赫茲
一、聰明的少年
1857年2月22日，對很多人來說是極普通的一天，但德國漢堡市的赫茲律師一家卻會永遠記住這個日子。這一天赫茲先生的長子來到了人間。這個給全家帶來極大歡樂的小天使，後來成為名揚世界的著名物理學家，他的名字叫亨利希·魯道夫·赫茲。
赫茲家屬於富裕的市民階層，家庭條件優越。赫茲律師是一位進取心很強的人，他後來當上了漢堡市的參議員，並成為一個地區司法局的長官。他對兒子寄予了很大希望，在培養和教育上傾注了大量心血。
令父母感到欣慰的是，亨利希·赫茲很早就顯示出是一個可造之材。
在學校中，亨利希·赫茲是班裏的優秀生之一。他天資聰穎、悟性出眾，具有很強的邏輯思維能力和記憶力；尤其難能可貴的是，他出色的天賦和強烈的求知欲望緊密地結合在了一起，幾乎一切課程都引起了他強烈的學習興趣。數學和自然科學強烈地吸引著他，他對此興致勃勃並取得了很好的成績。除了學習課本上的知識外，他還養成了動手操作的好習慣，進行了簡單的自然科學實驗。他特別愛好做力學和光學方麵的實驗。這種把動手與動腦結合起來的習慣，對他一生的科學實踐有積極的影響。
亨利希·赫茲還非常喜愛繪畫，並且具有素描畫家的才能和功底，他曾在一所美術學校中學習過。他對語言文字的興趣也非常濃厚，無論古代的現代的都廣泛涉獵，對文學名著則盡可能地背誦下來。荷馬史詩、柏拉圖對話及但丁的原文詩伴隨了他整個一生。他學習外語的能力也讓人歎服不已。除了意大利語、法語和英語外，他還學習了一些並非必修的語言，並取得了極好的成績。如“他學習阿拉伯語的成績就極為驚人，以致於任課教師非常嚴肅認真地去找他父親談話，建議他一定要讓兒子去學習東方學，因為亨利希是他所遇到的對學習阿拉伯語言最具才能的學生。
並非隻有阿拉伯語老師一人對亨利希·赫茲的前途出謀劃策，他的木工師傅也為他設計出了一個發展方向。赫茲很早就表現出對技能和技術的愛好，在課餘時間，自願向一位細木工學習技藝，還按照職業水平的要求學習車工技術。父母沒有限製他的這一興趣，而且還應他的要求買了一台車床。小赫茲在明師的指點下，苦練功夫，車工技術提高很快。木工師傅對徒弟的進步非常驚訝和高興，曾對赫茲的父母說，亨利希一定會成為一個優秀的車工的。
當然，赫茲並不是具有各方麵的聰明才智，也不是所有的人都喜歡他。他在音樂上就毫無天賦可言。音樂老師為了挖掘他的潛力曾下了很大功夫，但最後終於明白了他在音樂方麵毫無潛力可挖。因此，赫茲不但無法加入學校的合唱隊，即使是音樂課上練合唱時他也往往被老師“請”到教室外旁唱，因為一旦有他參加，本該優美動聽的童聲合唱便“哎啞啁哳”難為聽了。
但全麵衡量亨利希·赫茲的表現，老師們還是一致認為他是一位優秀的學生。1875年，赫茲在約翰奈斯中學獲得了畢業證書，學校對他總的評語是具有敏銳的邏輯、可靠的記憶和靈巧的敘述能力；數學成績是優，自然科學是良，其他課程也是優或良。
二、棄工學理
比起阿拉伯語老師和木工師傅來，赫茲的父母當然更關心他的前途。從約翰奈斯中學畢業時，赫茲已經18歲了，到了規劃前程的時候了。父母認為兒子的種種表現和才能，顯示了他更適於成為一個建築工程師或建築學家——在這一點上，赫茲父子的想法是相同的。赫茲也希望自己能成為一名工程師，因為他喜歡這個行業；雖然他也同樣喜歡數學和自然科學，但他不相信自己有研究理論自然科學的能力。為了更好地進行理理學習，赫茲先進入了法蘭克福市設計局從事實際工作，以便為他所選擇的職業做準備。
在法蘭克福市設計局，赫茲確實受到了鍛煉，學到了很多新的工程學知識。1876年春，他離開了法蘭克福，前往德累斯頓市，進入了高等技術學校工程部，學習工程科學。雖然如願以償，但赫茲很快發現自己選擇的職業並沒有如想象的那樣吸引他。測量、繪圖、結構，……這些大量的日常課程讓他感到枯燥無味，興趣索然。難道自己將要從事的職業會是這個樣子嗎？
1876年秋天，正趕上帝國征兵，剛入學一個學期的赫茲作為工程部的大學生應征入伍，在柏林的鐵道兵團服一年的兵役，從校院到兵營，環境有了很大改變，但赫茲仍未感到輕鬆和愉快。兵營就像一台高速運轉的機器，每天重複著幾乎相同的內容，操練、行軍，行軍、操練。機械的訓練使赫茲感到很壓抑，心情非常沉悶。好在他有很強的適應環境的能力，不久就習慣了這種單調的生活節奏。他以一種積極向上的態度重新審視這種兵營生活，發現自己已經得到了鍛煉，並從中獲得了益處。幾個月後，他在給父母的一封信中以達觀的心情闡述了自己的這一發現，他說：“畢竟服役也給人某種肯定無疑的，個性從一個人身上真正被取締了；現在顯而易見，塞翁失馬，安知非福？”
有了這種心情和態度，餘下來的兵營生活的時光也就不顯得漫長和枯燥了。1877年秋天，赫茲結束了服役生活，前往慕尼黑，進入那裏的高等技術學校繼續學習工程科學。
赫茲本來就是一個興趣廣泛、求知欲旺盛的青年，再加上他已對工程科學的愛好有所下降，因此在慕尼黑高等技術學校裏他並沒有對自己選擇的職業情有獨鍾，仍然對一切新知識一視同仁，廣泛學習。他選修了菲力浦·馮·約裏的物理課和數學課。約裏是著名的物理學家和數學家，他對物理學有一種在當時頗有代表性的認識。他向學生們說，物理學是一門高度發展的、幾乎是盡善盡美的科學；作為一個科學體係，它建立得非常牢固，已經沒有什麼本質上的新東西有待發現了。但他對數學領域的發展前景作了一番輝煌的描繪。約裏的課，使赫茲對原來的選擇漸漸失去了熱情，他在內心裏產生了一個堅定的信念：隻有科學工作和學術活動才能使他真正的心滿意足。
經過認真地思考，赫茲決定棄工學理。他把自己的想法和決定寫信告訴了父母。“我非常樂意成為一名工程師”。他寫道，“但我同樣樂意成為一名裝訂工人或者車工，總而言之，我樂意成為文明者的行列中的任何人。但是，在‘樂意’和‘樂意’之間畢竟還是有程度之別的”。赫茲告訴父母，經過慎重的權衡比較，自己更樂意成為一名科學工作者。正如赫茲所預料的那樣，開明的父親很快複信，對他新的選擇表示讚同。就這樣，赫茲中斷了工程學的學習，專心致誌地在大學中攻讀物理學和數學。
菲裏浦·馮·約裏教授對赫茲給予了極大的幫助，他從基礎抓起，向這位求知欲極強的大學生介紹了一些數學方麵的基本著作，如拉格朗日、拉普拉斯及精密科學其他經典作家的著作，讓他潛心學習、認真研究，約裏還建議赫茲注意自然科學史，因為這有助於理解和研究自然的迫切問題。
對約裏的指導和建議，赫茲認真對待並嚴格執行。他在很短的時間內細致地研究了大量的科學史著作。他特別頑強地研究了數學和數學問題史。這些準備工作，為他以後的研究與開拓打下了堅實的基礎。另外，赫茲還深入鑽研了一些老的科學雜誌，對過去的很多科學發現有了係統的了解。在了解前人的發明創造後，常會產生一種複雜的想法：一方麵對前人的聰明才智和艱辛勞動深表敬佩；另一方麵又感到前人生活的時代充滿了很多的未知領域和新鮮事物，他們的創造領域很寬，由於他們的努力，世界被人類更多地了解和征服了，這同時也使我們後來人失去了英雄用武之地，因此已不可能再像前人一樣創造輝煌的業績。這種想法顯然是幼稚的單純的，但卻具有普遍性，年輕的赫茲就有過這樣的想法。他曾在一封信中寫道：“有時我真感到遺憾，我未能生活在那充滿許許多多新鮮事物的時代。其實，就是現在也有足夠多的未知事物，但我不認為現在可以輕而易舉地找到可能改變整個世界觀體係的任何東西，就像在望遠鏡和顯微鏡還是新奇之物的那個時代一樣。”
對於未知世界的認識，古希臘哲學家芝諾有一個很形象的比喻。他說，人的知識好比是一個圓，未知世界就是圓所接觸的外部麵積；人的知識越豐富，圓的麵積越大，圓所接觸的外部麵積也隨之增大，即感覺到未知的東西也就越多。隨著學習的深入，赫茲感到有更多的知識需要學習和掌握。能滿足他這種求知欲望的最好學府，無疑是位於帝國首都的柏林大學，那裏有世界著名的數學和實驗物理學專家赫爾姆霍茨和基爾霍夫，在他們的指導下他可以更好地完成學業。
1878年10月，赫茲離開了慕尼黑和菲裏浦·馮·約裏教授，進入柏林大學，成為赫爾姆霍茨的學生。
三、前人的成就
進入柏林大學並成為赫爾姆霍茨的學生，對赫茲的一生來說意義重大，他從此走上了成為世界著名物理學家的道路。在敘述赫茲的成長和成就之前，我們來對前人的科學成就作一個回顧。
18世紀後期，法國物理學家庫侖曾對電學和磁學做過深入細致的研究，發表了大量科學著作，產生了深刻的影響。庫侖曾提出一個論斷，即電和磁是完全不相同的物理實體。這一論斷在科學家的思想中根深蒂固，以致於在意大利科學家伏打於1800年發明了伏打電池後很長時間，各國的科學家都沒有想到利用這種恒穩持續的電源去尋找一下電和磁的關係，因為人們從未對庫侖的論斷產生過疑問。
當然也有例外，丹麥科學家奧斯特就對庫侖的論斷心存疑竇。他根據德國古典哲學家康德的自然力都有一個共同的根源的哲學原理，始終堅信電和磁不是相互獨立的，兩者之間必定存在著一種關係，隻是這種關係人類尚未發現。為此，他借助伏打電池長期進行研究與探索，終於在1820年發現電流可以將磁針推向與電流垂直的位置。對於這種電流磁效應，奧斯特用“電碰撞”來解釋，即在電流周圍存在著一種環形運動的力，它可以穿透非磁性物質，但不能穿過磁體，一旦碰上磁體就會發生撞擊，致使磁體的軸體的軸轉到與電流相垂直的方向。奧斯特的發現在當時引起了極大轟動，法國物理學家接受了他的發現，但拒絕了他對此的解釋。
在奧斯特宣布了他的發現後不幾天，法國物理學家安培也做了相同的實驗，但他認為這種電流磁效應並不是電碰撞的結果。當時法國物理學界正流行超距論理論，即認為一切物理現象都是粒子間的吸引或排斥的力學現象。安培通過實驗證明，兩根載流導體可以相互吸引或排斥。他將電流的這種力稱為“電動力”，意即由電流產生的動力。他還用實驗證明，兩個螺線管如通有電流，它們將像兩根磁棒那樣產生相互作用。由此安培認為，磁體之所以會相互作用，即相互吸引或排斥，並不是因為它們具有什麼磁性粒子，而是因為它們當中存在電流，一根磁棒中的電流作用於另一根磁棒中的電流，於是便產生了磁棒之間的吸引力或排斥力。安培認為，磁就是電流或運動中的電。在這個基礎上，安培創立了他的超距電動力學。由於這個學說具有數學上的美及其內含的實體高度統一的優點，因此被很多物理學家接受，在歐洲大陸極為流行。然而不久，安培的學說也遇到了難題。1822年，安培的同事阿拉戈在用磁針振蕩法測量大地磁場強度時，發現金屬可以阻尼磁針的振蕩，用現有的電磁學理論他無法解釋這種現象。阿拉戈認為這是一個新的發現，於是就根據這個現象做了一個銅圓盤實驗，以期引起人們的興趣。他裝置了一個可以旋轉的銅圓盤，盤的正上方懸吊著一根磁針，當圓盤旋轉時，磁針跟著旋轉。對此，安培用他的超距論電動力學作了解釋：當圓盤開始旋轉後，它就分離出正、負兩種電粒子，電粒子運動形成電流，這種電流與磁針中的分子電流相互作用便形成了磁針轉動的動力。安培的理論好像能夠說明圓盤旋轉帶動磁針轉動的現象，但都無法解釋為什麼磁針先行轉動而圓盤也能隨之旋轉的原因。
1831年，英國物理學家法拉第對安培的超距論電動力學提出了第一次批判。法拉第沒有受各種特設的電和磁的實體的局限，大膽想象，探索電和磁的各種可能的關係。當時，許多人認為奧斯特發現的電流磁效應是所有電磁關係中的唯一的基本內容，但法拉第卻不這樣認為。他根據對稱性這個普遍的自然法則斷定，既然奧斯特發現的電流磁效應是客觀存在的規律，那必須會存在與此相對應的逆效應，即磁感生電流的效應。法拉第認為，阿拉戈的實驗正是體現了磁感生電流的效應。通過大量實驗，法拉第認識到，在電流或磁體周圍的空間存在著一種力的狀態，這種力態一經改變或受到擾動，便能使處於這個空間的金屬感生出電流。他據此圓滿地解釋了阿拉戈的實驗：由於銅圓盤的運動擾動了磁針建立的空間穩定的力態，使它自身感生出電流，這種電流與磁針的相互作用便形成了帶動磁針運動的力；如果磁針先運動，它產生的空間力態不斷地變化，也使圓盤產生電流，從而帶動圓盤旋轉。在研究的基礎上，法拉第總結出了電磁感應定律，達到了前人未有的認識。法拉第在處理電磁感應現象時已初步用到了場的概念；而缺乏對電流周圍的空間——場的考慮，恰恰是安培理論的一個弱點。1837至1838年，法拉第在研究靜電感應現象時，初步提出了場的概念。在以後的研究中，他又提出了電磁場理論。
法拉第電磁感應定律的發現，在信奉安培超距電動力學的歐洲大陸引起了極大震動，超距論者不得不對安培的理論作些修改，以便能夠解釋他們原來無法解釋的現象。1845年，德國物理學家紐曼將安培分子電流假說推廣到宏觀電流的情況，並在此基礎上總結出法拉第電磁感應定律，試圖將超距論電動力學與法拉第的電磁學統一起來。第二年，德國的另一位物理學家韋伯提出一種假說，即認為導線中的電流是由正、負電粒子在兩個方向上的運動構成的，並在牛頓引力公式基礎上建立了韋伯電作用公式。韋伯認為，他的電動力學可以推導出安培電動力學推導不出的電磁感應現象，因此比安培的理論具有更廣泛的代表性。紐曼和韋伯的理論，被稱為德國電動力學體係，是對安培理論的發展，因此在歐洲大陸風靡一時。但德國電動力學體係和安培的電動力學具有相同的弱點，仍然缺乏場的概念，沒有考慮電磁場空間的作用。
在遠離歐洲大陸的法拉第的祖國——英國，超距論電動力學在電磁學中漸趨勢微，出現了電磁場論的電磁學派，做出這一巨大貢獻的是英國偉大的數學家和物理學家麥克斯韋。法拉第的重大發現和電磁學理論，深深地吸引著麥克斯韋。尤其使他感到驚奇的是，法拉第雖然不是數學家，但他提出的電磁學概念含有豐富的數學思想。麥克斯韋決心用數學符號和公式將法拉第的場論思想總結出來，得到一種處理電磁場的動力學方法。法拉第的工作，成了麥克斯韋研究的出發點。麥克斯韋應用高度完善的數學方法把法拉第的電磁學理論“轉換”成數學形式，同時使之更加準確和擴大，成為臻於完善的電動力學理論。1861年，麥克斯韋提出電位移和位移電流的概念，對超距論電動力學提出了第二次批判。在隨後的研究中，他從理論上預言電磁波的存在，用純數學的方法得出結論：在虛無的空間內存在著電磁波，電磁波的傳播速度與真空中的光速相同。麥克斯韋用他那些著名的微分方程以最高超的獨創性概括了許多電磁現象，開創了電的世紀；他的公式以簡便和完善的特點，受到大多數數學家和物理學家的讚歎。
但是，麥克斯韋的理論最初也隻是作為一種新穎大膽的假說而被人們接受。這種假說看來是十分可能的，並且有許多現象都有利於證明這種假說；然而麥克斯韋卻沒有能用實驗的途徑檢驗其電磁理論和光理論的正確性，並且這種理論的基本原理與人們已經接受的傳統觀點太矛盾了，因此多數物理學家對這種理論是否反映事物的本質表示懷疑。但是，在德國電動力學頗為流行時，德國物理學家赫爾姆霍茨卻傾向於相信麥克斯韋的理論。
四、名師與高徒
海爾曼·馮·赫爾姆霍茨是德國著名的生理學家、物理學家和數學家。他是醫生出身，曾經研究過色視覺的規律，在研究動物生理和動物熱的過程中獨自發現了能量守恒和轉化定律。他首先用數學概括機械守恒定律，然後證明自然界的各種能量都服從這一定律，充分地闡述了能量守恒和轉化定律的普遍意義。能量守恒和轉化定律的建立在科學和哲學上都有劃時代的意義，它不僅是辯證自然觀的自然科學基礎，而且是物理學乃至全部自然科學的基石，是自然界少數幾條最基本、最重要的自然規律之一。雖然為發現這一自然規律做出了貢獻的科學家有許多，但赫爾姆霍茨無疑是其中的佼佼者，因此赫茲曾稱他是“德國的第一個自然科學家”。從1870年開始，赫爾姆霍茨運用能量守恒和轉化定律研究電磁學，並著手統一紐曼、韋伯與麥克斯韋的理論，但他很快就發現，韋伯的理論與能量守恒定律相矛盾。隨後，赫爾姆霍茨與韋伯之間展開了論戰，歐洲大陸的電學家們也由此逐步熟悉了麥克斯韋的理論。
就在這種情況下，亨利希·赫茲進入了柏林大學，成為了赫爾姆霍茨的弟子。
柏林是當時德國的政治、文化和科學研究的中心，是求知者的聖地。赫茲懷著激動和崇敬的心情來到這座科學的聖殿裏，像一個虔誠的信徒，深深地為這裏的學術氣息所折服。他在給父母的一封信中說：“人們懷著敬畏的心情看待本地的博士們，我也總覺得他們不同於其他任何地方的博士。”他還在一封信中向父母生動地描述了柏林大學濃厚的學習氣氛：“教授們在過於窄小的課堂中講課（想必是沒有大的課堂），這樣，經常是課堂擁擠，座無虛席，還有許多人站著聽課。大家見過鐵路售票處常常排成三列縱隊，而在我們這裏人們不得不排成十列縱隊通過大學的前廳擠進課堂。”
在這種環境裏，赫茲的學習熱情更加高漲起來，他如饑似渴地汲取著赫爾姆霍茨和其他老師傳授的知識。
赫爾姆霍茨不僅善於發現科學規律，而且善於發現科學研究人才。他很快以科學家的敏銳眼光發現了赫茲身上具有的非凡天賦和卓越才能，決心盡自己的努力幫助他、培養他。當時，赫爾姆霍茨正好接受了一項為哲學係的大學生們出物理競賽題目的任務（那時哲學和自然科學緊密相聯，科學家的許多重大發現都是在哲學的指導下完成的，哲學的許多原則也是在物理學發現的基礎上確立的），他選擇了電動力學的問題。在當時德國的電動力學領域內，韋伯的觀點占據著統治地位。韋伯認為，電的流動是一種特殊形式的慣性，這種慣性和固體所固有的慣性相類似。赫爾姆霍茨對此持懷疑態度。他針對韋伯的觀點提出了競賽題目：用實驗證明，沿導線運動的電荷，作為電流來說，到底是否具有韋伯所說的慣性。赫爾姆霍茨對這次競賽的實驗還是很重視的，因為一旦證明韋伯的理論有誤，將對確立法拉第—麥克斯韋的電理論具有積極意義。令他高興的是，新入學的赫茲對這項工作表現出了極大的興趣。於是，在赫爾姆霍茨的支持下，赫茲參加了這項競賽實驗。
赫茲的工作地點，是位於國會大廈附近的物理研究所，該所是按照赫爾姆霍茨的計劃興建的，擁有良好的實驗設備。在這裏，赫茲初步感受到了科學研究的神聖和樂趣。為進行研究工作所必需的全部儀器設備都由他支配；研究所的領導親自照顧他，向他提出建議；赫爾姆霍茨每天都到這裏待幾分鍾，了解一下工作的進展，做一點簡單的指導，但又從不把自己的思維方式強加於他。真是名師出高徒，赫茲順利地完成了哲學係的競賽任務，但實驗並沒有發現根據韋伯理論本應發現的那種形式的慣性質量，這種結果是與當時占統治地位的電動力學相矛盾的。
赫茲的實驗結果讓赫爾姆霍茨感到高興，尤其令他高興的是，赫茲在研究中並沒有局限於競賽題目，而超越了競賽的範圍。赫爾姆霍茨認為，這些實驗向赫茲顯示了前所未聞的電的流動性，並幫助他找到了一條即將引導他通向重大發現的道路。以後的事實確實證明了這一點。
1879年夏季學期期末，在柏林大學的大禮堂內舉行了一次隆重的授獎儀式。為了表彰赫茲在物理學競賽中取得的成就，柏林大學校長、唯心主義哲學家愛德華·策勒爾教授將一枚金質獎章授予了他。這是赫茲得到的第一個科學獎賞，也是他成為世界著名物理學家邁出的成功的第一步。