照耀時代的“火花”
——海因里希·赫茲

蔣 敏 張小華

（西南大學(xué)附屬中學(xué)校，重慶 400700）

1896 年3 月24 日，這 是 平 凡 而 又 偉 大 的 一天.這一天，無線電通信的奠基人俄國科學(xué)家波波夫和助手雷布金將發(fā)射機安裝在森林學(xué)院的化學(xué)館里，接收機位于250 m 外的物理學(xué)會會議大廳里.雷布金拍發(fā)信號，波波夫接收信號，物理學(xué)會分會會長佩特羅赫夫斯基將接收到的電報字母一一寫在黑板上，最后得到的報文是“海因里希·赫茲”.［1］這是世界上第一份有明確內(nèi)容的無線電報，它無聲地訴說著波波夫?qū)Ｒ蚶锵！ず掌澾@位電磁波的發(fā)現(xiàn)者的崇高敬意.

1 生平簡介

海因里希·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）是德國著名的物理學(xué)家（圖1）.他1857年2月22 日生于德國漢堡，其父是律師.在一位愛好研究自然科學(xué)的叔祖的幫助下，小赫茲在家里裝備了一個實驗室，在自己的實驗室里，做了很多簡單的化學(xué)和物理實驗.［2］少年時代的赫茲興趣十分廣泛，他會做木匠活，也能熟練地操作車床，在繪畫、雕刻上也表現(xiàn)出一定的天賦.底蘊深厚，動手能力強，興趣廣泛，多才多藝.這些都為他今后的科研奠定了堅實的基礎(chǔ).

圖1 海因里希·赫茲

中學(xué)畢業(yè)的赫茲對工程有濃厚的興趣，1876年，赫茲離開家鄉(xiāng)進入德累斯頓工學(xué)院學(xué)習(xí).不久后，他服了1年兵役.之后，轉(zhuǎn)入慕尼黑工學(xué)院，又轉(zhuǎn)入慕尼黑大學(xué).在這期間，赫茲的興趣由工程轉(zhuǎn)向物理.1878年他進入柏林大學(xué)，得遇名師亥姆霍茲（H.von Helmholtz）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff）.亥姆霍茲創(chuàng)立了能量守恒定律，在熱力學(xué)、電動力學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域中均有重大貢獻.基爾霍夫擅長電路設(shè)計、熱力學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域，21歲提出的基爾霍夫定律直到現(xiàn)在仍然是解決復(fù)雜電路問題的重要工具.名師指導(dǎo)再加上自己的刻苦努力，在校期間，赫茲完成了證明韋伯的電慣性的課題，獲得學(xué)會的獎勵，開始嶄露頭角.［3］

1880年，獲得博士學(xué)位的赫茲畢業(yè)后留校，在導(dǎo)師亥姆霍茲的研究所里當(dāng)助手.1883年，到基爾大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)講師.1885年復(fù)活節(jié)，赫茲受聘為卡爾斯魯厄大學(xué)的物理學(xué)教授.在這里，赫茲完成了使他聞名于世的關(guān)于電磁波的實驗工作.1889年，赫茲被任命為波恩大學(xué)的物理學(xué)教授，并接替克勞修斯擔(dān)任物理研究所所長.此時，他剛過而立之年.可惜天妒英才，誰能想到，1894年1月1日，年僅36歲的赫茲因為牙疾引起血液中毒而不幸逝世.悲夫，科學(xué)界痛失一位天才.

生命的最后幾年，也是赫茲科學(xué)生涯最輝煌的幾年.各種榮譽接踵而至.1888年，他獲得意大利科學(xué)學(xué)會的Matteucci獎?wù)拢?889年，他獲得巴黎科學(xué)院的La Caze獎金和維也納帝國科學(xué)院的Baumgartner獎金；1890 年獲得英國皇家科學(xué)院的Rumford獎?wù)拢?891年獲得都靈皇家科學(xué)院的Bressa獎金.他相繼被選為柏林科學(xué)院、慕尼黑科學(xué)院、維也納科學(xué)院、羅馬科學(xué)院、都靈科學(xué)院和巴洛格那科學(xué)院的通信院士以及很多學(xué)會的會員.［4］這些榮譽，赫茲實至名歸，當(dāng)之無愧.

2 主要科學(xué)成就

2.1 對電磁波的研究

光是一種電磁波的觀點并非赫茲提出的.當(dāng)時，理論物理學(xué)家麥克斯韋已經(jīng)從理論上預(yù)言了該觀點，但苦于沒有實驗驗證，大多數(shù)物理學(xué)家深表懷疑：電磁波真的存在嗎？光竟然也是一種電磁波？要使麥克斯韋的理論被物理學(xué)家們接受，還需要實驗證明.赫茲之前，E·湯姆遜（E.Thomson）、愛迪生（T.A.Edison）、多爾貝爾（A.E.Dolbear）和休斯（D.E.Hughes）其實都對電磁波進行過觀察與實驗，但他們都是從技術(shù)角度去考慮，所以根本沒有意識到他們觀察到的現(xiàn)象就是電磁波現(xiàn)象，可謂“不識廬山真面目”.可見，實驗沒有與理論相結(jié)合，往往讓人與偉大發(fā)現(xiàn)失之交臂.

1879年夏天，柏林科學(xué)院公布了一個懸賞課題——用實驗確立電磁力和絕緣體中的電介質(zhì)極化之間的關(guān)系.可惜一直沒有人做成.1886年春，在一次演示實驗中，赫茲發(fā)現(xiàn)電容器的放電導(dǎo)致旁邊的一個線圈飛出了電火花.這一小簇火花轉(zhuǎn)瞬即逝，很容易被人忽視，可細心的赫茲卻沒放過這個微小的實驗現(xiàn)象，而是開始深入研究.［5］

赫茲專門設(shè)計了實驗裝置，如圖2 所示，兩銅板A、A′分別焊接銅棒，銅棒前端有小銅球，將銅棒接到感應(yīng)線圈兩端，構(gòu)成電磁波發(fā)射器.接收器B 由一個圓形導(dǎo)線構(gòu)成，導(dǎo)線的兩端接兩個銅紐，銅紐之間的距離非常小.赫茲小心翼翼地將金屬板C 挪近發(fā)射器，精細地調(diào)整接收器到合適的位置，終于，功夫不負有心人，赫茲驚喜地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射器銅球間有火花閃耀時，接受器間歇地也有微弱的火花閃耀.這兩簇微弱的跳動的火花，印證了電磁波在空間的傳播.［6］不要小看這兩簇微弱的火花，它們微弱的光芒，卻一掃之前關(guān)于電磁波是否存在的疑慮，照亮了科學(xué)星空中的一片新天地，具有劃時代的意義.

圖2 赫茲實驗裝置示意圖

關(guān)于電磁波的新世界的大門已經(jīng)打開，赫茲的研究一發(fā)不可收.后來的實驗，不僅捕捉到電磁波的存在，而且測出電磁波的波長，計算出電磁波的速度.再后來，赫茲又做了關(guān)于電磁波與光波同一性的系列實驗，觀測到了電磁波的折射、偏振、衍射、干涉等.這些實驗以無可爭議的事實證實了電磁波和光波的同一性.1888年1月，赫茲將這些成果總結(jié)在《論動電效應(yīng)的傳播速度》一文中.

2.2 發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)

有人一旦有了偉大研究成果，或驕傲自滿，或滋生惰性，坐享其成，不思進取.但偉大的科學(xué)研究者絕不是這樣的.1887年，赫茲在做電磁波實驗時，為了便于觀察，有時用暗箱罩著接受回路.他注意到，接受電極間的火花變短了.［7］敏銳的赫茲再一次抓住這個機遇深入研究，經(jīng)過幾個月的工作，赫茲發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不是電磁的屏蔽效果，也與可見光無關(guān)，而與紫外線有關(guān).紫外線的照射讓電極間的放電變得更容易.赫茲將自己對光電效應(yīng)的研究成果寫成論文《紫外線對放電的影響》發(fā)表在《物理學(xué)年鑒》上.1888年，德國物理學(xué)家霍爾瓦克斯（W.Hallwachs）用另外的實驗驗證了赫茲的結(jié)論，推廣了赫茲在光電效應(yīng)方面的研究成果.［8］

2.3 其他成就

赫茲不僅是位卓越的實驗物理學(xué)家，同時也是非常杰出的理論物理學(xué)家.經(jīng)過對麥克斯韋理論的深入研究，赫茲于1884 年寫出一篇重要論文，用一種新的方法從第一原理出發(fā)推導(dǎo)出麥克斯韋方程組.文章中，赫茲得出了不含標勢和矢勢的對稱的麥克斯韋方程組.正是這種清晰、明了、對稱、優(yōu)雅的表達式，使物理學(xué)家們逐漸接受了麥克斯韋理論.［9］1890年，赫茲寫了兩篇論述電磁場理論的文章，澄清了德國物理學(xué)家對麥克斯韋電磁場理論的模糊認識.正如物理學(xué)家索末菲（Arnold Sommerfeld）所說，在閱讀赫茲的文章后“籠罩的陰影被驅(qū)散了”，使他第一次真正懂得了電磁場理論.［10］

赫茲著有《電波》《綜合論文集》和《力學(xué)原理》3本著作，其中《力學(xué)原理》展現(xiàn)了他在力學(xué)研究領(lǐng)域的非凡才能.在《力學(xué)原理》中，赫茲主張“追尋自然現(xiàn)象的根源于力學(xué)原理，”試圖從一個最基本的定律出發(fā)推演其他所有力學(xué)規(guī)律.亥姆霍茲為赫茲的《力學(xué)原理》所寫的序言中這樣評價：“……無論從哪一方面講，他所著的《力學(xué)原理》是一本最具有創(chuàng)造性并以最完美的數(shù)學(xué)形式表達的合乎邏輯的力學(xué)系統(tǒng)的介紹，對每一個能鑒賞這本書的讀者具有極大的價值.將來會證明這本書具有很大的啟發(fā)價值.它將是發(fā)現(xiàn)各種自然力的新的和普遍的各種特性的指南.”［2］

赫茲的研究領(lǐng)域非常廣泛，他研究過電設(shè)備的高頻輻射屏蔽；研究過彈性體碰撞理論；討論過陰極射線.他在1891 年的論文《論陰極射線穿過薄金屬層》中提出：陰極射線能夠透入金屬中，從而為陰極射線和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究奠定的物質(zhì)基礎(chǔ).［11］取得其中任何一項成就都足以令人驕傲，而赫茲卻集眾多成就于一身.

3 對科學(xué)發(fā)展的影響

3.1 電磁學(xué)理論的建立

任何一個理論的建立都不是一蹴而就的.回顧歷史，1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，人們開始意識到電與磁有本質(zhì)的聯(lián)系.1820—1827 年安培對電磁的作用進行了系列研究，1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，研究進入一個新的境地.當(dāng)時人們試圖用牛頓力學(xué)的觀點來解釋電磁現(xiàn)象，遇到了諸多困難.麥克斯韋提出了位移電流的概念，預(yù)言了電磁波的存在.但麥克斯韋的電磁理論在相當(dāng)長的時間里沒有得到普遍的承認.亥姆赫茲把當(dāng)時電磁學(xué)領(lǐng)域的困境稱為“無路的荒原”.［12］直到赫茲用實驗方法產(chǎn)生并接收到電磁波，證明了位移電流的存在，并證實了電磁波與光波在性質(zhì)上相同，人們才徹底相信麥克斯韋的理論.麥克斯韋電磁學(xué)理論成為牛頓的力學(xué)原理后的又一重要的物理學(xué)原理，赫茲居功甚偉.

另外，赫茲對電磁波的系列研究否定了電磁現(xiàn)象的超距作用的理論，而超距作用的觀點又來源于萬有引力超距作用的思想.正如勞厄（Max von Laue）指出的那樣：“愛因斯坦最大的貢獻之一就是建立了引力是以光速傳播的理論，而這一理論得以建立的思想根源可以追溯到赫茲那里.”［13］

3.2 光電效應(yīng)研究的重大意義

赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象引發(fā)了新一輪的研究熱潮，大量的科學(xué)家投身該領(lǐng)域，并且成果頻出.人們發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的發(fā)生有極限頻率，有瞬時性.赫茲的助手勒納德（P.Lenard）發(fā)現(xiàn)溢出電子的最大初速度與光強沒有任何關(guān)系.這些現(xiàn)象都無法用經(jīng)典物理學(xué)進行解釋.直到1905 年，愛因斯坦才用光量子理論，成功解釋了這些光電效應(yīng)的規(guī)律.光電效應(yīng)是光具有粒子性的重要證據(jù)，使人們對光本質(zhì)的認識更加深入.1921年，愛因斯坦“由于理論物理方面的貢獻和關(guān)于光電效應(yīng)的研究工作”獲得諾貝爾物理學(xué)獎.可以說，沒有赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)現(xiàn)象，這些成果也無從取得.

利用光電效應(yīng)原理制成的光電元件被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活、科學(xué)研究的許多方面.比如數(shù)碼照相機、巡航導(dǎo)彈目標定位用到的光電探測器，鋼鐵冶金、能源電力、食品衛(wèi)生用到的光電流光譜技術(shù)，農(nóng)業(yè)蟲害的防治用到的光電誘導(dǎo)殺蟲燈……這些應(yīng)用，今天乃至今后，都和我們的密切相關(guān).

3.3 無線電波的研究與通訊

赫茲的實驗對后來無線電波的研究與無線電通信的應(yīng)用也有重大作用.赫茲去世的那年，剛滿20 歲的意大利物理學(xué)家馬可尼（Guglielmo Marconi）在電氣雜志上了解到赫茲的實驗，這些實驗證明了電磁波的存在，而且說明電磁波是可以發(fā)射與接收的.從小就喜歡新事物的馬可尼，開始深入研究電磁波的通信.1895年，馬可尼成功進行了2.5 km 無線電波的傳送實驗，1899年他建立起了跨越英吉利海峽的法國和英國之間的無線電通信，無線電波的應(yīng)用逐漸登上歷史舞臺.無線電波的應(yīng)用深刻地影響人類的生產(chǎn)生活，從早期的電報、無線廣播等到今天的衛(wèi)星電視、雷達、手機……其應(yīng)用無處不在.19世紀末發(fā)明的無線電波通信技術(shù)，是通信技術(shù)上的一次飛躍，是人類科技史上的一個重大進步.可以說，沒有赫茲，就沒有今天這樣通信便捷的地球村.

4 結(jié)束語

兩簇火花引發(fā)了赫茲在電磁學(xué)方面的研究，而其研究結(jié)果也如星星之火般逐漸形成燎原之勢，最終照耀時代，澤被后世.1931年普朗克高度贊美了赫茲的貢獻，他說：“（使）麥克斯韋的推測成為事實，開始了一個實驗物理學(xué)和理論物理學(xué)的新世紀.”愛因斯坦也毫不吝嗇地贊賞赫茲：“偉大的革命永遠與法拉第、麥克斯韋和赫茲的名字相聯(lián)系.”這絕非溢美之詞.

為紀念赫茲對科學(xué)進步作出的偉大貢獻，用“赫茲”作為頻率的單位.這一單位蘊含了人們深深的敬仰之情.

“高山仰止，景行行止.雖不能至，心向往焉.”謹以此文紀念赫茲.