照耀時代的“火花”
——海因里希·赫茲

蔣 敏 張小華

（西南大學附屬中學校，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家波波夫和助手雷布金將發射機安裝在森林學院的化學館里，接收機位于250 m 外的物理學會會議大廳里.雷布金拍發信號，波波夫接收信號，物理學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容的無線電報，它無聲地訴說著波波夫對海因里希·赫茲這位電磁波的發現者的崇高敬意.

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.

圖1 海因里希·赫茲

中學畢業的赫茲對工程有濃厚的興趣，1876年，赫茲離開家鄉進入德累斯頓工學院學習.不久后，他服了1年兵役.之后，轉入慕尼黑工學院，又轉入慕尼黑大學.在這期間，赫茲的興趣由工程轉向物理.1878年他進入柏林大學，得遇名師亥姆霍茲（H.von Helmholtz）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff）.亥姆霍茲創立了能量守恒定律，在熱力學、電動力學、光學、數學等領域中均有重大貢獻.基爾霍夫擅長電路設計、熱力學、化學等領域，21歲提出的基爾霍夫定律直到現在仍然是解決復雜電路問題的重要工具.名師指導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，獲得學會的獎勵，開始嶄露頭角.［3］

1880年，獲得博士學位的赫茲畢業后留校，在導師亥姆霍茲的研究所里當助手.1883年，到基爾大學擔任物理學講師.1885年復活節，赫茲受聘為卡爾斯魯厄大學的物理學教授.在這里，赫茲完成了使他聞名于世的關于電磁波的實驗工作.1889年，赫茲被任命為波恩大學的物理學教授，并接替克勞修斯擔任物理研究所所長.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，科學界痛失一位天才.

生命的最后幾年，也是赫茲科學生涯最輝煌的幾年.各種榮譽接踵而至.1888年，他獲得意大利科學學會的Matteucci獎章；1889年，他獲得巴黎科學院的La Caze獎金和維也納帝國科學院的Baumgartner獎金；1890 年獲得英國皇家科學院的Rumford獎章；1891年獲得都靈皇家科學院的Bressa獎金.他相繼被選為柏林科學院、慕尼黑科學院、維也納科學院、羅馬科學院、都靈科學院和巴洛格那科學院的通信院士以及很多學會的會員.［4］這些榮譽，赫茲實至名歸，當之無愧.

2 主要科學成就

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.當時，理論物理學家麥克斯韋已經從理論上預言了該觀點，但苦于沒有實驗驗證，大多數物理學家深表懷疑：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，但他們都是從技術角度去考慮，所以根本沒有意識到他們觀察到的現象就是電磁波現象，可謂“不識廬山真面目”.可見，實驗沒有與理論相結合，往往讓人與偉大發現失之交臂.

1879年夏天，柏林科學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極化之間的關系.可惜一直沒有人做成.1886年春，在一次演示實驗中，赫茲發現電容器的放電導致旁邊的一個線圈飛出了電火花.這一小簇火花轉瞬即逝，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象，而是開始深入研究.［5］

赫茲專門設計了實驗裝置，如圖2 所示，兩銅板A、A′分別焊接銅棒，銅棒前端有小銅球，將銅棒接到感應線圈兩端，構成電磁波發射器.接收器B 由一個圓形導線構成，導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 挪近發射器，精細地調整接收器到合適的位置，終于，功夫不負有心人，赫茲驚喜地發現，當發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，卻一掃之前關于電磁波是否存在的疑慮，照亮了科學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

關于電磁波的新世界的大門已經打開，赫茲的研究一發不可收.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在《論動電效應的傳播速度》一文中.

2.2 發現光電效應

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，經過幾個月的工作，赫茲發現這個現象產生的原因不是電磁的屏蔽效果，也與可見光無關，而與紫外線有關.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的研究成果寫成論文《紫外線對放電的影響》發表在《物理學年鑒》上.1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯（W.Hallwachs）用另外的實驗驗證了赫茲的結論，推廣了赫茲在光電效應方面的研究成果.［8］

2.3 其他成就

赫茲不僅是位卓越的實驗物理學家，同時也是非常杰出的理論物理學家.經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推導出麥克斯韋方程組.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、優雅的表達式，使物理學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，澄清了德國物理學家對麥克斯韋電磁場理論的模糊認識.正如物理學家索末菲（Arnold Sommerfeld）所說，在閱讀赫茲的文章后“籠罩的陰影被驅散了”，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《力學原理》3本著作，其中《力學原理》展現了他在力學研究領域的非凡才能.在《力學原理》中，赫茲主張“追尋自然現象的根源于力學原理，”試圖從一個最基本的定律出發推演其他所有力學規律.亥姆霍茲為赫茲的《力學原理》所寫的序言中這樣評價：“……無論從哪一方面講，他所著的《力學原理》是一本最具有創造性并以最完美的數學形式表達的合乎邏輯的力學系統的介紹，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價值.它將是發現各種自然力的新的和普遍的各種特性的指南.”［2］

赫茲的研究領域非常廣泛，他研究過電設備的高頻輻射屏蔽；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結構的研究奠定的物質基礎.［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 對科學發展的影響

3.1 電磁學理論的建立

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

赫茲發現光電效應現象引發了新一輪的研究熱潮，大量的科學家投身該領域，并且成果頻出.人們發現光電效應的發生有極限頻率，有瞬時性.赫茲的助手勒納德（P.Lenard）發現溢出電子的最大初速度與光強沒有任何關系.這些現象都無法用經典物理學進行解釋.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的規律.光電效應是光具有粒子性的重要證據，使人們對光本質的認識更加深入.1921年，愛因斯坦“由于理論物理方面的貢獻和關于光電效應的研究工作”獲得諾貝爾物理學獎.可以說，沒有赫茲發現的光電效應現象，這些成果也無從取得.

利用光電效應原理制成的光電元件被廣泛應用到生產生活、科學研究的許多方面.比如數碼照相機、巡航導彈目標定位用到的光電探測器，鋼鐵冶金、能源電力、食品衛生用到的光電流光譜技術，農業蟲害的防治用到的光電誘導殺蟲燈……這些應用，今天乃至今后，都和我們的密切相關.

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，無線電波的應用逐漸登上歷史舞臺.無線電波的應用深刻地影響人類的生產生活，從早期的電報、無線廣播等到今天的衛星電視、雷達、手機……其應用無處不在.19世紀末發明的無線電波通信技術，是通信技術上的一次飛躍，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 結束語

兩簇火花引發了赫茲在電磁學方面的研究，而其研究結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和理論物理學的新世紀.”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系.”這絕非溢美之詞.

為紀念赫茲對科學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.