国际单位制单位命名为赫兹(Hz)。

这位纯粹的科学家并没有想到他的发现蕴藏着巨大商机,反而是特斯拉和马可尼利用电磁波实现了无线电通信。但毫无疑问,电磁波的发现,为19世纪无线电的推广和应用提供了理论基础,广播、雷达通信、卫星电话、卫星导航、微波加热等应用使得人们的生活起了翻天覆地的变化。

揭示光的本质是电磁波

赫兹还发现,在光的照射下物体会释放出电子。

偶然间,赫兹发现了一个有趣的现象:当有光照射在那个作为电火花接收器的铜环上时,似乎火花出现得更容易些。也就是说,当光照射在金属上的时候,会从它的表面打出电子来。当暴露在一定光线下的时候,金属表面被束缚的原子里的电子便纷纷往外“逃窜”。

赫兹的这个实验发现了光与电之间的联系。可惜的是,他并没有深究其中的原因。后来,被爱因斯坦成功解释这个理论(光电效应),并获得了1921年诺贝尔物理学奖。

此外,发现电磁波与光同速,是赫兹对光学与电磁学的一项重大贡献。赫兹根据实验数据,得出了电磁波的波长,把它乘以电路的振荡频率,计算出了电磁波的前进速度。他惊奇地发现这个数值精确地等于30万公里/秒,也就是光的速度。也就是说,人们平时见到的光就是电磁波的一种,电磁波的存在得到了进一步验证。

这是一个了不起的发现,古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面,而“光是电磁波的一种”的论断,也终于为争论已久的光本性的问题下了一个定论。此后,赫兹又进行了电磁波的反射、衍射实验,这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性。

1894年,就在人们期待这位青年科学家有更多成就时,赫兹因病逝世,年仅36岁。

来源:《亮报》2013年3月6日专题版

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