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赫茲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波存在的故事

圖2.1.4德國物理學(xué)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(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里，專心致志地?cái)[弄著他的裝置。裝置很簡(jiǎn)單，其主要部分是一個(gè)電火花發(fā)生器，有兩個(gè)大銅球作為電容，并通過銅棒連接到兩個(gè)相隔很近的小銅球上。導(dǎo)線從兩個(gè)小球上伸展出去，纏繞在一個(gè)大感應(yīng)線圈的兩端，然后又連接到一個(gè)梅丁格電池上，將這個(gè)古怪的裝置連成了一個(gè)整體。

        赫茲全神貫注地注視著那兩個(gè)幾乎緊挨在一起的小銅球，然后合上了電路開關(guān)。頓時(shí)，電的魔力開始在這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來：無形的電流穿過裝置里的感應(yīng)線圈，并開始對(duì)銅球電容進(jìn)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(xué)領(lǐng)域攻讀了那么久，赫茲對(duì)自己的知識(shí)是有充分信心的。他知道，當(dāng)電壓上升到20000V左右時(shí)，兩個(gè)小球之間的空氣就會(huì)被擊穿，電荷就可以從中穿過，往來于兩個(gè)大銅球之間，從而形成一個(gè)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(gè)。

      果然，過了一會(huì)兒，隨著細(xì)微的“啪”的一聲，一束美麗的藍(lán)色電花爆開在兩個(gè)銅球之間，整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)完整的回路，細(xì)小的電流束在空氣中不停地扭動(dòng)，綻放出幽幽的熒光。火花稍縱即逝，因?yàn)槊恳淮畏烹姸及殡S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(gè)“怪物”養(yǎng)精蓄銳，繼續(xù)充電，直到再次恢復(fù)飽滿的精力，開始另一場(chǎng)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(shí)又關(guān)掉了實(shí)驗(yàn)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(gè)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(yàn)證過它的存在?？墒牵掌潓?duì)此堅(jiān)信不疑，因?yàn)樗躯溈怂鬼f理論的一個(gè)預(yù)言，而麥克斯韋理論在數(shù)學(xué)上簡(jiǎn)直完美得像一個(gè)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(cuò)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(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的呀！”如果麥克斯韋是對(duì)的話，那么每當(dāng)發(fā)生器火花放電的時(shí)候，在兩個(gè)銅球之間就應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)振蕩的電場(chǎng)，同時(shí)引發(fā)一個(gè)向外傳播的電磁波。赫茲轉(zhuǎn)過頭去，在不遠(yuǎn)處，放著兩個(gè)開口的長(zhǎng)方形銅環(huán)，其接口處也各鑲了一個(gè)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(huì)飛越空間，到達(dá)接收器，在那里感生一個(gè)振蕩的電動(dòng)勢(shì)，從而在接收器的開口處也同樣激發(fā)出電火花來。

       實(shí)驗(yàn)室里面靜悄悄地，赫茲一動(dòng)不動(dòng)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(dāng)發(fā)生器上產(chǎn)生火花放電的時(shí)候，接收器是否也同時(shí)感生出火花來呢？赫茲睜大了雙眼，他的心跳得快極了。此時(shí)，銅環(huán)接收器突然顯得有點(diǎn)異樣，赫茲簡(jiǎn)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(gè)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(gè)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(fù)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(jiǎn)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(shí)實(shí)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(xué)的一個(gè)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》）