赫茲的實驗

1873年麥克斯韋發表《電磁學通論》時,赫茲還是一個16歲的中學生。當時德國和英國一樣,牛頓學說的習慣勢力根深蒂固,而法拉第和麥克斯韋理論否定了“超距作用”說,因此難於被人們接受。隻是個別的有識之士,窺見其中的價值。首先支持電磁理論的是奧地利物理學家玻爾茲曼,他曾想把麥克斯韋方程模型化、形象化,以便理解,但是這等於退回到法拉第那裏,因而這是沒有出路的。繼玻爾茲曼後是著名的德國物理學家亥姆霍茲,他是柏林大學物理學教授,1878年夏季他曾向學生們提出了一個物理競賽題目,要學生們用實驗方法來驗證麥克斯韋理論。

1880年赫茲畢業於柏林大學,畢業後任亥姆霍茲的助手,在老師的影響下,他對電磁學作了深入研究。他信服法拉第、麥克斯韋的物理思想,在一篇論文中曾寫道:“假使在通常的體係和麥克斯韋的體係中僅能選擇一個,那麼後者無疑的是占優勢的。”他決定用實驗來驗證麥克斯韋理論。

1883年,愛爾蘭教授菲茨傑拉德根據麥克斯韋理論作過一個推論:如果麥克斯韋理論正確,那麼萊頓瓶放電時,即產生了變化的電場,它應引起變化的磁場,這變化的電磁場向外傳播即形成電磁波,問題的關鍵是怎樣偵測出電磁波。赫茲經過反複試驗,在1886年發明了一個能收到電磁波的電波環。

他把一根粗銅線彎成環狀,環的兩端分別連著小球,球間距離可調,做成了一個檢測電磁波的電波環。赫茲把這個電波環放在萊頓瓶附近,隻要電波環尺寸和放置位置合適,在萊頓瓶放電時,電波環兩球間就有電火花閃現。這正是萊頓瓶放電時輻射的電磁波被環路所接收激起的電火花。1887年11月5日赫茲寄給亥姆霍茲一篇題為《論在絕緣體中電過程引起的感應現象》論文,總結了這個重要發現。接著他又證明了電磁波射到大金屬板上發生反射,並且有衍射、偏振等光波所具有的各種特征。赫茲於1888年1月將這些成果記載在《論動電效應的傳遞速度》一文中。麥克斯韋預言的電磁波和光的電磁理論為赫茲的實驗所證實。

赫茲實驗公布後,轟動了全世界科學界。由法拉第開創、麥克斯韋建立的電磁場理論經受了實踐的檢驗,向全世界宣告了自己的勝利。赫茲這一年恰好和麥克斯韋當初預見電磁波一樣也是31歲。麥克斯韋9年前已去世,可惜未能親眼看到這一天。更令人遺憾的是年輕的赫茲不幸於1894年1月1日去世,年僅37歲。這位青年物理學家生命是短暫的,但他的偉大功績載入史冊,永放光輝!

赫茲的實驗發現具有劃時代的意義,它不僅證明了電磁理論確是真理,更重要的是開辟了電子技術的新紀元。電磁波的發現所產生的巨大影響,連赫茲本人也沒有預料到。在他發現電磁波的第二年曾有人問他可否用來作無線電傳播,並很快投入實際應用。其它無線電技術,也像雨後春筍般湧現出來。

麥克斯韋電磁場理論是電動力學的核心,電磁學發展到電動力學即經典電磁場理論的大廈已基本完成。需要注意的是,電磁場理論雖然是經過實踐檢驗的真理,但它不是包羅萬象的。它能成功地解釋了宏觀電磁現象,卻不能解釋另一些電磁現象如黑體輻射、光電效應、放射性現象、高速帶電粒子的運動等等,這些問題從20世紀初誕生的新理論——量子論和相對論中才找到正確的解釋。

麥克斯韋電磁場理論不考慮量子效應,因此稱為“經典電磁場理論”。在本世紀20年代後,經典電磁場理論和電子理論開始與量子力學相結合而發展為量子電動力學,用來研究微觀電磁過程,即光子與電子間相互作用和相互轉變等問題很有成效。