洛奇的電磁波實驗——電磁波的發(fā)現(xiàn)

麥克斯韋電磁理論支配著包括靜電、穩(wěn)恒磁場、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等一切宏觀電磁現(xiàn)象，而且將光學(xué)統(tǒng)一在這個理論框架之內(nèi)，這是繼牛頓力學(xué)體系建立之后，愛因斯坦與量子力學(xué)出現(xiàn)之前，物理學(xué)所取得的最大成就。

但是這個理論，即便是在麥克斯韋去世后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，依然得不到實驗上的證明，也無法得到廣泛的承認(rèn)。在當(dāng)時，最具影響力的是韋伯、諾伊曼的電磁學(xué)理論。因為這兩個人都地處歐洲大陸，這套理論也被稱為大陸派電動力學(xué)，當(dāng)然他們兩個的理論也沒有得到實驗證明。

麥克斯韋的理論以法拉第場為基礎(chǔ)，與其他所有學(xué)派對電與磁現(xiàn)象的解釋截然不同。麥克斯韋關(guān)于電磁場的描述過于復(fù)雜，在最初的表現(xiàn)形式也過于復(fù)雜。即便在英國，麥克斯韋的理論也沒有受到過多的關(guān)注，絕大多數(shù)物理學(xué)家對這個理論表示困惑。

也有少部分人愿意相信麥克斯韋的一切。在其中，除了簡化麥克斯韋方程組的英國人亥維賽之外，還有愛爾蘭的喬治·菲茲杰拉德（George FitzGerald）和英國的奧利弗·洛奇（Oliver Lodge）。這三個人和麥克斯韋之間有一個共同特點，那就是均來自英倫三島。

自從1873年麥克斯韋出版《電磁學(xué)通論》之后，菲茲杰拉德和洛奇便成為這一理論的忠實擁護者。1878年，兩人在都柏林會面后決定合作，分別從理論與實驗兩個方面驗證麥克斯韋的電磁學(xué)理論［40］。他們通過書信頻繁交互對方的發(fā)現(xiàn)，并與亥維賽建立了聯(lián)系。

菲茲杰拉德認(rèn)為，在一個閉合的電路中對電容器進行放電，將引發(fā)快速的電流震蕩，從而可以產(chǎn)生具有厘米級或者米級波長的電磁波。他甚至精確計算出采用這種方法所能產(chǎn)生的波長。菲茲杰拉德進行了多次實驗，也許他所進行的實驗確實產(chǎn)生了電磁波，卻沒有找到合適的電磁波檢測方法。

動手能力更強的洛奇幾乎成為發(fā)現(xiàn)電磁波的第一人。1987年，洛奇受邀進行避雷針優(yōu)化的工作。在當(dāng)時避雷針采用電阻極低的銅棒直接接地。但是非常多的事實發(fā)現(xiàn)，采用這種方法在很多情況下，并沒有取得良好的避雷效果。在很多情況下，閃電沒有通過銅棒這個指定路徑，而是其他電阻更高的線路。

洛奇假設(shè)閃電不是由連續(xù)的直流組成，而是變換的電流組成。他使用萊頓瓶模擬閃電進行了大量的實驗后，認(rèn)為電阻很低的銅棒在周期變換的電流作用下具有較大的感抗，從而整體阻抗不是最低。這個發(fā)現(xiàn)極大優(yōu)化了避雷針的設(shè)計。

在今天，避雷針大體由兩部分組成，一個是外殼，另一個中心接地桿。其中外殼與中心接地桿之間具有幾毫米的間距，形成一個耦合電容。當(dāng)閃電擊中避雷針后，直流部分通過外殼接地放電，交流部分通過耦合電容后接地放電，頃刻間將雷電流泄放入地。

1888年，洛奇進行了一系列實驗，其中的一個實驗幾乎改寫了電磁學(xué)史冊。洛奇在進行避雷針優(yōu)化的實驗時，使用兩個萊頓瓶，并在上方放置了一對火花間隙。當(dāng)萊頓瓶放電時，火花間隙將出現(xiàn)光弧，洛奇使用這種方式模擬閃電。在一次實驗中，洛奇使用兩根29米長的電線與萊頓瓶相連，并在兩根電線之間，放置了幾個火花間隙B1、B2與B3，如圖1?20所示。

圖1?21 洛奇的電磁波實驗

當(dāng)萊頓瓶放電時，火花間隙A將出現(xiàn)光弧，隨后洛奇驚奇的發(fā)現(xiàn)，B1、B2與B3也相應(yīng)出現(xiàn)了光弧，而且在最末端的B3出現(xiàn)的光弧最長。洛奇明白這是因為在間隙A處震蕩所產(chǎn)生的震蕩，沿著導(dǎo)線傳播在末端B3反射的結(jié)果，在此處入射波與反射波是同相的，而且是產(chǎn)生的電壓是A點的一倍。

此外，洛奇還證明了電線沿線存在駐波。在一間昏暗的房間里，他觀察到電線上有一道可見的輝光。1888年的夏季，他還進行了一系列實驗，直到他認(rèn)為他發(fā)射并接收到了麥克斯韋在24年之前預(yù)言的電磁波。

隨后洛奇去阿爾卑斯山度假，他準(zhǔn)備歸來時報告這個驚人的結(jié)果。但他在乘坐火車時，無意中發(fā)現(xiàn)在1888年7月的《物理年鑒》中，有一篇名為《空氣中的電動波及其反射》的文章，署名是在當(dāng)時并不有名的一位德國研究員，海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）。

赫茲有一個非常出名的老師赫爾曼·范·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）。亥姆霍茲是能量守恒定律的創(chuàng)立者之一，也是在當(dāng)時能夠看懂麥克斯韋電磁學(xué)理論的人。在當(dāng)時，以韋伯和諾伊曼為代表的大陸派電動力學(xué)更為主流。

但是亥姆霍茲發(fā)現(xiàn)大陸派電動力學(xué)的一個核心理念“韋伯力”，并不遵守他所創(chuàng)建的能量守恒定律；隨后出現(xiàn)的一些實驗證明諾伊曼的勢理論也存在不小的問題。此時他沒有更好的選擇，擺在他面前的只剩下并不被看好的麥克斯韋。

亥姆霍茲以自己的方式，重新描述并通俗化了麥克斯韋的理論，還留下了關(guān)鍵的一步，使用實驗進行驗證。1879年冬，德國柏林科學(xué)院根據(jù)亥姆霍茲的倡議，頒布了一項科學(xué)競賽獎項，征求麥克斯韋電磁場理論的實驗證明。

亥姆霍茲鼓勵他的學(xué)生赫茲從事這方面的實驗。在1886年至1888年間，赫茲通過一系列實驗驗證了麥克斯韋爾的理論。這個實驗就是著名的赫茲實驗。在赫茲實驗中使用的電磁波發(fā)射與接收裝置如圖1?22所示。

圖1?22赫茲實驗使用的電磁波發(fā)射與接收裝置

在進行這個實驗之前，赫茲首先從觀察電磁作用在導(dǎo)線中的傳播開始，經(jīng)過大量的實驗驗證了位移電流的存在，并隨后觀測到了“導(dǎo)線波”以有限的速度傳播。1887年11月與1888年1月，赫茲發(fā)表了《論絕緣體中電擾動產(chǎn)生的電磁效應(yīng)》與《論電磁作用傳播的有限速度》這兩篇文章闡述兩個發(fā)現(xiàn)［42］。

此時的赫茲幾乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電磁波，他準(zhǔn)備進一步驗證電磁作用在空氣中的傳播。這是赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波最為重要的階段，也是他在這段“發(fā)現(xiàn)電磁波”歷程中最為艱難的時刻。

在驗證位移電流與導(dǎo)線波的過程中，赫茲對于如何調(diào)整電容與電感，操控火花間隙S處產(chǎn)生光弧已經(jīng)爐火純青［42］。這套裝置即為圖1?22的左半部分，相當(dāng)于電磁波發(fā)生器。

在實驗中，赫茲將感應(yīng)線圈的兩端與兩個銅棒相連，當(dāng)感應(yīng)線圈的電流突然中斷時，由感應(yīng)所產(chǎn)生的高電壓將使火花間隙S產(chǎn)生火花，之后電荷經(jīng)由火花間隙在鋅板C間振蕩。由麥克斯韋理論，這種火花將產(chǎn)生電磁波。

在赫茲實驗中，最為艱難的是如何設(shè)計接收裝置即檢波器，來發(fā)現(xiàn)在空氣中傳播的電磁波。檢波器的英文是Detector，主要功能從無線電信號中獲得有用信息的裝置，是無線電接收系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。

受時代制約，赫茲只能設(shè)計出一個非常簡陋的檢波器。他將一小段導(dǎo)線彎成圓形，線的兩端留有小電火花隙。如果電磁波能夠從空氣中傳播到這個小線圈時，將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并在火花間隙M處產(chǎn)生電弧。

這次實驗進行得異常艱苦。赫茲的發(fā)射裝置確實能夠產(chǎn)生電磁波，但是這次實驗的檢波器過于簡陋。赫茲花費了大量的時間，調(diào)整發(fā)送裝置與檢波器，具體的工作是鉆孔，繞線圈，調(diào)整電容大小與火花間隙的距離，調(diào)整檢波器的位置等一系列瑣碎的事務(wù)型工作。直到某一天，赫茲在一間昏暗的實驗室中，發(fā)現(xiàn)了火花間隙M中的火花。

1888年3月，赫茲與亥姆霍茲分享了這個結(jié)果，并在同月的31日，將《空氣中的電動波及其反射》這篇文章抄送至《物理年鑒》。這是人類歷史上，第一次觀測到電磁波在空中的傳遞。

赫茲通過實驗數(shù)據(jù)計算出電磁波在空氣中的傳播速度。雖然這個傳播速度與光速之間有較大的誤差，但至少在一個數(shù)量級中。

英國人洛奇與這個巨大的榮譽插肩而過，但他的注意力沒有放在被赫茲搶了頭功這件事情上，相反赫茲實驗的完備使其深受鼓舞。來自英倫三島的另外兩位科學(xué)家菲茲杰拉德與亥維賽對赫茲實驗也產(chǎn)生了濃厚的興趣。此后的時間，四人頻繁交流，增加了赫茲對電磁波的認(rèn)識。

1888年12月，赫茲發(fā)表《論電磁輻射》［42］，論述了電磁波的偏振、反射和折射現(xiàn)象的研究方法，并提供了實驗結(jié)果。在這篇文章的最后，赫茲非常自信地認(rèn)為，電磁波具有與光相同的屬性。這些屬性既能通過光學(xué)的角度推演出來，也能通過電磁學(xué)的角度進行推演。

至此麥克斯韋通過理論推導(dǎo)得出的光與電磁波的同一性獲得了充分的實驗依據(jù)。赫茲實驗之后，只有時間能夠阻擋無線通信的出現(xiàn)。在科學(xué)家、企業(yè)家、工程師與無數(shù)普通人的合力之下，這個時間被無限縮短。

不同的人懷著不同的目的，駛?cè)肓诉@片由法拉第、麥克斯韋與赫茲等人開辟的藍海。這片藍海所蘊含的巨大能量，扭曲了這段歷史，使許多參與者只能擁有身后榮譽。

編輯：hfy