电磁波——赫兹，一个简单的电火花装置证明了麦克斯韦的预言
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麦克斯韦在1864年用方程预言了电磁波的存在，还算了它的速度——恰好等于光速。他还写道：“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动。” 文章发表了，方程写出来了，预言也下了。 然后呢？ 然后就没有然后了。 接下来的十几年里，物理学家们对麦克斯韦的方程反应冷淡。一部分人读不懂，一部分人不相信——因为没有实验证据。他的理论更像是图书馆里一本无人问津的晦涩著作。 唯一始终惦记着这个问题的，是他在德国的一位同行——物理学家亥姆霍兹。亥姆霍兹曾试图用实验证明电磁波的存在，但没能成功。 1878年，柏林科学院提出了一项关于电动力学理论的重要悬赏课题，亥姆霍兹把这个题目告诉了自己的学生——一个叫赫兹的年轻人。 赫兹接下了这个题目。 他当时并不知道，这个实验会把他推向一个谁也没见过的发现，因为他一开始并不相信麦克斯韦。 一、一个并不相信麦克斯韦的年轻人 海因里希·赫兹，1857年出生在德国汉堡。和法拉第那种穷苦出身不同，赫兹的家庭条件不错，父亲是律师，后来当了议员。 赫兹的成长轨迹并非一条直线。1875年，他通过德国大学入学考试后，先去法兰克福当建筑师学徒，后来又转向工程学，进入德累斯顿工学院。但几个月后，他被征召入伍，服了一年兵役。 在军队里，赫兹陷入了迷茫。他写信给母亲说自己“日复一日，觉得自己就是个废柴”。 退役后，他搬到慕尼黑，凭借考试成绩进入慕尼黑大学，选修高等数学、力学、实验物理和实验化学。但一年后，他听说柏林大学有亥姆霍兹——当时德国物理学的领军人物——于是决定转学。他做到了，并且很快赢得了亥姆霍兹的赏识。 赫兹的性格和法拉第很不一样。他冷静、克制、精确，更像一个“工程师式”的物理学家。他的实验设计极其简洁，每个部件都有明确的功能，没有多余的装饰。 亥姆霍兹是麦克斯韦理论的坚定支持者。亥姆霍兹很快发现了这个年轻人的才华，给他出了一个难题：电，是有质量的吗？ 这个问题看似简单，背后却是对电磁理论根基的拷问。 赫兹一头扎进实验，连续做了几个月。他在亥姆霍兹的理论框架下做了实验，最终得出的结论是：即使电有质量，其量值也非常小，无法用当时的仪器测定。 这个细节很重要。赫兹不是在“证明老师说的对”，他是在实验基础上做出了自己的判断。 赫兹最初并不是麦克斯韦的信徒。当时德国物理学界的主流是韦伯和克劳修斯提出的“远程作用”理论——认为电力和磁力是瞬间跨越空间的超距作用，不需要任何介质。赫兹在学生时代接受的正是这种训练。 当他接手亥姆霍兹的课题时，他并没有预设立场，而是抱着一个开放的心态：我要看看，到底谁是对的。
1885年，赫兹到了卡尔斯鲁厄大学，在那里有了自己的实验室。他一边教课——每周要上20多节课——一边利用课余时间做实验。条件算不上好，但这不妨碍他做出当时最精巧的装置。 他准备亲手回答那个困扰物理学界十几年的问题：麦克斯韦预言的电磁波，到底存在，还是不存在？ 如果存在，人类将第一次接收到一种从未见过的波。如果不存在，那么麦克斯韦最重要的理论基础可能会被推翻。 赫兹开始搭建实验装置。 二、一朵不该出现的火花 在卡尔斯鲁厄的实验室里，他搭了一个极其简单的装置。简单到你会觉得，这能做什么实验？ 发射器是一个感应线圈，两端接着两根铜棒，铜棒末端各有一个金属小球，中间留一个微小间隙。当线圈通电时，间隙处会产生高压电火花。每次火花跳动，周围的电磁场就会发生剧烈变化。 接收器更简单：一根弯成圆形的导线，两端也留有一个微小间隙。它的原理是：如果麦克斯韦预言的电磁波真的存在，它经过时就会在导线上产生感应电压，间隙处就会跳出微小的火花。 赫兹把两个装置放在暗室里，距离约1.5米，然后接通了发射器的电源。 如果接收器出现火花，麦克斯韦就是对的。如果没有，麦克斯韦可能错了。 那一刻，发射器的火花跳了起来——同时，接收器的间隙里也出现了一朵微弱的火花。
那朵火花极其微弱，甚至需要用放大镜才能看清。赫兹记录了这个瞬间：接收器间隙出现火花，没有惊叫，没有摔跤，只有一行平静的文字。 但那一刻他知道自己看到了某种从未被人看见过的东西。 发射器和接收器之间没有导线，没有机械连接，没有任何已知的作用方式。可某种东西穿过了空气，从发射器跑到了接收器。 如果那朵火花不该出现，但它确实出现了——那就意味着某种未知的东西真实存在着。 但这还不能证明麦克斯韦是对的。赫兹很清楚这一点。科学史上从不缺少“看起来像发现，最后却只是误差”的例子。 是不是发射器的感应效应直接穿透了空气？是不是实验台漏电？是不是接收器受到了静电干扰？ 如果不能排除这些可能，那朵火花什么都证明不了。 赫兹必须回答一个更难的问题：如果这真的是一种波，它会不会像光一样表现出波的特征？ 注：在赫兹做实验的时候，人们对光的本质已经有了比较清晰的共识。 牛顿在17世纪末提出过“光是一束粒子流”的假说，但因解释不了光的干涉、衍射等现象，微粒说在1850年傅科测得水中光速小于空气中光速后，基本被放弃了。 到1863年，麦克斯韦从理论上预言光是一种电磁波，但还没有实验证据。所以赫兹做的事情很特别：他看到的是一种看不见的“波”，却要用研究看得见的“光”的方法去验证它——两者在理论上是同一种东西，只是赫兹要证明这一点。 三、把看不见的东西当成光来研究 科学家不能靠直觉下结论。赫兹知道，自己面前其实有两种可能： 第一种可能，是麦克斯韦对了。第二种可能，是实验骗了自己。 那朵火花说明有某种东西穿过了空气，但它究竟是什么，还远远没有确定。 赫兹忽然想到一个办法。如果这真的是麦克斯韦预言的电磁波，那么它应该拥有波的一切性质。 光会反射，它也应该反射。光会折射，它也应该折射。光会形成干涉和驻波，它也应该形成干涉和驻波。 于是接下来的几个月里，赫兹几乎是在把光学实验重新做一遍。只是这一次，他研究的对象是一种谁也看不见的波。 他先拿来一块巨大的金属板。如果接收器里的火花只是某种漏电或者偶然干扰，那么金属板不会改变什么。 但如果它真的是波，那么它就应该像光一样发生反射。 结果出来了。 当接收器移动到反射方向时，火花明显增强；离开反射方向时，火花又迅速减弱。 反射出现了。这意味着，它至少已经开始表现得像光。 随后，赫兹又制作了一扇巨大的沥青棱镜。光穿过棱镜会改变方向。如果电磁波真的是一种波，它也应该如此。 实验结果再次支持了麦克斯韦。电磁波穿过棱镜后发生了明显偏转。 折射出现了。
但赫兹还不满足。反射和折射说明它很像光，却还不能证明它一定是波。 于是他进行了最关键的一步。 |
