赫茲如何發現電磁波的？

01 赫茲發現電磁波

一、前言

無線電波是如何被發現的？這與麥克斯韋方程組有什麼關係？好吧，一切都始於一個悲觀的年輕科學家，海因裡希·赫茲，和一場他不敢嘗試的比賽，最後它以一直以來一個最有影響力之一的實驗結束。關於這個故事，讓我聽 Kathy 老師娓娓道來。

▲ 圖1。1 Kathy講解赫茲是如何發現電磁波的

1879年，德國最著名的科學家，Hermann Von Helmholtz 有一個關於在普魯士科學院建立年度柏林獎的好主意。他建議他們提供獎金，獎勵給可以透過實驗證明空間電磁波存在，或者證明由法拉第提出的電動力學並由麥克斯韋先生使用數學理論理論進行描述的人。

▲ 圖1。2 赫爾曼·馮·亥姆霍茲

亥姆霍茲有一個 22 歲的研究生，名叫海因裡希·赫茲，他覺得適合挑戰這個獎項。但年輕的赫茲想了想覺得太難了，決定放棄。但這個想法始終縈繞在赫茲的腦海裡，他花費了很多年刻苦鑽研物理學中的電磁課程。有的時候，他的日記中只有簡單的一句話：一旦想到電磁射線，其他就什麼也不想了，整天只是圍繞著電磁波苦幹，但還是毫無頭緒。雖然感到無聊但電磁我還是我的最愛，我覺得自己和它有緣，但對它的所有認識都是大眾所知。他在1885年年末時說：很高興今年結束了，希望它不會被另一個類似的東西所取代。

結果證明 1886 年無論是對個人還是對專業都是好事連連的一年。 1886年赫茲遇到了他的最愛，名叫 Elizabeth Doll 的女孩，墜入了愛河。也是在那一年的春天，他向自己未來的新娘展示自己研究的裝置時，碰巧看到了遠處萊頓瓶放電時所產生的的電火花。赫茲於是對那個幾年前讓他覺得太難的實驗有了新的想法。到了1887年，赫茲就找到了可以使用實驗來證明光是一種電磁波的方法。他是如何做到的呢？

▲ 圖1。3 法拉第與麥克斯韋

赫茲使用震盪的電子產生一種波，在屋子裡傳播。接著又能夠證明這種波可以像光波遇到鏡子一樣被反射，也能夠像光一樣透過稜鏡，甚至傳播的速度都和光一樣快。天哪，這種新的不可見的光到底是什麼呢？甚至到了1920年，這種電磁波都被成為“

赫茲波

”。順便說一下，大多數人一想到無線電就想起音樂，覺得無線電是聲波。當然這是不對的，無線電波只是一種看不見的低頻電磁波。為了更好的理解這一點，可以考慮一下唱片。唱片使用乙烯基黑膠壓制而成，上面有紋理和高低起伏。當唱針碰到唱片軌道里面的高高低低起伏時，就會產生震動進而發出音樂。唱片不是用音樂製作的，是使用黑膠壓制的。無線電也不是由音樂產生的，它是想光線一樣的電磁波。就像唱片上的記錄聲音的高高低低的音紋，無線電的的幅度也會大大小小的變化進而傳遞音樂。

▲ 圖1。4 海因裡希·赫茲

好了，我們在考察一下當時赫茲是如何產生電磁波的呢？赫茲比較幸運，他有一種叫做間隙花火產生裝置，可以將電池的直流電壓轉換成高頻交流脈衝訊號，並可以產生很大的電弧。關於間隙火花的工作原理以及如何產生無線電將會另外進行說明。赫茲所做的就是透過給火花儀器增加天線來產生這種不可見的電磁波。透過兩個金屬導線將電火花的訊號引到兩端的金屬球上。

他有了產生電磁波的方法，同樣他還需要找到如何檢測電磁波的手段。為此，他製作了一個小的圓環，上面帶有兩個距離很近的小球，之間有個很小的縫隙。他希望這種檢測器可以接收到電磁波並能夠在小球縫隙間產生可見的電火花。透過改變間隙的大小也能夠評估接收到電磁波的強弱。當然這不是一種很容易操作的裝置，電火花不僅微弱，而且只能持續一個微秒左右。能夠看到電火花實在是一種奇蹟。但在絕對黑暗的房間裡，人的肉眼的確可以觀察到接收器上的電火花。做到這一點需要像走鋼絲那樣小心翼翼。

▲ 圖1。5 海因裡希·赫茲與他的妻子伊麗莎白

到了1887年11月5日，他小心翼翼的向他的老闆，亥姆霍茲遞交了他寫的論文。信中寫道，寫這封信打擾您我倍感不安，但它事關幾年前你要求我解決的一個難題。亥姆霍茲立馬回了一個明信片，上面短短几個字：太帥了！論文週四就交付發表。突然之間，赫茲的人生就像開了掛一樣。此時已經成為他老婆的伊麗莎白給他老丈人寫信說道，實驗做的太順了。現在就像從自己的袖筒裡輕而易舉的拿出了漂亮的實驗結果。當然他為此非常開心，我也一樣。每次他給我談起實驗滿臉都放光，看起來就像一個二傻子一樣。

▲ 圖1。6 亥姆霍茲給赫茲回信的明信片

▲ 圖1。7 光是按一種電磁波

那時赫茲已經注意到紫外線會影響實驗結果，這也使他稱為了解光電效應的第一人。接著，讓赫茲倍感驚訝的是，這種新的波居然也可以被鏡子反射，就和可見光線效果一樣。因此，赫茲架起了一個與放電花火平行的鏡子，電磁波在鏡子反射回來，形成了駐波。駐波可以由振動劇烈的波腹和相互抵消的波節構成。赫茲在電線與鏡子之間移動接收器，可以看到在波腹的地方火花變大，在波節地方消失了。

利用這種方式赫茲測量了電磁波的長度。透過理論分析，赫茲知道電磁波的頻率大約為70MHz。嘿嘿，也就是每秒七千萬個他自己的名字。於是他使用簡單的乘法便計算出波的速度，等於波長乘以波動頻率。就是利用這簡單的方法，他便計算出電磁波的速度，大約是每秒三十二萬公里。這與當時已知的光速很接近了，即每秒鐘三十萬公里。當然他並沒有打破光速，只是測量誤差使得他測量電磁波速度比光速快。

▲ 圖1。8 間隙火花產生裝置

赫茲不僅僅驗證了光是一種電磁波，他也建立了自己獨特的一種電磁波，無影無蹤分佈在世界的各個角落。赫茲的論文已經發表，就立即建立起國際上的聲望。威廉·湯普森，也被稱為卡爾文勳爵，也對法拉第和麥克斯韋本人和他們的理論都有過重要的影響，談起赫茲，他說：赫茲的電磁波論文是法拉第思想燦爛成就的一座豐碑。赫茲獲得邦德大學的全職教職。他購買了一座漂亮的大 HOUSE，還有一個之前用於醫學實驗的小房間，可能以備化學藥劑汙染。也許是這個原因，或者其他不可琢磨的命運，從1982年七月開始赫茲開始感到偏頭痛，後來被診斷為血液紊亂。在1894年新年的第一天，他36歲便英年早逝，留下了痛不欲生的妻子和兩個年幼的女兒，一個6歲，一個2歲。

▲ 圖1。9 赫茲實驗室中的裝置

我們可以設想，如果赫茲不是那麼早的離開這個世界，也許他可以發明無線電報，或者無線電通訊技術。然而在他生前並沒有看到他的發明被實際應用。關於實驗他曾說過，這些結果並沒有什麼用處，只是一個來證明麥克斯韋理論是否正確的實驗結果。我們可以獲得這種神秘的電磁波，但無法肉眼看到它們。但它們就在那裡。在赫茲去世的幾個月後，一個20歲的愛爾蘭後裔義大利的小夥子，名叫馬可尼，看到了海因裡奇·赫茲的訃告，從而痴迷於建立長距離無線電報的想法。也許僅僅使用間隙火花放電的方式並無法走得更換，更別說跨大西洋傳送資訊。幸運的是，五年之後另外一個電磁學領域的大神，尼古拉·特斯拉參加了法國巴黎世界博覽會。瞭解了赫茲實驗的神奇。特斯拉便開始自己製作間隙火花發生器，最終發明了特斯拉線圈，一種可以建立巨大電弧的裝置。