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| 中外科学家发明家丛书：赫兹 （七） | 发布于:2012/08/16 | |
| 七、电磁理论的确立 攻克了柏林科学院的竞赛题，赫兹自然十分高兴，因为这对于法拉第— 麦克斯韦电理论的确立非常重要。但深刻领会麦克斯韦电磁场理论的赫兹同 时也意识到，只是证明位移电流的存在对这一理论的确立来说远远不够，还 必须证明空气中或真空中同样存在极化和位移电流，因为这才是麦克斯韦理 论的宗旨和特殊意义之所在，是这一理论不可缺少的前提。前文已述，柏林科学院1879年的竞赛题原本包括三个假设，其中第三个假设便是空气中或真 空中同样存在着极化和位移电流，但由于赫尔姆霍茨认为这个假设证明起来 太难，因而删掉了；即便如此，前两个假设也是在7年之后才被攻克。现在， 赫兹决定向第三个假设发起“冲锋，”这种知难而进的精神，正是赫兹作为 一个科学家取得成功的重要品质。 诚如马克思所说：在科学的道路上，从来没有平坦的大道可走，只有不 畏艰险，沿着崎岖的山路奋勇攀登的人，才有希望到达光辉的顶点。赫兹选 择这一难题作为攻关目标，自然不会企望能一蹴而就，他为遭受挫折和失败 作好了精神准备；同时，他不是有勇无谋的赳赳武夫，凭着科学家的缜密思 维，他审慎地思考着实验的最佳途径，以尽量少走弯路。 早在1845年，法拉第就提出了光、电同一的假设，麦克斯韦于1862年 从理论上论证了光与电的同一性，并得出了“电磁波在真空中的速度等于光 速”的划时代的理论，但验证这一理论的实验却一直没有取得突破性的进展。 赫兹认为，柏林科学院竞赛题的第三个假设，即空气中或真空中存在极化和 位移电流，是麦克斯韦电磁场理论不可缺少的前提，电磁波与光波的同一性 是这一理论的必然结果，既然证明前提或原因（即第三个假设）从而推导出 结果很困难，那何不先证明结果从而来推导出前提或原因呢？我们且用一个 也许不太恰当的例子来说明赫兹的这一思路。好比麦克斯韦的理论讲的是下 雨的过程，下雨是这一理论的结果，而其前提是空中有带雨的云层；要盲人 证明空中有带雨的云层很困难，但如果证明现在正在下雨，那空中有带雨的 云层这一难题不就迎刃而解了吗？因此，赫兹决定从证明电磁波与光波的同 一性入手，确立麦克斯韦的电磁场理论，从而证明第三条假设。要证明电磁 波就是光波，首先得确定电磁波的速度是否像麦克斯韦所预言的那样等于光 速。 此时，人们已经得知光的速度每秒钟约为30万公里，但测量电磁波速的 工作还没有正确的结果，甚至还没有找到正确的方法。随着有线电报在 19 世纪30年代的兴起，科学家们就开始考虑电流的速度问题。1834年，惠斯 通曾用旋转镜面法来测量电流的速度。他在一根几公里长的导线上每隔半公 里截出一个火花隙，在导线的两端加上高压电源，结果各火花隙相继产生电 火花；然后他用旋转镜测出相邻的两个火花隙产生火花的时间差，以此算出 电流的速度是每秒46万多公里，比光速还要大。十几年后，菲索按照同样的 原理，利用旋转齿轮的方法测得电流的速度为每秒钟18万公里，比光速又小 得多。后来又有许多人作过这方面的努力，但从未得到过统一的结果，因此 开耳芬断定，导线中的电流不可能有确定的速度。 但科学家们并未就此停止努力。法拉第在1857年至1858年间曾进行过 一次测量电磁力在电磁场中传播速度的实验，实际上是测量电磁波的速度， 只是那时还没有这个概念。他在一间很大的房子里平行放置了三个线圈，中 间是施感线圈。两边的是感应线圈与一个电流计相连，连接方式要保证从两 个线圈中流出来的感应电流以相反的方向流过电流计。法拉第认为，如果两 个感应线圈尺寸相同，并与施感线圈的距离相等，那么它们产生的感生电流 的大小就会相等，这两股大小相等、方向相反的感生电流在流过电流计时， 就不会使其指针偏离；但如果两个感应线圈与施感线圈的距离不相等，那么 电磁波到达两个感应线圈的时间就会有先后之分，电流计的指针就应当先偏 向近的一边后偏向远的一边。他认为可以根据线圈的距离差和电流计偏转的时间差算出电磁波的速度。法拉第的这一实验原理是正确的，但他显然对电 磁波速度的数量级尚未有正确的概念，结果在实验时他并未看到期望的结 果，不管怎么挪动线圈，电流计的指针始终未动，后来他又在一块较大的场 地中进行这个实验，仍没取得成功。赫尔姆霍茨在这方面也有一次失败的尝 试，他得到的电磁波的速度是每秒钟60多公里，比光速低得太多了。 前人失败的教训，可以让赫兹少走一些弯路，也可以给他一些启发。对 赫兹的思路产生有益启迪的是前人的驻波理论与实验。美国物理学家亨利是 最早认识到电流是一种波动形式的科学家，他在1837年就提出载流导线的表 面存在着一种电流波，并预言，如果在一根导线的正中部输入电流，电流波 将从导线的两个端面反射回来，在导线中形成驻波。1870年，物理学家贝佐 尔德根据亨利的预言做了一个电流驻波实验，并测出电流波长为15厘米。赫 兹决定不去直接测量电磁波的速度，而是用驻波的方法先测出一个驻波波节 的间距即半个波长，然后再根据开耳芬的振荡频率公式计算出电磁驻波的频 率，由此算出电磁波速。 有了正确的思路，赫兹开始为实验准备器材，同时还要寻找适合的实验 场所。研究所的房子太小，唯一合适的房间是一间大教室，为此，他只好利 用几个小时的课间休息时间来做实验。先和机械师一起把教室改装成实验 室，然后进行几个小时的实验，实验结束后再把教室恢复原样。为了减少干 扰，他们必须清除一切可以搬走的金属物品，包括煤气管和枝型灯架。他在 教室的一面墙上钉上一块高4米宽2米的锌皮，用来反射电磁波，以形成驻 波。为了测量和检查这条驻波，他使用了一个检验器，实际上相当于感应丝 圈，形状与感应平衡器中的谐振器大体相同。他用直线型振荡器作为波源， 放在离锌皮13米远的地方；把检验器装在小车上，使它能随小车沿驻波方向 前后移动。检验器在各种位置上对电磁驻波有不同的反应，处于波节处不会 产生火花，然后由弱渐强，处于波腹处产生最强的火花。赫兹根据这个反应 测量出了两个波节之间的长度为4．8米，此为半个波长。然后他根据麦克斯 －8 韦的电磁波速等于光速的假说，算出该电磁波振动周期为 1．55×10秒； －8 他又根据开耳芬的振荡周期公式算出直线型振荡器的谐振周期为1．4×10 －8 秒，这两个周期的差仅为0.15×10秒，非常之微小。赫兹把这个误差归结 于测量的精度，这样就把电磁波的速度和光波的速度统一了起来。 1888年1月，赫兹将自己的这一实验成果写进了《论电动效应的传播速 度》一文中，也将这篇文章寄给了赫尔姆霍茨。赫兹的实验具有划时代的意 义，文章在柏林科学院会议记录中发表后，引起了科学界的高度关注。许多 科学家都向他表示祝贺，这其中自然有他的恩师赫尔姆霍茨，还有伦琴。伦 琴当时还没有发现X射线，但已经成为著名的实验物理学家，受到人们的尊 敬。伦琴对赫兹的实验工作给予了高度评价，认为这些实验工作是最近几年 物理学领域内最好的。 困难不能让赫兹止步，成功同样不会使他停止前进。赫兹清楚，证明电 磁波速等于光速并不等于证明了电磁波就是光波，因为光波具有的反射、折 射聚焦和偏振等性质还没有在电磁波身上得到印证；只有证明了电磁波具有 光波的一切特性，才能肯定二者的同一性。为此，赫兹又开始了下一步的实 验。 实验还是在改装后的教室进行，但最初的实验并不成功。也许是空间太 小？但这已是他能利用的最大房间。为了得到预期的结果，赫兹陷入了沉思。 “既然山不能向穆罕默德走来，那么，穆罕默德就应该向山走去。”一句熟 悉的阿拉伯谚语给了他灵感，“既然没有更大的房间，那么就应该改变波长。” 于是，一切都豁然开朗。他用一根直径为3厘米、长为26厘米的偶极振荡器 发射电磁波，经过金属面反射形成了波长只有66厘米的短波；他用金属面成 功地使电磁波作了45度的反射，用高2米、孔径1．2米的抛物面使电磁波 聚焦，用固体树脂做成的绝缘棱镜使电磁波折射，用金属丝网使电磁波偏 振，……总之，赫兹用实验证明，光波所具有的一切物理特性电磁波都有， 从而完成了电磁波和光波的同一性的实验证明。 1889年，赫兹的科学专著《论电力射线》出版，这是他最重要的著作之 一。在这部著作中，赫兹报道了他的实验，用事实向人们证明，光从其本质 上说也是一种电磁波。从此以后，光学便可包括到电学领域中去了。这一发 现无疑具有极大的价值，正如赫尔姆霍茨所说：“光——这种如此重要的和 神秘的自然力，与另一种同样神秘的或许应用更为广泛的自然力——电，有 着最近的亲缘关系，令人信服地证实这种现象无疑是一项重要成就。现在， 人们开始懂得，那些曾设想是远距直接作用的力是如何通过一层中间介质作 用于最近一层介质的途径而传播的，这一点对理论科学来说可能更重要。” 赫兹实验的意义不仅证明了柏林科学院竞赛题的第三条假设，更重要的是证 明了麦克斯韦的电磁理论是实际的反映，从而使这一理论得以确立，使传统 的远距论电动力学理论被抛弃。赫兹在谈到他的实验的意义时曾说道：“在 电学领域中，为科学所尊崇的，但为理智所不愿接受的远距直接作用力的统 治，看来已被简单的和有说服力的实验永远地否定了。” 赫兹以其天才的、创造性的工作，把麦克斯韦开创的电的世纪带到了人 间。 |
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