赫茲是如何證實電磁波存在的？

大家晚上好，我們在此前的名人中，給大家介紹過法拉第、麥克斯韋、波波夫、特斯拉等多位大牛。他們要么是電磁理論的奠基人，要么是電磁應(yīng)用的發(fā)明家。

但是，有一個人，一直沒來得及介紹。他就是電磁理論和電磁應(yīng)用之間最重要的銜接者，第一個證實電磁波真實存在的人，德國著名物理學(xué)家，海因里?！?shù)婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz）。

赫茲在物理史上擁有舉足輕重的地位。如果沒有他，麥克斯韋的電磁理論和方程式只能繼續(xù)吃灰，而馬可尼等人的無線電發(fā)明，連影子都不會有。

正因為有了赫茲和他的發(fā)現(xiàn)，麥克斯韋才能沉冤得雪，電磁理論也能重見天日。我們呢，則最終迎來了精彩紛呈的移動通信時代。

那么，赫茲究竟是一個什么樣的人？他是如何證實電磁波存在的？今天這篇文章，小編給大家講講赫茲的傳奇故事。

▉ 天才少年的成長之路

1857年2月22日，赫茲出生在德國漢堡一個猶太家庭。

他的家境非常不錯，父親叫古斯塔夫·費迪南德·赫茲，是德國漢堡市的一名大律師（后來成為參議員）。母親叫安娜·伊麗莎白·菲弗克恩，是一位醫(yī)生的女兒。赫茲是家里最大的孩子，他還有3個弟弟和1個妹妹。

6歲時，赫茲被父母安排進入了漢堡當(dāng)?shù)氐乃搅W(xué)校進行學(xué)習(xí)。這所學(xué)校的校長弗里德里?！ね榈隆ぬm格，是一個著名的教育家。他的教育理念是以孩子為中心，進行個性化培養(yǎng)。赫茲在這所學(xué)校里表現(xiàn)出色，排名第一。

15歲的時候，赫茲離開了私立學(xué)校，在家自學(xué)。因為他想考大學(xué)，而威查德·蘭格的私立學(xué)校并沒有希臘語和拉丁語的課程（這是大學(xué)入學(xué)必須具備的能力）。

為了更好地學(xué)習(xí)語言，他們家請了一個很厲害的家教——德國著名語言專家雷德斯洛教授。結(jié)果，沒過多久，雷教授跑去告訴赫茲的老爹，說赫茲實在是個語言學(xué)天才，“我從來沒見過像赫茲這么有天分的孩子”。

17歲的時候，赫茲來到約翰尼姆學(xué)校，復(fù)習(xí)準備大學(xué)考試。結(jié)果，當(dāng)他一年后考試通過時，這家伙又改變了主意。他搬到法蘭克福，跟著一個建筑師當(dāng)學(xué)徒，想進軍建筑行業(yè)。

沒過多久，赫茲就放棄了自己的建筑師夢想，跑回德累斯頓學(xué)習(xí)工程學(xué)。

幾個月后，赫茲應(yīng)征入伍，服役一年。這期間，赫茲陷入了人生的迷茫階段。他在給自己老媽寫信時，提到：

“日復(fù)一日，我覺得自己就是個廢柴。”

值得慶幸的是，赫茲的頹廢狀態(tài)并沒有持續(xù)多久。1877年10月，退役的赫茲搬到慕尼黑，開始繼續(xù)學(xué)習(xí)工程學(xué)課程。

同年，赫茲考入慕尼黑大學(xué)，選修高等數(shù)學(xué)、力學(xué)、實驗物理和實驗化學(xué)課程。一年后，表現(xiàn)優(yōu)異的他又進入柏林大學(xué)。

▉ 師從名師，嶄露頭角

來到柏林之后，赫茲終于遇到了自己人生中最重要的兩位導(dǎo)師，德國著名科學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）和赫爾曼·馮·赫爾姆霍茨（Hermann von Helmholtz）。

基爾霍夫?qū)９ポ椛?、光譜學(xué)和電路理論的研究。赫爾姆霍茲則致力于電動力學(xué)和熱力學(xué)領(lǐng)域的理論研究 。

赫爾姆霍茨很快發(fā)現(xiàn)赫茲是一個物理學(xué)的天才，于是對其非常器重，進行重點培養(yǎng)。

當(dāng)時，赫爾姆霍茨在學(xué)院里設(shè)立了一個有獎競答。誰能回答出他的問題，就能拿到獎品。

他的問題很短，但是很難：

“電是帶著慣性運動的嗎？”

（這個問題也可以理解為：“電是有質(zhì)量（動能）的嗎？”）

赫茲對這個問題非常著迷。于是，他到處搜集資料進行學(xué)習(xí)，試圖找到答案。

1879年8月，22歲的赫茲通過一系列實驗，得到了自己的結(jié)論：如果電流有任何質(zhì)量，這個值一定小到難以置信。

當(dāng)時的人們，并不知道電子的存在。直到18年后的1897年，英國物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆生在研究陰極射線時，才發(fā)現(xiàn)了電子。電子的質(zhì)量確實是極小的，只有9.10956×10-31kg。以赫茲那個時代的技術(shù)能力，肯定是測不出來滴。

不管怎么說，赫茲的回答得到了赫爾姆霍茨的認可，他也贏得了老師的獎品——一塊金牌。

后來，赫爾姆霍茨又提了一個問題。這次赫茲不干了，拒絕參與。他認為，花三年的時間，又去研究一個可能沒有結(jié)果的問題，實在是浪費生命。

1880年1月，赫茲完成了關(guān)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體電磁感應(yīng)的論文，并從大學(xué)畢業(yè)。

畢業(yè)后，赫茲在柏林物理研究所擔(dān)任了三年赫爾姆霍茨教授的助理。在此期間，赫茲發(fā)表了15篇關(guān)于各種領(lǐng)域的論文，其中涉及氣象學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、電磁感應(yīng)和陰極射線等多個學(xué)科。

漸漸地，赫茲開始在科學(xué)界建立起自己的影響力。

漸漸地，發(fā)際線也保不住了

1883年，26歲的赫茲來到基爾大學(xué)，擔(dān)任理論物理講師。

1885年3月，赫茲轉(zhuǎn)到德國西南部邊境的卡爾斯魯爾大學(xué)（Karlsruhe），擔(dān)任物理系教授。

同年7月31日，赫茲娶了自己同事——幾何講師馬克斯·多爾的女兒，伊麗莎白·多爾（Elizabeth Doll）。當(dāng)時，他們相識還不到四個月。后來，他們生了兩個女兒，分別叫約翰娜和瑪?shù)贍柕隆?/p>

▉ 走向巔峰，發(fā)現(xiàn)電磁波

接下來，就是赫茲的高光時刻了。

赫茲跟隨赫爾姆霍茲研究物理學(xué)的時候，就曾經(jīng)研究麥克斯韋的電磁理論。當(dāng)時，德國物理界普遍相信韋伯的電力與磁力可瞬時傳送的理論。因此，赫茲決定，以實驗來驗證韋伯和麥克斯韋的理論，到底誰是對的。

依照麥克斯韋理論，電擾動能輻射電磁波。于是，赫茲先設(shè)計了一個電磁波發(fā)生器。

他建造了一個由銅旋鈕構(gòu)成的振蕩器。每個旋鈕都連接到一個高壓感應(yīng)線圈上，并通過一個小間隙與另一個旋鈕分離，火花可以在這個間隙上移動。當(dāng)感應(yīng)線圈的電流突然中斷時，其感應(yīng)高電壓使電火花隙之間產(chǎn)生火花。瞬間后，電荷便經(jīng)由電火花隙在鋅板間振蕩，頻率高達數(shù)百萬。如果麥克斯韋的理論是正確的，此時就會產(chǎn)生電磁波。

赫茲的實驗裝置

為了監(jiān)測電磁波，赫茲又設(shè)計了一個接收器。他將一小段導(dǎo)線彎成圓形，線的兩端點間留有小電火花隙。如果有電磁波，此小線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而使電火花隙產(chǎn)生火花。

因為火花極其微小，所以，他必須坐在暗室中進行實驗。果然，在實驗中，赫茲親眼看到了微弱火花的產(chǎn)生！

1887年11月5日，赫茲發(fā)表了名為《論在絕緣體中電過程引起的感應(yīng)現(xiàn)象》的論文，總結(jié)了自己的重要發(fā)現(xiàn)。這一論文直接轟動了整個物理學(xué)界。麥克斯韋的電磁理論，翻身逆襲，被奉為經(jīng)典。此時，距離麥神去世，已經(jīng)過去了整整9年。

麥克斯韋

后來，赫茲繼續(xù)通過實驗，確認了電磁波是橫波，具有與光類似的特性，如反射、折射、衍射等。赫茲還實驗了兩列電磁波的干涉，同時證實了在直線傳播時，電磁波的傳播速度與光速相同，從而證明了光就是一種電磁波。

在此基礎(chǔ)上，赫茲還進一步完善了麥克斯韋方程組，使它更加優(yōu)美、對稱，得出了麥克斯韋方程組的現(xiàn)代形式。

赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義。當(dāng)時，因為是赫茲驗證了電磁波的存在，所以電磁波直接被稱為“赫茲波”，直到多年以后，才改叫“電磁波”。

我們現(xiàn)在都知道，赫茲的發(fā)現(xiàn)具有廣泛的實際用途，打開了新世界的大門。但是，當(dāng)時的赫茲，并沒有意識到這一點。他說：

“我認為我所發(fā)現(xiàn)的無線電波，不會有任何實際應(yīng)用?！?/p>

除了發(fā)現(xiàn)電磁波之外，赫茲還在光電效應(yīng)領(lǐng)域做出了貢獻。

他注意到帶電金屬物體當(dāng)被紫外光照射時，會很快失去它的電荷，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。

當(dāng)時，他無法解釋這一現(xiàn)象。若干年后， 愛因斯坦成功解釋了這一現(xiàn)象（紫外光光子有足夠的能量與金屬中的電子相互作用，使電子有足夠的能量逃離金屬），并以此獲得了諾貝爾獎。

1889年，赫茲來到波恩大學(xué)擔(dān)任教授。在這里，赫茲與他的助手菲利普·勒納德（Philipp Lenard）一起研究陰極射線和氣體放電。沒想到，后來的1905年，勒納德憑借自己在陰極射線方面的研究，拿到了諾貝爾物理學(xué)獎。。。

勒納德

▉英年早逝，令人嘆息

1888年至1890年，赫茲獲得了國內(nèi)外的廣泛榮譽。他分別獲得意大利科學(xué)協(xié)會、巴黎科學(xué)院、維也納帝國科學(xué)院頒發(fā)的各種獎?wù)陋劷穑聡€授予了他“王冠勛章”。

然而，也就是這一期間，赫茲開始遭遇嚴重的健康問題。

在搬到波恩之前，赫茲就開始牙痛，接受了牙科治療。1889年，他把所有的牙齒都拔掉了，試圖治愈這一頑疾。然而，到1892年初，問題又回來了，這次是他的喉嚨和鼻子。劇烈的疼痛導(dǎo)致赫茲無法繼續(xù)工作，只能四處尋找治療方法。

1893年春天，赫茲嘗試恢復(fù)工作，并做了幾次手術(shù)。不幸的是，疾病讓他患上了抑郁癥。12月3日，他寄出了自己最后著作（《機械原理》）的手稿。12月7日，赫茲做了生前最后一次演講。

不久后，1894年1月1日，赫茲因血液中毒，在波恩去世（死因至今存在爭議），年僅37歲。

赫茲死后，他的妻子并未改嫁，而是繼續(xù)撫養(yǎng)兩個女兒長大。1930年代，希特勒和納粹黨掌權(quán)，開始迫害猶太人。他妻子帶著女兒逃往英國劍橋。

值得一提的是，赫茲的家族后來也算是人才輩出。他的女兒瑪?shù)贍柕?，成為了一名著名的生物學(xué)家和心理學(xué)家。他的侄子古斯塔夫·路德維?！ず掌潱℅ustav Ludwig Hertz），作為量子力學(xué)的先驅(qū)，獲得了1925年的諾貝爾獎。古斯塔夫的兒子，卡爾·赫爾穆特·赫茲，則是核磁共振波譜學(xué)的先驅(qū)，發(fā)明了醫(yī)學(xué)超聲。

古斯塔夫·路德維?！ず掌?/p>

1930年，國際電工委員會為了紀念赫茲，將他的名字定為頻率測量單位。1960年，國際度量衡大會官方正式確認了這一單位。

1945年二戰(zhàn)結(jié)束后，赫茲恢復(fù)了自己在德國的名譽，重新獲得德國民眾的尊重。德國漢堡的無線電塔，也被命名為赫茲塔。

最后，我們用赫茲的悼詞來結(jié)束今天的文章：

“他是個高尚的人，有著難得的好運，能找到許多崇拜者，但沒有人恨他，也沒有人羨慕他；那些與他有過私人接觸的人，都被他的謙遜所打動，被他的和藹可親所著迷。他是真正的朋友，是尊敬的老師；對他的家人來說，他是一位慈愛的丈夫和父親?！?/p>

感謝您，偉大的海因里希·魯?shù)婪颉ず掌潱?br />

原文標題：“赫茲波” “電磁波” 傻傻分不清楚？看這里就夠了

文章出處：【微信公眾號：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。