八年悬赏翘首以盼 电磁理论一朝收官——赫兹“电火花”实验

任炳杰

(江苏省白蒲高级中学，江苏 如皋 226511)

海因里希·鲁道夫·赫兹是著名德国物理学家,1857年生于德国汉堡市一个富裕的犹太人家庭,从小受到了良好的教育,23岁时师从于亥姆霍兹获得德国柏林大学博士学位,后成为卡尔斯鲁厄高等技术学院物理教授．赫兹在理论和实验领域均对物理学发展作出了杰出贡献,走在了当时电磁学、X射线、光电效应、阴极射线等研究领域的最前沿,其中又以发现电磁波和测量电磁波传播速度的“电火花”实验最为著名．本文从赫兹“电火花”实验的研究背景、实验原理、历史意义3个方面加以阐述．

1 实验的研究背景

18世纪中叶在库仑发现电力、磁力的平方反比规律的基础上,拉普拉斯、泊松等人建立了完整的静电理论．进入19世纪以后随着电流磁效应、电流热效应、电磁感应等电磁现象的陆续发现,物理学家们开始关注电磁现象的理论体系,试图仿照牛顿力学体系将上述电磁现象都纳入其中．安培遵循牛顿力学体系的思路建立了电动力学,韦伯和纽曼发展了安培的理论认为电磁现象是一种超距作用,形成了大陆派电动力学;与之对立的另一学派以法拉第为代表,构想出描绘电磁作用的“力线”图像,主张电磁现象是一种近距作用．

1856～1865的近10年间,麦克斯韦在前人工作的基础上,洞察了大陆电动力学的不协调因素,认识到超距作用的弱点;继承了法拉第的“力线”思想,坚定了近距作用的信念．同时又正确汲取了大陆电动力学的数学表达方式,在两种不同学说的争论中展开了电磁理论的研究,和牛顿一样在前人研究的基础上作出了伟大的历史突破,陆续发表了3篇题为《论法拉第力线》《论物理力线》《电磁场的动力学理论》关于电磁场理论的论文．麦克斯韦的电磁理论可以解释已发现的所有电磁现象,而且其数学形式简洁优美,仿佛是上帝之手写下的一首诗歌,符合物理学家们一贯的审美逻辑从而获得了高度评价,被誉为自牛顿建立经典力学体系以来物理学最伟大的成就．

麦克斯韦电磁理论虽然完美,但是未经实验验证的理论终究不能使人信服．1879年柏林普鲁士科学院颁布一项科学悬赏,以重金向当时科学界征求对麦克斯韦电磁理论的证明．麦克斯韦电磁理论包涵了一个伟大的预言,如果空间某区域中有周期性变化的电场,那么它会在空间引起变化的磁场;这个变化的磁场又会引起新的变化的电场……变化的电场和变化的磁场交替出现,由近及远传播开去,空间可能存在电磁波．不仅如此,麦克斯韦电磁理论还指出真空中电磁波的传播速度等于光速c,光本身就是一种遵循电磁规律传播的电磁波．基于上述背景赫兹在导师亥姆霍兹的鼓励下决定进行电磁波实验,因为找到电磁波就能证明麦克斯韦的电磁理论．

2 实验原理

赫兹证实电磁波存在的实验装置如图1所示,主要由发生器和接收器两部分组成．两个大铜球分别通过70 cm长的铜棒与两只小铜球连接,小铜球相对放置中间留有约0.75 cm的空隙,实际上组成了一个电容器．铜球表面仔细打磨光滑,两根铜棒分别用导线连接到电感线圈的两端,闭合开关给电感线圈通电时铜球电容开始充电,当电压上升至2×104V左右时,两个小铜球间的空气被击穿,出现短暂的放电电流,在暗室中能观察到一束美丽的蓝色电火花．每一次“电火花”的出现都会伴随能量损失,使得铜球电容两端的电压降低至击穿电压以下,直到电容器继续充电达到击穿电压,“电火花”再次出现,但是发生器中的“电火花”却不是赫兹想要观察到的实验现象．赫兹取2 mm粗的铜棒做成图1中的两个开口的长方形铜环,在其接口处同样连接两只小铜球,铜球间的间隙调节至适当宽度,实际上组成了电磁波的接收器．随着发生器不断击穿空气形成高频振荡的放电电流,赫兹将目光集中到不远处的接收器,开口处的小铜球间也同样激发出了“电火花”,一次、两次、三次、一闪而逝但千真万确．接收器是一个孤立系统,既没有连接发生器也没有能量来源,“电火花”的闪现只能有一个解释,电磁波真实存在于空间之中,正是电磁波激发了接收器上的“电火花”．赫兹成功地解决了这个8年前由柏林普鲁士科学院颁布的科学悬赏,虽然这个悬赏于1882年因为实在太难无人能解就已经失效了．

图1 赫兹的实验装置及简图

赫兹通过“电火花”实验证实电磁波存在以后,接下来证明麦克斯韦电磁理论最有说服力的实验就是直接测量电磁波的传播速度．依据麦克斯韦电磁理论,电磁波在真空中的传播速度等于光速c,要直接测量这么快的速度是非常困难的．赫兹在“电火花”实验的基础上,巧妙地利用波的叠加原理,成功地测出了电磁波的传播速度,成为赫兹电磁波系列实验中最具有代表性的杰作．

图2 测量电磁波速度的装置示意图

图3 前进波与反射波相遇

3 实验的历史意义

赫兹通过“电火花”实验全面证实麦克斯韦的电磁理论,并在理论上进行了进一步完善,揭示了电、磁、光现象在本质上的统一,建立了科学完整的电磁理论体系,成为物理学发展进程中一个划时代的里程碑,足以与牛顿建立经典力学理论体系相媲美．爱因斯坦曾经给予高度评价:“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来,物理学公理基础的最伟大变革,是由法拉第、麦克斯韦、赫兹在电磁现象方面的工作引起的”．[1]经典电磁理论大厦经由法拉第奠基、麦克斯韦建造主体、赫兹完成封顶之作,历经百年终于建成,它高耸入云、精美绝伦、宏伟辉煌,成为物理学发展历程中最具有代表意义的经典建筑．

赫兹“电火花”实验为人类无线电技术的发展开拓了道路,他的名字被定为频率单位永远镌刻于科学史的名人殿堂．1894年赫兹英年早逝,就在这一年一位正在度假的意大利青年古格列尔莫马可尼在电气杂志上读到了赫兹关于电磁波实验的论文．大受启发两年以后马可尼在公开场合进行了无线电通讯表演,不久成立马可尼无线电报公司并获得了专利,到了1901年也就是赫兹去世仅7年后,无线电报已经能够穿越大洋实现实时通信了．来自俄国的波波夫同样在无线电技术领域作出了重要贡献,如果说马可尼与波波夫将人类带入了崭新的“信息时代”,那么无疑是赫兹启发他们开始了物理学改变人类社会的奇妙旅程．

赫兹“电火花”实验为物理学新理论华丽登场埋下了重要伏笔．首先是麦克斯韦电磁理论的证实,使得物理学家对光的本性的认识得到扭转,在此之前受牛顿经典力学体系影响,光的粒子性占了上风,自此之后光的波动性绝地反击,光本身就是一种电磁波是对粒子性的最佳驳斥．更重要的是波动性也没能风光多久,短短几年后新的现象和理论风起云涌,光的波粒二象性呼之欲出．其次赫兹实验证实电磁波的传播速度等于光速c,成为电磁规律的重要组成部分,爱因斯坦敏锐地发现相对性原理与电磁规律无法调和的矛盾,在令人困惑的事实面前,爱因斯坦大胆提出了狭义相对论,从此将人类带入了一个崭新而奇妙的时空世界．