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圖片來源：百度百科

1857年2月22日，赫茲出生在德國漢堡市，家境優(yōu)渥。6歲時，赫茲進入當?shù)氐乃搅W校，他表現(xiàn)出色，常常排名第一。

1875年，18歲的赫茲通過了德國大學統(tǒng)一入門考試 （Abitur examinations），來到了法蘭克福開始學習建筑工程。沒過多久，他放棄了建筑師的夢想，回到德累斯頓工學院學習工程學，幾個月后他應征入伍一年。退役后，赫茲搬到慕尼黑，繼續(xù)學習工程學課程。

1877年，赫茲考入慕尼黑大學，選修高等數(shù)學、力學、實驗物理和實驗化學課程。一年后，他偶然在柏林聽到了創(chuàng)立了能量守恒學說的物理學教授赫爾曼·馮·亥姆霍茲的演講，開始對物理學、電學產(chǎn)生了濃厚的興趣，因此他又轉入了柏林大學，在這里，赫茲終于遇到了自己人生中最重要的兩位導師：德國著名科學家古斯塔夫·基爾霍夫和赫爾曼·馮·亥姆霍茲，開始全身心地投入學習研究中。

1880年，赫茲獲得博士學位，并被評為榮譽優(yōu)等生。畢業(yè)后，赫茲仍繼續(xù)跟隨亥姆霍茲做博士后研究，在此期間，他在眾多科學領域發(fā)表過15篇各種領域的論文，展現(xiàn)了卓越的科研才華。1883年，赫茲收到基爾大學的邀請，出任該校理論物理學講師，在此就任期間，赫茲發(fā)表論文《論麥克斯韋關于相向電磁基本方程之間的關系》（On the relations between Maxwell's fundamental equations of the opposing electromagnetics），提出了一套關于電磁力的自由傳播理論，為他后來修改麥克斯韋方程組的表達形式作了鋪墊。

1885年，28歲的赫茲收到了來自卡爾斯魯厄工業(yè)大學拋來的橄欖枝，邀請他擔任物理系教授。赫茲認為，不通過實驗，無法真正接觸到物理學真相。于是他接受了邀請并親自改良實驗室，在上課時進行各種示范性的實驗。正是在這里，他完成了永載史冊的電磁波實驗。

02 

人生開掛，發(fā)現(xiàn)電磁波 

受導師亥姆霍茲的啟發(fā)和鼓勵，赫茲很早便開始便研究麥克斯韋的電磁理論。1879 年，柏林科學院設立了有獎征文，要求證明麥克斯韋的電磁理論與電磁波的存在。在此之前，一些科學家就已經(jīng)開始探討如何來驗證麥克斯韋的電磁理論，其中包括物理學家菲茨杰拉德、W. 湯姆遜、亥姆霍茲等，赫茲也開始了驗證電磁波的思考和研究。

依照麥克斯韋理論，電擾動能輻射電磁波。于是，赫茲根據(jù)電容器經(jīng)由電火花隙會產(chǎn)生振蕩的原理，設計了一套電磁波發(fā)生器裝置，來驗證電磁波的存在。這是一臺可以產(chǎn)生及接收電磁波的設備，主要部分是一個電火花發(fā)生器，用兩個相隔很近的小銅球作為電容器。

當合上電路開關后，電流將穿過裝置中的感應線圈，并對銅球進行充電，當電壓上升到2萬伏時，兩個銅球之間的空氣將被擊穿，電荷就可以從中穿過，往來于兩個大銅球之間，形成一個高頻的振蕩回路（LC回路）。

同時，為了監(jiān)測電磁波，赫茲又設計了一個接收器。它由一個開口的銅環(huán)組成，銅環(huán)是孤立存在的，在開口的接口處各鑲了一個小銅球，銅環(huán)開口與產(chǎn)生入射的電磁波共振，如果麥克斯韋預言的電磁波真的存在，那么在接收器銅環(huán)開口（只有幾百分之一毫米寬）處，就可以產(chǎn)生微小的火花來體現(xiàn)電磁波的存在。再通過改變間隙的大小可評估接收到電磁波的強弱。如果麥克斯韋理論是正確的，那么此時兩個銅球就會向外發(fā)射電磁波。

赫茲的實驗裝置 

圖源：平度市工業(yè)和信息化局微信公眾號

這個實驗極難操作，銅環(huán)開口處產(chǎn)生的電火花不僅微弱，而且只能持續(xù)一個微秒左右，如果能夠肉眼看到虛無縹緲的電火花簡直是一種奇跡。完成實驗裝置準備后，赫茲打開了整個實驗的開關，發(fā)生器的電火花產(chǎn)生后，他激動地看向另一端的銅環(huán)，銅環(huán)之間那微弱的電火花在那一刻如此的耀眼。赫茲成功解決了導師亥姆霍茲一直想要驗證思考的問題，也將麥克斯韋的電磁學推上了最頂峰，傳統(tǒng)物理學研究取得了轟動業(yè)界的巨大突破！

1887 年11 月5 日，赫茲發(fā)表了名為《論在絕緣體中電擾動所引起的電磁效應》（On electromagnetic effects produced by electrical disturbances in insulators）的論文，總結了自己的重要發(fā)現(xiàn)：無線電輻射具有波的所有特性，證實了麥克斯韋關于電磁波存在的預言，這篇論文直接轟動了整個物理學界，讓麥克斯韋的電磁理論被封為經(jīng)典。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，他驗證了電磁波的存在，所以電磁波也直接被稱為 “赫茲波”，直到多年以后才改叫“電磁波”（無線電波）。

后來，赫茲又使用震蕩的電子產(chǎn)生的波在屋子里傳播的現(xiàn)象，證明了這種波可以像光波遇到鏡子一樣被反射，?也能夠像光一樣通過棱鏡，甚至傳播的速度都和光一樣快。他用這個實驗確定了電磁波的速度等于光速，且具有與光波一樣的直線傳播、反射、折射、偏振等性質，并將這些成果總結在《論運動傳播速度的電效應》（On the electric effect of the propagation velocity of moving）的論文中，我們現(xiàn)在都知道，赫茲的發(fā)現(xiàn)具有廣泛的實際用途，打開了新世界的大門。但當時赫茲并沒有意識到這一點。他說：“我認為我所發(fā)現(xiàn)的無線電波不會有任何實際應用。”

03 

赫茲留給世界的重要影響 

赫茲紀念郵票 

赫茲不僅從實驗上證明了麥克斯韋理論，還從理論上簡化了麥克斯韋理論。在其發(fā)表的著名論文《關于靜止物體的電磁學基本方程組》（On the fundamental equations of electromagnetics for bodies at rest）中，他進一步完善了麥克斯韋方程組，將其加工成現(xiàn)代數(shù)學的表達方式，為此，愛因斯坦把該方程組稱為“麥克斯韋–赫茲方程組”；英國數(shù)學和物理學家奧利弗·海維賽德（Oliver Heaviside，1850–1925）甚至直接稱之為“赫茲方程組”。

此外，赫茲對科學的貢獻與思考對普朗克、洛倫茲、愛因斯坦等一大批科學家產(chǎn)生了積極影響。除了電磁波實驗，赫茲還研究了紫外線光對火花放電的影響并進行了一系列實驗，他是第一個發(fā)現(xiàn)光電效應的人，即在光的照射下帶電金屬會釋放出電子的現(xiàn)象。三十多年后，愛因斯坦因成功解釋了赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應，并因此獲得了1921年諾貝爾物理學獎。赫茲對光電效應的這一重要發(fā)現(xiàn)，也成為愛因斯坦建立光量子理論的基礎。

更重要的是，赫茲的實驗發(fā)現(xiàn)具有劃時代意義——奠定了無線通信的基礎，決定了人類必將邁入信息時代。1895年，意大利青年古列爾莫·馬可尼 （Guglielmo Marconi） 在度假時偶然讀到了雜志上赫茲的一篇科普文章，其中描述了如何用振蕩器激發(fā)電磁波。這個21歲的年輕人受到了極大的啟發(fā)：用赫茲的火花振蕩器產(chǎn)生的電磁波來發(fā)射信號。1901年，馬可尼成功地將無線電信號送到大西洋彼岸的美國，由此開啟了人類無線通信時代。

令人遺憾的是，1892年，赫茲被診斷出敗血癥，1894年1月1日，赫茲因血液中毒在波恩去世，年僅37歲，一顆科學巨星就此隕落。1930年，為了紀念赫茲的豐功偉績，國際電工委員會把他的名字“赫茲”定為頻率的測量單位。1960年，國際度量衡大會官方正式確認了這一單位。

赫茲的一生雖然短暫,但他對電磁波的驗證為電磁波研究做出了里程碑式的貢獻，圍繞電磁波的一系列應用（例如無線電報、廣播、雷達）進入迅猛的發(fā)展階段，人類社會也隨之真正進入了無線電時代，他就是科學史上的一位傳奇！

參考資料： 

1、2017年第14期《科技導報》科學導報：《赫茲永載史冊的電磁波實驗帶給人類的福祉和啟示》，作者：呂增建，河南焦作大學基礎部，教授；

2、 鮮棗課堂：《赫茲傳》，作者：小棗君；

3、 《赫茲，他證實了電磁波的存在丨陳關榮》，作者：陳關榮；

4、 奇趣物理：《電磁學神殿封頂之絕唱——赫茲和他的電火花 》。