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赫茲實驗驗證電磁波存在的故事

圖2.1.4德國物理學家海因里希·魯?shù)婪?middot;赫茲（HeinrichRudolfHertz,1857—1894年）

      1887年，赫茲剛剛30歲，新婚燕爾，他站在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室里，專心致志地擺弄著他的裝置。裝置很簡單，其主要部分是一個電火花發(fā)生器，有兩個大銅球作為電容，并通過銅棒連接到兩個相隔很近的小銅球上。導線從兩個小球上伸展出去，纏繞在一個大感應線圈的兩端，然后又連接到一個梅丁格電池上，將這個古怪的裝置連成了一個整體。

        赫茲全神貫注地注視著那兩個幾乎緊挨在一起的小銅球，然后合上了電路開關。頓時，電的魔力開始在這個簡單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來：無形的電流穿過裝置里的感應線圈，并開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心里面想象著電容兩端電壓不斷上升的情形。在電學領域攻讀了那么久，赫茲對自己的知識是有充分信心的。他知道，當電壓上升到20000V左右時，兩個小球之間的空氣就會被擊穿，電荷就可以從中穿過，往來于兩個大銅球之間，從而形成一個高頻電感電容振蕩回路（LC回路）。但是，他現(xiàn)在想要觀察的不是這個。

      果然，過了一會兒，隨著細微的“啪”的一聲，一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間，整個系統(tǒng)形成了一個完整的回路，細小的電流束在空氣中不停地扭動，綻放出幽幽的熒光?；鸹ㄉ钥v即逝，因為每一次放電都伴隨著少許能量的損失，使電容兩端的電壓很快又降低到擊穿值以下。于是這個“怪物”養(yǎng)精蓄銳，繼續(xù)充電，直到再次恢復飽滿的精力，開始另一場火花表演。

       赫茲更加緊張了。他跑到窗口，將所有的窗簾都拉上，同時又關掉了實驗室的燈，讓自己處在一片黑暗之中。這樣一來，那些火花就顯得格外醒目。赫茲揉了揉眼睛，盯著那串間歇放電的電火花，還有電火花旁邊的空氣，心里想象了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個裝置如何產(chǎn)生火花短路，而是為了求證那虛無縹緲的“電磁波”的存在。那是一種什么樣的東西啊，它看不見，摸不著，誰也沒有看見過、驗證過它的存在?？墒牵掌潓Υ藞孕挪灰?，因為它是麥克斯韋理論的一個預言，而麥克斯韋理論在數(shù)學上簡直完美得像一個奇跡！仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想象它是錯誤的。赫茲吸了一口氣，又笑了：“不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證的呀！”如果麥克斯韋是對的話，那么每當發(fā)生器火花放電的時候，在兩個銅球之間就應該產(chǎn)生一個振蕩的電場，同時引發(fā)一個向外傳播的電磁波。赫茲轉(zhuǎn)過頭去，在不遠處，放著兩個開口的長方形銅環(huán)，其接口處也各鑲了一個小銅球，那是電磁波的接收器。如果麥克斯韋所說的電磁波真的存在，那么它就會飛越空間，到達接收器，在那里感生一個振蕩的電動勢，從而在接收器的開口處也同樣激發(fā)出電火花來。

       實驗室里面靜悄悄地，赫茲一動不動地站在那里，仿佛他的眼睛已經(jīng)看見那無形的電磁波在空間穿越。當發(fā)生器上產(chǎn)生火花放電的時候，接收器是否也同時感生出火花來呢？赫茲睜大了雙眼，他的心跳得快極了。此時，銅環(huán)接收器突然顯得有點異樣，赫茲簡直忍不住要大叫一聲，他湊到銅環(huán)的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣里躍過。是幻覺，還是心理作用？不，都不是。一次、兩次、三次，赫茲看清楚了：雖然它一閃即逝，但千真萬確，真的有火花正從接收器的兩個小球之間穿過，而接收器既沒有連接電池，也沒有任何能量來源。赫茲不斷地重復著放電過程，每一次，火花都聽話地從接收器上被激發(fā)出來，在赫茲看來，世上簡直沒有什么能比它更美麗了。

       良久良久，終于赫茲揉了揉眼睛，直起腰來?，F(xiàn)在一切都清楚了，電磁波真真實實地存在于空間之中，正是它激發(fā)了接收器上的電火花。他勝利了，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學的一個新高峰——電磁理論終于被建立起來了。偉大的法拉第為它打下來地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，他——偉大的赫茲，為這座大廈封了頂。（摘編自曹天元《量子物理史話》）