赫兹实验验证电磁波存在的故事

图2.1.4德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（HeinrichRudolfHertz,1857—1894年）

      1887年，赫兹刚刚30岁，新婚燕尔，他站在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里，专心致志地摆弄着他的装置。装置很简单，其主要部分是一个电火花发生器，有两个大铜球作为电容，并通过铜棒连接到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去，缠绕在一个大感应线圈的两端，然后又连接到一个梅丁格电池上，将这个古怪的装置连成了一个整体。

        赫兹全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球，然后合上了电路开关。顿时，电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装置里的感应线圈，并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置，在心里面想象着电容两端电压不断上升的情形。在电学领域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是有充分信心的。他知道，当电压上升到20000V左右时，两个小球之间的空气就会被击穿，电荷就可以从中穿过，往来于两个大铜球之间，从而形成一个高频电感电容振荡回路（LC回路）。但是，他现在想要观察的不是这个。

      果然，过了一会儿，随着细微的“啪”的一声，一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间，整个系统形成了一个完整的回路，细小的电流束在空气中不停地扭动，绽放出幽幽的荧光。火花稍纵即逝，因为每一次放电都伴随着少许能量的损失，使电容两端的电压很快又降低到击穿值以下。于是这个“怪物”养精蓄锐，继续充电，直到再次恢复饱满的精力，开始另一场火花表演。

       赫兹更加紧张了。他跑到窗口，将所有的窗帘都拉上，同时又关掉了实验室的灯，让自己处在一片黑暗之中。这样一来，那些火花就显得格外醒目。赫兹揉了揉眼睛，盯着那串间歇放电的电火花，还有电火花旁边的空气，心里想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路，而是为了求证那虚无缥缈的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊，它看不见，摸不着，谁也没有看见过、验证过它的存在。可是，赫兹对此坚信不疑，因为它是麦克斯韦理论的一个预言，而麦克斯韦理论在数学上简直完美得像一个奇迹！仿佛是上帝之手写下的一首诗歌。这样的理论，很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气，又笑了：“不管理论怎样无懈可击，它毕竟还是要通过实验来验证的呀！”如果麦克斯韦是对的话，那么每当发生器火花放电的时候，在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场，同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去，在不远处，放着两个开口的长方形铜环，其接口处也各镶了一个小铜球，那是电磁波的接收器。如果麦克斯韦所说的电磁波真的存在，那么它就会飞越空间，到达接收器，在那里感生一个振荡的电动势，从而在接收器的开口处也同样激发出电火花来。

       实验室里面静悄悄地，赫兹一动不动地站在那里，仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越。当发生器上产生火花放电的时候，接收器是否也同时感生出火花来呢？赫兹睁大了双眼，他的心跳得快极了。此时，铜环接收器突然显得有点异样，赫兹简直忍不住要大叫一声，他凑到铜环的前面，明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里跃过。是幻觉，还是心理作用？不，都不是。一次、两次、三次，赫兹看清楚了：虽然它一闪即逝，但千真万确，真的有火花正从接收器的两个小球之间穿过，而接收器既没有连接电池，也没有任何能量来源。赫兹不断地重复着放电过程，每一次，火花都听话地从接收器上被激发出来，在赫兹看来，世上简直没有什么能比它更美丽了。

       良久良久，终于赫兹揉了揉眼睛，直起腰来。现在一切都清楚了，电磁波真真实实地存在于空间之中，正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了，麦克斯韦的理论也胜利了，物理学的一个新高峰——电磁理论终于被建立起来了。伟大的法拉第为它打下来地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体，而今天，他——伟大的赫兹，为这座大厦封了顶。（摘编自曹天元《量子物理史话》）