一小伙发现了无线电波,竟直呼没用?在此前,我给大家介绍过麦克斯韦、马可尼、特斯拉等多位大牛。他们要么是电磁理论的奠基人,要么是电磁应用的发明家。但是,有一个人,我一直没来得及介绍。他就是电磁理论和电磁应用之间最重要的衔接者,第一个证实电磁波真实存在的人,德国著名物理学家,海因里希·鲁道夫·赫兹。赫兹在物理史上拥有举足轻重的地位。
如果没有他,麦克斯韦的电磁理论和方程式只能继续吃灰,而马可尼等人的无线电发明,连影子都不会有。正因为有了赫兹和他的发现,麦克斯韦才能沉冤得雪,电磁理论也能重见天日。我们呢,则最终迎来了精彩纷呈的移动通信时代。那么,赫兹究竟是一个什么样的人?他是如何证实电磁波存在的?今天这篇文章,小编给大家讲讲赫兹的传奇故事。
天才少年的成长之路1857年2月22日,赫兹出生在德国汉堡一个犹太家庭。
他的家境非常不错,父亲叫古斯塔夫·费迪南德·赫兹,是德国汉堡市的一名大律师(后来成为参议员)。母亲叫安娜·伊丽莎白·菲弗克恩,是一位医生的女儿。赫兹是家里最大的孩子,他还有3个弟弟和1个妹妹。6岁时,赫兹被父母安排进入了汉堡当地的私立学校进行学习。这所学校的校长弗里德里希·威查德·兰格,是一个著名的教育家。他的教育理念是以孩子为中心,进行个性化培养。赫兹在这所学校里表现出色,排名第一。
15岁的时候,赫兹离开了私立学校,在家自学。因为他想考大学,而威查德·兰格的私立学校并没有希腊语和拉丁语的课程(这是大学入学必须具备的能力)。为了更好地学习语言,他们家请了一个很厉害的家教——德国著名语言专家雷德斯洛教授。结果,没过多久,雷教授跑去告诉赫兹的老爹,说赫兹实在是个语言学天才,“我从来没见过像赫兹这么有天分的孩子”。17岁的时候,赫兹来到约翰尼姆学校,复习准备大学考试。
结果,当他一年后考试通过时,这家伙又改变了主意。他搬到法兰克福,跟着一个建筑师当学徒,想进军建筑行业。没过多久,赫兹就放弃了自己的建筑师梦想,跑回德累斯顿学习工程学。几个月后,赫兹应征入伍,服役一年。这期间,赫兹陷入了人生的迷茫阶段。他在给自己老妈写信时,提到:“日复一日,我觉得自己就是个废柴。”
师从名师,崭露头角
来到柏林之后,赫兹终于遇到了自己人生中最重要的两位导师,德国著名科学家古斯塔夫·基尔霍夫和赫尔曼·冯·赫尔姆霍茨。基尔霍夫专攻辐射、光谱学和电路理论的研究。赫尔姆霍兹则致力于电动力学和热力学领域的理论研究。赫尔姆霍茨很快发现赫兹是一个物理学的天才,于是对其非常器重,进行重点培养。当时,赫尔姆霍茨在学院里设立了一个有奖竞答。谁能回答出他的问题,就能拿到奖品。
他的问题很短,但是很难:“电是带着惯性运动的吗?”赫兹对这个问题非常着迷。于是,他到处搜集资料进行学习,试图找到答案。1879年8月,22岁的赫兹通过一系列实验,得到了自己的结论:如果电流有任何质量,这个值一定小到难以置信。1880年1月,赫兹完成了关于旋转导体电磁感应的论文,并从大学毕业。毕业后,赫兹在柏林物理研究所担任了三年赫尔姆霍茨教授的助理。
在此期间,赫兹发表了15篇关于各种领域的论文,其中涉及气象学、力学、电学、电磁感应和阴极射线等多个学科。渐渐地,赫兹开始在科学界建立起自己的影响力。
走向巅峰,发现电磁波接下来,就是赫兹的高光时刻了。赫兹跟随赫尔姆霍兹研究物理学的时候,就曾经研究麦克斯韦的电磁理论。当时,德国物理界普遍相信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此,赫兹决定,以实验来验证韦伯和麦克斯韦的理论,到底谁是对的。
依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。于是,赫兹先设计了一个电磁波发生器。他建造了一个由铜旋钮构成的振荡器。每个旋钮都连接到一个高压感应线圈上,并通过一个小间隙与另一个旋钮分离,火花可以在这个间隙上移动。当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万。如果麦克斯韦的理论是正确的,此时就会产生电磁波。
为了监测电磁波,赫兹又设计了一个接收器。他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙。如果有电磁波,此小线圈上就会产生感应电压,从而使电火花隙产生火花。因为火花极其微小,所以,他必须坐在暗室中进行实验。果然,在实验中,赫兹亲眼看到了微弱火花的产生!1887年11月5日,赫兹发表了名为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文,总结了自己的重要发现。这一论文直接轰动了整个物理学界。
麦克斯韦的电磁理论,翻身逆袭,被奉为经典。此时,距离麦神去世,已经过去了整整9年。后来,赫兹继续通过实验,确认了电磁波是横波,具有与光类似的特性,如反射、折射、衍射等。赫兹还实验了两列电磁波的干涉,同时证实了在直线传播时,电磁波的传播速度与光速相同,从而证明了光就是一种电磁波。在此基础上,赫兹还进一步完善了麦克斯韦方程组,使它更加优美、对称,得出了麦克斯韦方程组的现代形式。
赫兹的发现具有划时代的意义。当时,因为是赫兹验证了电磁波的存在,所以电磁波直接被称为“赫兹波”,直到多年以后,才改叫“电磁波”。我们现在都知道,赫兹的发现具有广泛的实际用途,打开了新世界的大门。但是,当时的赫兹,并没有意识到这一点。他说:“我认为我所发现的无线电波,不会有任何实际应用。”除了发现电磁波之外,赫兹还在光电效应领域做出了贡献。
他注意到带电金属物体当被紫外光照射时,会很快失去它的电荷,发现了光电效应。当时,他无法解释这一现象。若干年后,爱因斯坦成功解释了这一现象,并以此获得了诺贝尔奖。
英年早逝,令人叹息1888年至1890年,赫兹获得了国内外的广泛荣誉。他分别获得意大利科学协会、巴黎科学院、维也纳帝国科学院颁发的各种奖章奖金,德国政府还授予了他“王冠勋章”。然而,也就是这一期间,赫兹开始遭遇严重的健康问题。
在搬到波恩之前,赫兹就开始牙痛,接受了牙科治疗。1889年,他把所有的牙齿都拔掉了,试图治愈这一顽疾。然而,到1892年初,问题又回来了,这次是他的喉咙和鼻子。剧烈的疼痛导致赫兹无法继续工作,只能四处寻找治疗方法。1893年春天,赫兹尝试恢复工作,并做了几次手术。不幸的是,疾病让他患上了抑郁症。12月3日,他寄出了自己最后著作(《机械原理》)的手稿。12月7日,赫兹做了生前最后一次演讲。
不久后,1894年1月1日,赫兹因血液中毒,在波恩去世(死因至今存在争议),年仅37岁。赫兹死后,他的妻子并未改嫁,而是继续抚养两个女儿长大。1930年代,希特勒和纳粹党掌权,开始迫害犹太人。他妻子带着女儿逃往英国剑桥。值得一提的是,赫兹的家族后来也算是人才辈出。他的女儿玛蒂尔德,成为了一名著名的生物学家和心理学家。他的侄子古斯塔夫·路德维希·赫兹,作为量子力学的先驱,获得了1925年的诺贝尔奖。
古斯塔夫的儿子,卡尔·赫尔穆特·赫兹,则是核磁共振波谱学的先驱,发明了医学超声。1930年,国际电工委员会为了纪念赫兹,将他的名字定为频率测量单位。1960年,国际度量衡大会官方正式确认了这一单位。1945年二战结束后,赫兹恢复了自己在德国的名誉,重新获得德国民众的尊重。德国汉堡的无线电塔,也被命名为赫兹塔。
最后,我们用赫兹的悼词来结束今天的文章:“他是个高尚的人,有着难得的好运,能找到许多崇拜者,但没有人恨他,也没有人羡慕他;那些与他有过私人接触的人,都被他的谦逊所打动,被他的和蔼可亲所着迷。他是真正的朋友,是尊敬的老师;对他的家人来说,他是一位慈爱的丈夫和父亲。”
感谢您,伟大的海因里希·鲁道夫·赫兹!