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        赫茲與電磁波

        2012-04-29 00:44:03
        大眾科學(xué) 2012年5期
        關(guān)鍵詞:銅球麥克斯韋電火花

        故事要從1887年的德國(guó)開(kāi)始。位于萊茵河邊的卡爾斯魯厄是一座風(fēng)景秀麗的城市,在它的城中心,矗立著著名的18世紀(jì)的宮殿。郁郁蔥蔥的森林和溫暖的氣候也使得這座小城成為了歐洲的一個(gè)旅游名勝。然而這些怡人的景色似乎沒(méi)有分散海因里希·魯?shù)婪颉ず掌澋淖⒁饬Γ含F(xiàn)在他正在卡爾斯魯厄大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里專(zhuān)心致志地?cái)[弄他的儀器。那時(shí)候,赫茲剛剛30歲,也許不會(huì)想到他將在科學(xué)史上成為和他的老師赫耳姆霍茲一樣鼎鼎有名的人物,不會(huì)想到他將和卡爾·本茨一樣成為這個(gè)小城的驕傲?,F(xiàn)在他的心思,只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。

        赫茲的裝置在今天看來(lái)是很簡(jiǎn)單的:它的主要部分是一個(gè)電火花發(fā)生器,有兩個(gè)相隔很近的小銅球作為電容。赫茲全神貫注地注視著這兩個(gè)相對(duì)而視的銅球,然后合上了電路開(kāi)關(guān)。頓時(shí),電的魔力開(kāi)始在這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來(lái):無(wú)形的電流穿過(guò)裝置里的感應(yīng)線圈,并開(kāi)始對(duì)銅球電容進(jìn)行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置,在心里面想象著電容兩段電壓不斷上升的情形。在電學(xué)的領(lǐng)域攻讀了那么久,赫茲對(duì)自己的知識(shí)是有充分信心的,他知道,隨著電壓的上升,很快兩個(gè)小球之間的空氣就會(huì)被擊穿,然后整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)形成一個(gè)高頻的振蕩回路(LC回路),但是,他現(xiàn)在想要觀察的不是這個(gè)。

        果然,過(guò)了一會(huì)兒,隨著細(xì)微的“啪”的一聲,一束美麗的藍(lán)色電花爆開(kāi)在兩個(gè)銅球之間,整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)完整的回路,細(xì)小的電流束在空氣中不停地扭動(dòng),綻放出幽幽的熒光。

        赫茲反而更加緊張了,他盯著那串電火花,還有電火花旁邊的空氣,心里面想象了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個(gè)裝置如何產(chǎn)生火花短路,他這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的,是為了求證那虛無(wú)飄渺的“電磁波”的存在。那是一種什么樣的東西啊,它看不見(jiàn),摸不著,到那時(shí)為止誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò),驗(yàn)證過(guò)它的存在??墒?,赫茲是堅(jiān)信它的存在的,因?yàn)樗躯溈怂鬼f理論的一個(gè)預(yù)言。而麥克斯韋理論……哦,它在數(shù)學(xué)上簡(jiǎn)直完美得像一個(gè)奇跡!仿佛是上帝的手寫(xiě)下的一首詩(shī)歌。這樣的理論,很難想象它是錯(cuò)誤的。赫茲吸了一口氣,又笑了:不管理論怎樣無(wú)懈可擊,它畢竟還是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的呀。他站在那里看了一會(huì)兒,在心里面又推想了幾遍,終于確定自己的實(shí)驗(yàn)無(wú)誤:如果麥克斯韋是對(duì)的話,那么在兩個(gè)銅球之間就應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)振蕩的電場(chǎng),同時(shí)引發(fā)一個(gè)向外傳播的電磁波。赫茲轉(zhuǎn)過(guò)頭去,在實(shí)驗(yàn)室的另一邊,放著一個(gè)開(kāi)口的銅環(huán),在開(kāi)口處也各鑲了一個(gè)小銅球。那是電磁波的接收器,如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話,那么它就會(huì)穿越這個(gè)房間到達(dá)另外一端,在接收器那里感生一個(gè)振蕩的電動(dòng)勢(shì),從而在接收器的開(kāi)口處也激發(fā)出電火花來(lái)。

        實(shí)驗(yàn)室里面靜悄悄地,赫茲一動(dòng)不動(dòng)地站在那里,仿佛他的眼睛已經(jīng)看見(jiàn)那無(wú)形的電磁波在空間穿越。銅環(huán)接受器突然顯得有點(diǎn)異樣,赫茲簡(jiǎn)直忍不住要大叫一聲,他把自己的鼻子湊到銅環(huán)的前面,明明白白地看見(jiàn)似乎有微弱的火花在兩個(gè)銅球之間的空氣里閃爍。赫茲飛快地跑到窗口,把所有的窗簾都拉上,現(xiàn)在更清楚了:淡藍(lán)色的電花在銅環(huán)的缺口不斷地綻開(kāi),而整個(gè)銅環(huán)卻是一個(gè)隔離的系統(tǒng),既沒(méi)有連接電池也沒(méi)有任何的能量來(lái)源。赫茲注視了足足有一分鐘之久,在他眼里,那些藍(lán)色的火花顯得如此地美麗。終于他揉了揉眼睛,直起腰來(lái):現(xiàn)在不用再懷疑了,電磁波真真實(shí)實(shí)地存在于空間之中,正是它激發(fā)了接收器上的電火花。他勝利了,成功地解決了這個(gè)8年前由柏林普魯士科學(xué)院提出懸賞的問(wèn)題;同時(shí),麥克斯韋的理論也勝利了,物理學(xué)的一個(gè)新高峰--電磁理論終于被建立起來(lái)。偉大的法拉第為它打下了地基,偉大的麥克斯韋建造了它的主體,而今天,他——偉大的赫茲——為這座大廈封了頂。

        赫茲小心地把接受器移到不同的位置,電磁波的表現(xiàn)和理論預(yù)測(cè)的絲毫不爽。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),赫茲得出了電磁波的波長(zhǎng),把它乘以電路的振蕩頻率,就可以計(jì)算出電磁波的前進(jìn)速度。這個(gè)數(shù)值精確地等于30萬(wàn)公里/秒,也就是光速。麥克斯韋驚人的預(yù)言得到了證實(shí):原來(lái)電磁波一點(diǎn)都不神秘,我們平時(shí)見(jiàn)到的光就是電磁波的一種,只不過(guò)它的頻率限定在某一個(gè)范圍內(nèi),而能夠?yàn)槲覀兯?jiàn)到罷了。

        無(wú)論從哪一個(gè)意義上來(lái)說(shuō),這都是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)。古老的光學(xué)終于可以被完全包容于新興的電磁學(xué)里面,而“光是電磁波的一種”的論斷,也終于為爭(zhēng)論已久的光本性的問(wèn)題下了一個(gè)似乎是不可推翻的定論。電磁波的反射、衍射和干涉實(shí)驗(yàn)很快就做出來(lái)了,這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地證實(shí)了電磁波和光波的一致性,無(wú)疑是電磁理論的一個(gè)巨大成就。

        赫茲的名字終于可以被閃光地鐫刻在科學(xué)史的名人堂里。可是,作為一個(gè)純粹的嚴(yán)肅的科學(xué)家,赫茲當(dāng)時(shí)卻沒(méi)有想到他的發(fā)現(xiàn)里面所蘊(yùn)藏的巨大的商業(yè)意義。在卡爾斯魯厄大學(xué)的那間實(shí)驗(yàn)室里,他想的只是如何可以更加靠近大自然的終極奧秘,根本沒(méi)有料到他的實(shí)驗(yàn)會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)怎么樣的時(shí)代革命。赫茲英年早逝,還不到37歲就離開(kāi)了這個(gè)他為之醉心的世界。然而,就在那一年,一位在倫巴底度假的20歲意大利青年讀到了他的關(guān)于電磁波的論文;兩年后,這個(gè)青年已經(jīng)在公開(kāi)場(chǎng)合進(jìn)行了無(wú)線電的通訊表演,不久他的公司成立,并成功地拿到了專(zhuān)利證。到了1901年,赫茲死后的第7年,無(wú)線電報(bào)已經(jīng)可以穿越大西洋,實(shí)現(xiàn)兩地的實(shí)時(shí)通訊了。這個(gè)來(lái)自意大利的年輕人就是古格列爾莫·馬可尼。與此同時(shí)俄國(guó)的波波夫也在無(wú)線通訊領(lǐng)域做了同樣的貢獻(xiàn)。他倆掀起了一場(chǎng)革命的風(fēng)暴,把整個(gè)人類(lèi)帶進(jìn)了一個(gè)嶄新的“信息時(shí)代”。(摘自《量子物理史話》)

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