天才少年赫茲的傳奇故事 如何證實(shí)電磁波存在的？

赫茲在物理史上擁有舉足輕重的地位。如果沒(méi)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(wú)線電發(fā)明，連影子都不會(huì)有。

正因?yàn)橛辛撕掌澓退陌l(fā)現(xiàn)，麥克斯韋才能沉冤得雪，電磁理論也能重見(jiàn)天日。我們呢，則最終迎來(lái)了精彩紛呈的移動(dòng)通信時(shí)代。

那么，赫茲究竟是一個(gè)什么樣的人？他是如何證實(shí)電磁波存在的？今天這篇文章，小棗君給大家講講赫茲的傳奇故事。

▉ 天才少年的成長(zhǎng)之路

1857年2月22日，赫茲出生在德國(guó)漢堡一個(gè)猶太家庭。

他的家境非常不錯(cuò)，父親叫古斯塔夫·費(fèi)迪南德·赫茲，是德國(guó)漢堡市的一名大律師（后來(lái)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(gè)弟弟和1個(gè)妹妹。

6歲時(shí)，赫茲被父母安排進(jìn)入了漢堡當(dāng)?shù)氐乃搅W(xué)校進(jìn)行學(xué)習(xí)。這所學(xué)校的校長(zhǎng)弗里德里?！ね榈隆ぬm格，是一個(gè)著名的教育家。他的教育理念是以孩子為中心，進(jìn)行個(gè)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(shí)候，赫茲離開(kāi)了私立學(xué)校，在家自學(xué)。因?yàn)樗肟即髮W(xué)，而威查德·蘭格的私立學(xué)校并沒(méi)有希臘語(yǔ)和拉丁語(yǔ)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(yǔ)言，他們家請(qǐng)了一個(gè)很厲害的家教——德國(guó)著名語(yǔ)言專家雷德斯洛教授。結(jié)果，沒(méi)過(guò)多久，雷教授跑去告訴赫茲的老爹，說(shuō)赫茲實(shí)在是個(gè)語(yǔ)言學(xué)天才，“我從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)像赫茲這么有天分的孩子”。

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

沒(méi)過(guò)多久，赫茲就放棄了自己的建筑師夢(mèng)想，跑回德累斯頓學(xué)習(xí)工程學(xué)。

幾個(gè)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(xiě)信時(shí)，提到：

“日復(fù)一日，我覺(jué)得自己就是個(gè)廢柴?！?/p>

值得慶幸的是，赫茲的頹廢狀態(tài)并沒(méi)有持續(xù)多久。1877年10月，退役的赫茲搬到慕尼黑，開(kāi)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(shí)驗(yàn)物理和實(shí)驗(yàn)化學(xué)課程。一年后，表現(xiàn)優(yōu)異的他又進(jìn)入柏林大學(xué)。

▉ 師從名師，嶄露頭角

來(lái)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(guó)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）。

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基爾霍夫?qū)９ポ椛洹⒐庾V學(xué)和電路理論的研究。赫爾姆霍茲則致力于電動(dòng)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(gè)物理學(xué)的天才，于是對(duì)其非常器重，進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)。

當(dāng)時(shí)，赫爾姆霍茨在學(xué)院里設(shè)立了一個(gè)有獎(jiǎng)競(jìng)答。誰(shuí)能回答出他的問(wèn)題，就能拿到獎(jiǎng)品。

他的問(wèn)題很短，但是很難：

“電是帶著慣性運(yùn)動(dòng)的嗎？”

（這個(gè)問(wèn)題也可以理解為：“電是有質(zhì)量（動(dòng)能）的嗎？”）

赫茲對(duì)這個(gè)問(wèn)題非常著迷。于是，他到處搜集資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，試圖找到答案。

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

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

不管怎么說(shuō)，赫茲的回答得到了赫爾姆霍茨的認(rèn)可，他也贏得了老師的獎(jiǎng)品——一塊金牌。

后來(lái)，赫爾姆霍茨又提了一個(gè)問(wèn)題。這次赫茲不干了，拒絕參與。他認(rèn)為，花三年的時(shí)間，又去研究一個(gè)可能沒(méi)有結(jié)果的問(wèn)題，實(shí)在是浪費(fèi)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(gè)學(xué)科。

漸漸地，赫茲開(kāi)始在科學(xué)界建立起自己的影響力。??

1883年，26歲的赫茲來(lái)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(guó)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(shí)，他們相識(shí)還不到四個(gè)月。后來(lái)，他們生了兩個(gè)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(lái)，就是赫茲的高光時(shí)刻了。

赫茲跟隨赫爾姆霍茲研究物理學(xué)的時(shí)候，就曾經(jīng)研究麥克斯韋的電磁理論。當(dāng)時(shí)，德國(guó)物理界普遍相信韋伯的電力與磁力可瞬時(shí)傳送的理論。因此，赫茲決定，以實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證韋伯和麥克斯韋的理論，到底誰(shuí)是對(duì)的。

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

他建造了一個(gè)由銅旋鈕構(gòu)成的振蕩器。每個(gè)旋鈕都連接到一個(gè)高壓感應(yīng)線圈上，并通過(guò)一個(gè)小間隙與另一個(gè)旋鈕分離，火花可以在這個(gè)間隙上移動(dòng)。當(dāng)感應(yīng)線圈的電流突然中斷時(shí)，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(dá)數(shù)百萬(wàn)。如果麥克斯韋的理論是正確的，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電磁波。

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

因?yàn)榛鸹O其微小，所以，他必須坐在暗室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。果然，在實(shí)驗(yàn)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(guò)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(dòng)了整個(gè)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(shí)，距離麥神去世，已經(jīng)過(guò)去了整整9年。

后來(lái)，赫茲繼續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)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(shí)驗(yàn)了兩列電磁波的干涉，同時(shí)證實(shí)了在直線傳播時(shí)，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(jìn)一步完善了麥克斯韋方程組，使它更加優(yōu)美、對(duì)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(shí)代的意義。當(dāng)時(shí)，因?yàn)槭呛掌濖?yàn)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(shí)際用途，打開(kāi)了新世界的大門。但是，當(dāng)時(shí)的赫茲，并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)。他說(shuō)：

“我認(rèn)為我所發(fā)現(xiàn)的無(wú)線電波，不會(huì)有任何實(shí)際應(yīng)用?！?/p>

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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(xiàn)。

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

當(dāng)時(shí)，他無(wú)法解釋這一現(xiàn)象。若干年后， 愛(ài)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(jiǎng)。

1889年，赫茲來(lái)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(méi)想到，后來(lái)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(jiǎng)。。。

▉?英年早逝，令人嘆息

1888年至1890年，赫茲獲得了國(guó)內(nèi)外的廣泛榮譽(yù)。他分別獲得意大利科學(xué)協(xié)會(huì)、巴黎科學(xué)院、維也納帝國(guó)科學(xué)院頒發(fā)的各種獎(jiǎng)?wù)陋?jiǎng)金，德國(guó)政府還授予了他“王冠勛章”。

然而，也就是這一期間，赫茲開(kāi)始遭遇嚴(yán)重的健康問(wèn)題。

在搬到波恩之前，赫茲就開(kāi)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(wèn)題又回來(lái)了，這次是他的喉嚨和鼻子。劇烈的疼痛導(dǎo)致赫茲無(wú)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(jī)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(zhēng)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(gè)女兒長(zhǎng)大。1930年代，希特勒和納粹黨掌權(quán)，開(kāi)始迫害猶太人。他妻子帶著女兒逃往英國(guó)劍橋。

值得一提的是，赫茲的家族后來(lái)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?/strong>（Gustav Ludwig Hertz），作為量子力學(xué)的先驅(qū)，獲得了1925年的諾貝爾獎(jiǎng)。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。