照耀时代的“火花”——海因里希·赫兹

蒋 敏 张小华

（西南大学附属中学校，重庆 400700）

1896 年3 月24 日，这 是 平 凡 而 又 伟 大 的 一天.这一天，无线电通信的奠基人俄国科学家波波夫和助手雷布金将发射机安装在森林学院的化学馆里，接收机位于250 m 外的物理学会会议大厅里.雷布金拍发信号，波波夫接收信号，物理学会分会会长佩特罗赫夫斯基将接收到的电报字母一一写在黑板上，最后得到的报文是“海因里希·赫兹”.［1］这是世界上第一份有明确内容的无线电报，它无声地诉说着波波夫对海因里希·赫兹这位电磁波的发现者的崇高敬意.

1 生平简介

海因里希·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）是德国著名的物理学家（图1）.他1857年2月22 日生于德国汉堡，其父是律师.在一位爱好研究自然科学的叔祖的帮助下，小赫兹在家里装备了一个实验室，在自己的实验室里，做了很多简单的化学和物理实验.［2］少年时代的赫兹兴趣十分广泛，他会做木匠活，也能熟练地操作车床，在绘画、雕刻上也表现出一定的天赋.底蕴深厚，动手能力强，兴趣广泛，多才多艺.这些都为他今后的科研奠定了坚实的基础.

图1 海因里希·赫兹

中学毕业的赫兹对工程有浓厚的兴趣，1876年，赫兹离开家乡进入德累斯顿工学院学习.不久后，他服了1年兵役.之后，转入慕尼黑工学院，又转入慕尼黑大学.在这期间，赫兹的兴趣由工程转向物理.1878年他进入柏林大学，得遇名师亥姆霍兹（H.von Helmholtz）和基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）.亥姆霍兹创立了能量守恒定律，在热力学、电动力学、光学、数学等领域中均有重大贡献.基尔霍夫擅长电路设计、热力学、化学等领域，21岁提出的基尔霍夫定律直到现在仍然是解决复杂电路问题的重要工具.名师指导再加上自己的刻苦努力，在校期间，赫兹完成了证明韦伯的电惯性的课题，获得学会的奖励，开始崭露头角.［3］

1880年，获得博士学位的赫兹毕业后留校，在导师亥姆霍兹的研究所里当助手.1883年，到基尔大学担任物理学讲师.1885年复活节，赫兹受聘为卡尔斯鲁厄大学的物理学教授.在这里，赫兹完成了使他闻名于世的关于电磁波的实验工作.1889年，赫兹被任命为波恩大学的物理学教授，并接替克劳修斯担任物理研究所所长.此时，他刚过而立之年.可惜天妒英才，谁能想到，1894年1月1日，年仅36岁的赫兹因为牙疾引起血液中毒而不幸逝世.悲夫，科学界痛失一位天才.

生命的最后几年，也是赫兹科学生涯最辉煌的几年.各种荣誉接踵而至.1888年，他获得意大利科学学会的Matteucci奖章；1889年，他获得巴黎科学院的La Caze奖金和维也纳帝国科学院的Baumgartner奖金；1890 年获得英国皇家科学院的Rumford奖章；1891年获得都灵皇家科学院的Bressa奖金.他相继被选为柏林科学院、慕尼黑科学院、维也纳科学院、罗马科学院、都灵科学院和巴洛格那科学院的通信院士以及很多学会的会员.［4］这些荣誉，赫兹实至名归，当之无愧.

2 主要科学成就

2.1 对电磁波的研究

光是一种电磁波的观点并非赫兹提出的.当时，理论物理学家麦克斯韦已经从理论上预言了该观点，但苦于没有实验验证，大多数物理学家深表怀疑：电磁波真的存在吗？光竟然也是一种电磁波？要使麦克斯韦的理论被物理学家们接受，还需要实验证明.赫兹之前，E·汤姆逊（E.Thomson）、爱迪生（T.A.Edison）、多尔贝尔（A.E.Dolbear）和休斯（D.E.Hughes）其实都对电磁波进行过观察与实验，但他们都是从技术角度去考虑，所以根本没有意识到他们观察到的现象就是电磁波现象，可谓“不识庐山真面目”.可见，实验没有与理论相结合，往往让人与伟大发现失之交臂.

1879年夏天，柏林科学院公布了一个悬赏课题——用实验确立电磁力和绝缘体中的电介质极化之间的关系.可惜一直没有人做成.1886年春，在一次演示实验中，赫兹发现电容器的放电导致旁边的一个线圈飞出了电火花.这一小簇火花转瞬即逝，很容易被人忽视，可细心的赫兹却没放过这个微小的实验现象，而是开始深入研究.［5］

赫兹专门设计了实验装置，如图2 所示，两铜板A、A′分别焊接铜棒，铜棒前端有小铜球，将铜棒接到感应线圈两端，构成电磁波发射器.接收器B 由一个圆形导线构成，导线的两端接两个铜纽，铜纽之间的距离非常小.赫兹小心翼翼地将金属板C 挪近发射器，精细地调整接收器到合适的位置，终于，功夫不负有心人，赫兹惊喜地发现，当发射器铜球间有火花闪耀时，接受器间歇地也有微弱的火花闪耀.这两簇微弱的跳动的火花，印证了电磁波在空间的传播.［6］不要小看这两簇微弱的火花，它们微弱的光芒，却一扫之前关于电磁波是否存在的疑虑，照亮了科学星空中的一片新天地，具有划时代的意义.

图2 赫兹实验装置示意图

关于电磁波的新世界的大门已经打开，赫兹的研究一发不可收.后来的实验，不仅捕捉到电磁波的存在，而且测出电磁波的波长，计算出电磁波的速度.再后来，赫兹又做了关于电磁波与光波同一性的系列实验，观测到了电磁波的折射、偏振、衍射、干涉等.这些实验以无可争议的事实证实了电磁波和光波的同一性.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.

2.2 发现光电效应

有人一旦有了伟大研究成果，或骄傲自满，或滋生惰性，坐享其成，不思进取.但伟大的科学研究者绝不是这样的.1887年，赫兹在做电磁波实验时，为了便于观察，有时用暗箱罩着接受回路.他注意到，接受电极间的火花变短了.［7］敏锐的赫兹再一次抓住这个机遇深入研究，经过几个月的工作，赫兹发现这个现象产生的原因不是电磁的屏蔽效果，也与可见光无关，而与紫外线有关.紫外线的照射让电极间的放电变得更容易.赫兹将自己对光电效应的研究成果写成论文《紫外线对放电的影响》发表在《物理学年鉴》上.1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（W.Hallwachs）用另外的实验验证了赫兹的结论，推广了赫兹在光电效应方面的研究成果.［8］

2.3 其他成就

赫兹不仅是位卓越的实验物理学家，同时也是非常杰出的理论物理学家.经过对麦克斯韦理论的深入研究，赫兹于1884 年写出一篇重要论文，用一种新的方法从第一原理出发推导出麦克斯韦方程组.文章中，赫兹得出了不含标势和矢势的对称的麦克斯韦方程组.正是这种清晰、明了、对称、优雅的表达式，使物理学家们逐渐接受了麦克斯韦理论.［9］1890年，赫兹写了两篇论述电磁场理论的文章，澄清了德国物理学家对麦克斯韦电磁场理论的模糊认识.正如物理学家索末菲（Arnold Sommerfeld）所说，在阅读赫兹的文章后“笼罩的阴影被驱散了”，使他第一次真正懂得了电磁场理论.［10］

赫兹著有《电波》《综合论文集》和《力学原理》3本著作，其中《力学原理》展现了他在力学研究领域的非凡才能.在《力学原理》中，赫兹主张“追寻自然现象的根源于力学原理，”试图从一个最基本的定律出发推演其他所有力学规律.亥姆霍兹为赫兹的《力学原理》所写的序言中这样评价：“……无论从哪一方面讲，他所著的《力学原理》是一本最具有创造性并以最完美的数学形式表达的合乎逻辑的力学系统的介绍，对每一个能鉴赏这本书的读者具有极大的价值.将来会证明这本书具有很大的启发价值.它将是发现各种自然力的新的和普遍的各种特性的指南.”［2］

赫兹的研究领域非常广泛，他研究过电设备的高频辐射屏蔽；研究过弹性体碰撞理论；讨论过阴极射线.他在1891 年的论文《论阴极射线穿过薄金属层》中提出：阴极射线能够透入金属中，从而为阴极射线和物质结构的研究奠定的物质基础.［11］取得其中任何一项成就都足以令人骄傲，而赫兹却集众多成就于一身.

3 对科学发展的影响

3.1 电磁学理论的建立

任何一个理论的建立都不是一蹴而就的.回顾历史，1820年奥斯特发现了电流的磁效应，人们开始意识到电与磁有本质的联系.1820—1827 年安培对电磁的作用进行了系列研究，1831年法拉第发现了电磁感应现象，研究进入一个新的境地.当时人们试图用牛顿力学的观点来解释电磁现象，遇到了诸多困难.麦克斯韦提出了位移电流的概念，预言了电磁波的存在.但麦克斯韦的电磁理论在相当长的时间里没有得到普遍的承认.亥姆赫兹把当时电磁学领域的困境称为“无路的荒原”.［12］直到赫兹用实验方法产生并接收到电磁波，证明了位移电流的存在，并证实了电磁波与光波在性质上相同，人们才彻底相信麦克斯韦的理论.麦克斯韦电磁学理论成为牛顿的力学原理后的又一重要的物理学原理，赫兹居功甚伟.

另外，赫兹对电磁波的系列研究否定了电磁现象的超距作用的理论，而超距作用的观点又来源于万有引力超距作用的思想.正如劳厄（Max von Laue）指出的那样：“爱因斯坦最大的贡献之一就是建立了引力是以光速传播的理论，而这一理论得以建立的思想根源可以追溯到赫兹那里.”［13］

3.2 光电效应研究的重大意义

赫兹发现光电效应现象引发了新一轮的研究热潮，大量的科学家投身该领域，并且成果频出.人们发现光电效应的发生有极限频率，有瞬时性.赫兹的助手勒纳德（P.Lenard）发现溢出电子的最大初速度与光强没有任何关系.这些现象都无法用经典物理学进行解释.直到1905 年，爱因斯坦才用光量子理论，成功解释了这些光电效应的规律.光电效应是光具有粒子性的重要证据，使人们对光本质的认识更加深入.1921年，爱因斯坦“由于理论物理方面的贡献和关于光电效应的研究工作”获得诺贝尔物理学奖.可以说，没有赫兹发现的光电效应现象，这些成果也无从取得.

利用光电效应原理制成的光电元件被广泛应用到生产生活、科学研究的许多方面.比如数码照相机、巡航导弹目标定位用到的光电探测器，钢铁冶金、能源电力、食品卫生用到的光电流光谱技术，农业虫害的防治用到的光电诱导杀虫灯……这些应用，今天乃至今后，都和我们的密切相关.

3.3 无线电波的研究与通讯

赫兹的实验对后来无线电波的研究与无线电通信的应用也有重大作用.赫兹去世的那年，刚满20 岁的意大利物理学家马可尼（Guglielmo Marconi）在电气杂志上了解到赫兹的实验，这些实验证明了电磁波的存在，而且说明电磁波是可以发射与接收的.从小就喜欢新事物的马可尼，开始深入研究电磁波的通信.1895年，马可尼成功进行了2.5 km 无线电波的传送实验，1899年他建立起了跨越英吉利海峡的法国和英国之间的无线电通信，无线电波的应用逐渐登上历史舞台.无线电波的应用深刻地影响人类的生产生活，从早期的电报、无线广播等到今天的卫星电视、雷达、手机……其应用无处不在.19世纪末发明的无线电波通信技术，是通信技术上的一次飞跃，是人类科技史上的一个重大进步.可以说，没有赫兹，就没有今天这样通信便捷的地球村.

4 结束语

两簇火花引发了赫兹在电磁学方面的研究，而其研究结果也如星星之火般逐渐形成燎原之势，最终照耀时代，泽被后世.1931年普朗克高度赞美了赫兹的贡献，他说：“（使）麦克斯韦的推测成为事实，开始了一个实验物理学和理论物理学的新世纪.”爱因斯坦也毫不吝啬地赞赏赫兹：“伟大的革命永远与法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字相联系.”这绝非溢美之词.

为纪念赫兹对科学进步作出的伟大贡献，用“赫兹”作为频率的单位.这一单位蕴含了人们深深的敬仰之情.

“高山仰止，景行行止.虽不能至，心向往焉.”谨以此文纪念赫兹.