赫茲如何發(fā)現(xiàn)電磁波的？

??無線電波是如何被發(fā)現(xiàn)的？這與麥克斯韋方程組有什么關(guān)系？?好吧，一切都始于一個悲觀的年輕科學(xué)家，海因里?！ず掌?，和一場他不敢嘗試的比賽，?最后它以一直以來一個最有影響力之一的實驗結(jié)束。?關(guān)于這個故事，讓我聽聽 Kathy 老師娓娓道來。

??1879年，德國最著名的科學(xué)家，Hermann Von Helmholtz 有一個關(guān)于在普魯士科學(xué)院建立年度柏林獎的好主意。?他建議他們提供獎金，獎勵給可以通過實驗證明空間電磁波存在，?或者證明由法拉第提出的電動力學(xué)并由麥克斯韋先生使用數(shù)學(xué)理論進(jìn)行描述的人。

??亥姆霍茲有一個 22 歲的研究生，名叫海因里?！ず掌?，他覺得適合挑戰(zhàn)這個獎項。?但年輕的赫茲想了想覺得太難了，決定放棄。?但這個想法始終縈繞在赫茲的腦海里，他花費了很多年刻苦鉆研物理學(xué)中的電磁課程。?有的時候，他的日記中只有簡單的一句話：一旦想到電磁射線，其他就什么也不想了，整天只是圍繞著電磁波苦干，但還是毫無頭緒。?雖然感到無聊，但電磁波還是我的最愛，我覺得自己和它有緣，但對它的所有認(rèn)識都是大眾所知。?他在1885年年末時說：很高興今年結(jié)束了，希望它不會被另一個類似的東西所取代。?結(jié)果證明 1886 年無論是對個人還是對專業(yè)都是好事連連的一年。?1886年赫茲遇到了他的最愛，名叫 Elizabeth Doll 的女孩，墜入了愛河。?也是在那一年的春天，他向自己未來的新娘展示自己研究的設(shè)備時， 碰巧看到了遠(yuǎn)處萊頓瓶放電時所產(chǎn)生的的電火花。?赫茲于是對那個幾年前讓他覺得太難的實驗有了新的想法。?到了1887年，赫茲就找到了可以使用實驗來證明光是一種電磁波的方法。?他是如何做到的呢？

??赫茲使用震蕩的電子產(chǎn)生一種波，在屋子里傳播。?接著又能夠證明這種波可以像光波遇到鏡子一樣被反射，?也能夠像光一樣通過棱鏡，甚至傳播的速度都和光一樣快。?天哪，這種新的不可見的光到底是什么呢？?甚至到了1920年，這種電磁波都被稱為“赫茲波”。?順便說一下，大多數(shù)人一想到無線電就想起音樂，覺得無線電是聲波。?當(dāng)然這是不對的，無線電波只是一種看不見的低頻電磁波。?為了更好的理解這一點，可以考慮一下唱片。唱片使用乙烯基黑膠壓制而成，上面有紋理和高低起伏。?當(dāng)唱針碰到唱片軌道里面的高高低低起伏時，就會產(chǎn)生震動進(jìn)而發(fā)出音樂。?唱片不是用音樂制作的，是使用黑膠壓制的。?無線電也不是由音樂產(chǎn)生的，它是像光線一樣的電磁波。?就像唱片上的記錄聲音的高高低低的音紋， 無線電的的幅度也會有大大小小的變化進(jìn)而傳遞音樂。

??好了，我們再考察一下當(dāng)時赫茲是如何產(chǎn)生電磁波的呢？?赫茲比較幸運，他有一種叫做間隙花火產(chǎn)生設(shè)備，可以將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流脈沖信號，并可以產(chǎn)生很大的電弧。?關(guān)于間隙火花的工作原理以及如何產(chǎn)生無線電將會另外進(jìn)行說明。?赫茲所做的就是通過給火花儀器增加天線來產(chǎn)生這種不可見的電磁波。?通過兩個金屬導(dǎo)線將電火花的信號引到兩端的金屬球上。?他有了產(chǎn)生電磁波的方法，同樣他還需要找到如何檢測電磁波的手段。?為此，他制作了一個小的圓環(huán)，上面帶有兩個距離很近的小球，之間有個很小的縫隙。?他希望這種檢測器可以接收到電磁波并能夠在小球縫隙間產(chǎn)生可見的電火花。?通過改變間隙的大小也能夠評估接收到電磁波的強弱。?當(dāng)然這不是一種很容易操作的設(shè)備，?電火花不僅微弱，而且只能持續(xù)一個微秒左右。能夠看到電火花實在是一種奇跡。?但在絕對黑暗的房間里，人的肉眼的確可以觀察到接收器上的電火花。做到這一點需要像走鋼絲那樣小心翼翼。

??到了1887年11月5日，他小心翼翼地向他的老板，亥姆霍茲遞交了他寫的論文。?信中寫道，寫這封信打擾您我倍感不安，但它事關(guān)幾年前你要求我解決的一個難題。?亥姆霍茲立馬回了一個明信片，上面短短幾個字：太帥了！論文周四就交付發(fā)表。?突然之間，赫茲的人生就像開了掛一樣。?此時已經(jīng)成為他老婆的伊麗莎白給他老丈人寫信說道，實驗做得太順了。現(xiàn)在就像從自己的袖筒里輕而易舉的拿出了漂亮的實驗結(jié)果。當(dāng)然他為此非常開心，我也一樣。每次他給我談起實驗滿臉都放光，看起來就像一個二傻子一樣。

??那時赫茲已經(jīng)注意到紫外線會影響實驗結(jié)果，這也使他成為了解光電效應(yīng)的第一人。? 接著，讓赫茲倍感驚訝的是，這種新的波居然也可以被鏡子反射，就和可見光線效果一樣。?因此，赫茲架起了一個與放電花火平行的鏡子，電磁波在鏡子反射回來，形成了駐波。?駐波可以由振動劇烈的波腹和相互抵消的波節(jié)構(gòu)成。赫茲在電線與鏡子之間移動接收器，可以看到在波腹的地方火花變大，在波節(jié)地方消失了。?利用這種方式赫茲測量了電磁波的長度。?通過理論分析，赫茲知道電磁波的頻率大約為70MHz。嘿嘿，也就是每秒七千萬個他自己的名字。?于是他使用簡單的乘法便計算出波的速度，等于波長乘以波動頻率。?就是利用這簡單的方法，他便計算出電磁波的速度，大約是每秒三十二萬公里。這與當(dāng)時已知的光速很接近了，即每秒鐘三十萬公里。?當(dāng)然他并沒有打破光速，只是測量誤差使得他測量電磁波速度比光速快。

??赫茲驗證了光是一種電磁波，無影無蹤分布在世界的各個角落。 ?赫茲的論文已經(jīng)發(fā)表，就立即建立起國際上的聲望。?威廉·湯普森，也被稱為卡爾文勛爵，也對法拉第和麥克斯韋本人和他們的理論都有過重要的影響，談起赫茲，他說：赫茲的電磁波論文是法拉第思想燦爛成就的一座豐碑。

??赫茲獲得邦德大學(xué)的全職教職。?他購買了一座漂亮的大 HOUSE，還有一個之前用于醫(yī)學(xué)實驗的小房間，可能已被化學(xué)****劑污染。?也許是這個原因，或者其他不可琢磨的命運，從1982年七月開始赫茲開始感到偏頭痛，后來被診斷為血液紊亂。在1894年新年的第一天，他36歲便英年早逝，留下了痛不欲生的妻子和兩個年幼的女兒，一個6歲，一個2歲。

??我們可以設(shè)想，如果赫茲不是那么早的離開這個世界，也許他可以發(fā)明無線電報，或者無線電通訊技術(shù)。?然而在他生前并沒有看到他的發(fā)明被實際應(yīng)用。關(guān)于實驗他曾說過，這些結(jié)果并沒有什么用處，只是一個來證明麥克斯韋理論是否正確的實驗結(jié)果。?我們可以獲得這種神秘的電磁波，但無法肉眼看到它們。但它們就在那里。?在赫茲去世的幾個月后，一個20歲的愛爾蘭后裔意大利的小伙子，名叫馬可尼，看到了海因里奇·赫茲的訃告，從而癡迷于創(chuàng)建長距離無線電報的想法。?也許僅僅使用間隙火花放電的方式并無法走得更遠(yuǎn)，更別說跨大西洋發(fā)送信息。?幸運的是，五年之后另外一個電磁學(xué)領(lǐng)域的大神，尼古拉·特斯拉參加了法國巴黎世界博覽會。了解了赫茲實驗的神奇。?特斯拉便開始自己制作間隙火花發(fā)生器，最終發(fā)明了特斯拉線圈。一種可以創(chuàng)建巨大電弧的裝置。

??本文給出了 Kathy 所講述的赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的經(jīng)歷，讓我們對人類電磁學(xué)發(fā)展的這一段歷史有了更加清晰的認(rèn)識。