赫兹发现电磁波

1893年12月7日，德国著名物理学家、波恩大学教授赫兹身患疾病，继续上他生命中的最后一堂课。次年元旦，他英年早逝，享年37岁。赫兹的寿命很短，但他发现了电磁波的杰出贡献，这种贡献已经传给了后代。1887年，赫兹首次发现并证实了电磁波的存在。当时，他只有29岁。赫兹的伟大发现不仅为无线电通信创造了条件，而且从电磁波的传播规律证实了电磁波具有与光波相同的性质，如反射、折射和偏振，从而验证了麦克斯韦关于光是电磁波的理论。19世纪60年代，麦克斯韦提出了电磁场理论，并从理论上推测了电磁波的存在。不幸的是，他也英年早逝，只活了48年。他无法通过实验证明他的推测的正确性。当时，没有人能理解麦克斯韦的理论，因此，在他去世之前，他的功绩并没有受到重视。直到他去世近10年后，赫兹才发现并证明电磁波的存在，人们才意识到麦克斯韦理论的重要性。如果把电磁理论的建立比作一座宏伟的建筑，法拉第为这座建筑奠定了坚实的基础。麦克斯韦将这座建筑建在坚实的基础上。赫兹是最后一个装饰这座宏伟建筑以便广泛使用的人。为了纪念这位年轻科学家为人类立下的不朽功勋，人们以他的名字命名了一些物理和数学概念，如“赫兹波”、“赫兹矢量”、“赫兹函数”等。，并使用“赫兹”作为频率单位。1857年2月22日，亨利克·赫兹出生在德国汉堡的一个富裕家庭。他的父亲是律师，后来被选入参议院。赫兹小时候在一所私立学校学习，后来他搬到了一所市立学校。他于1875年从约翰内斯高中毕业。赫兹在他年轻的时候展示了他非凡的智慧和杰出的实验能力。由于他杰出的才能和勤奋的工作，他在学校所有科目中名列前茅。他不仅修了数学、自然科学、英语和法语等必修课，还在阿拉伯语等选修课上取得了突出成绩。结果，他的老师建议他学习东方主义。老师给他一个毕业评语:“这位高中毕业生有敏锐的逻辑、可靠的记忆力和描述问题的技巧。缺点是演讲有些单调。”赫兹年轻时非常喜欢做实验。他开始做一些简单的自然科学实验，尤其是力学和光学实验。为了提高自己的动手能力，他利用业余时间向木匠学习手艺，也向车工师傅学习技能，并培养出一双灵巧的手。星期天，赫兹从不休息。他在学校学习绘画。有趣的是，当他的机械师得知赫兹已经成为一名物理学教授时，他遗憾地喊道:“唉！真遗憾！赫兹应该是一个多么出色的特纳啊！”高中毕业后，赫兹认为他将来适合做建筑工程师。因此，1876年春天，赫兹被德累斯顿高等技术学校录取，学习工程学。今年秋天，赫兹应征入伍，并在柏林铁路部队服役一年。第二年秋天，在他任职之后，赫兹进入慕尼黑大学，继续学习工程学。在这里，他有机会听了著名物理学家菲利普·冯·朱莉的物理和数学课。菲利普·冯·朱莉曾经是诺贝尔物理学奖得主普朗克的老师。他简单而深入的教学深深吸引了他的学生，激起了赫兹的好奇心。赫兹对物理和自然科学非常感兴趣。在父亲的同意下，赫兹放弃了工作，以约里为师，学习物理和数学。在导师的指导下，赫兹认真刻苦地研究了法国著名数学家、物理学家、天文学家拉格朗日、拉普拉斯、泊松等人的经典著作和科学史。他特别仔细地阅读了拉格朗日的分析力学和分析函数理论。拉普拉斯概率理论的分析理论；以及泊松的数学专著，如“热的数学理论”，为他们未来的科学发现奠定了坚实的理论基础。当时，著名的数学家和物理学家亥姆霍兹和基尔霍夫都在柏林大学教书。为了能听到这两位著名教授的声音，赫兹申请转到柏林大学学习。从此，他成了亥姆霍兹和基尔霍夫最喜欢的学生。亥姆霍兹是能量守恒和转换定律的创始人之一。他很快发现了这个年轻而勤奋的大学生的非凡才能，并决定从各个方面培养赫兹。亥姆霍兹说:“当他还在做基本的实际工作时，我觉得有责任培养这个天才学生。”在导师的指导和帮助下，经过赫兹自己顽强的奋斗和艰苦的探索，他终于成长为一名著名的物理学家，并最早发现了电磁波。因此，赫兹一生都深深感激他的导师。1879年暑假之前，亥姆霍兹给柏林大学哲学系的学生举办了一次物理竞赛。这个问题需要实验来证明沿着电线移动的电荷是否有惯性。赫兹以极大的兴趣参加了比赛，并取得了最好的成绩。柏林大学校长爱德华·泽勒亲自授予赫兹一枚金牌，这是赫兹一生中的第一枚奖牌。1880年3月15日，赫兹在亥姆霍兹的指导下，在他的论文《旋转球体中的感应》中取得了杰出的成就，并获得了博士学位。他在亥姆霍兹学院呆了两年半，担任亥姆霍兹的助理。在此期间，赫兹致力于研究热力学、弹性理论、固体和蒸发等理论问题，并进行了大量实验，发表了近20篇论文。同时，他还帮助亥姆霍兹指导实习生。1882年，赫兹开始研究稀薄气体中的光现象。为了使实验更加准确，赫兹亲自制作了许多实验仪器，如电力测力计、湿度计等。，并花了很多时间。他后来写道:“我花了几个小时做的就是一个接一个地钻孔，弯曲铁皮，然后在铁皮上画几个小时，等等。”1883年5月，赫兹发表了一篇关于辉光放电的论文。赫兹的研究实际上是关于阴极射线的，这为后来发现伦琴射线开辟了道路，从而揭示了物质结构的奥秘。然而，令人遗憾的是，赫兹在去世前没能看到他的研究所带来的激动人心的重大发现。后来，赫兹接受了基尔霍夫教授的建议，转到基尔大学担任数学和物理讲师。在基尔大学教书时，赫兹除了认真听课之外，还花了很多时间在电动力学上。1884年秋，赫兹被任命为卡尔斯鲁厄高等技术学校的物理学教授。几年前，他开始解决亥姆霍兹关于柏林科学院奖励的问题。1879年，亥姆霍兹在综合当时电磁学的研究成果，特别是麦克斯韦电磁场理论的基础上，设立了柏林科学院奖励奖，题目是“通过实验建立电磁力和电介质极化之间的关系”。这个问题的关键是用实验来证明麦克斯韦位移电流的重要理论。赫兹认为麦克斯韦的理论是正确的，但是如何用实验来证明电磁波的存在呢？他对这个难题进行了多次实验，但收效甚微。然而，赫兹没有灰心，一直在思考这个难题的解决方案。为了解决这个悬而未决的问题，赫兹除了教学以外，所有的时间都花在了学校的实验室里。在卡尔斯鲁厄高等技术学校的物理实验室里，有一个叫做里斯螺线管的感应线圈。这种仪器有初级和次级线圈，它们互相绝缘。在实验中，赫兹发现，如果一个脉冲电流输入到初级线圈，就会在次级线圈的火花隙中产生电火花。这一现象立即引起了赫兹的注意。他敏锐地感觉到这是一个类似于声共振的快速电磁共振过程。他认为电火花的来回跳跃表明在电极之间建立了一个快速变化的电场和磁场，因为根据尚未被实验证明的麦克斯韦电磁理论，变化的磁场将以电磁波的形式辐射到周围的空间。赫兹得出结论，次级线圈火花隙中的火花是由初级线圈的电磁振荡和次级线圈的感应引起的。为了用实验证明麦克斯韦神秘的电磁场理论和电磁波的存在，赫兹精心设计了电磁波发生器，并对“电火花实验”进行了一系列深入的研究。赫兹使用两块16英寸的方形锌板，每块锌板都连接到一根12英寸长的铜棒上，铜棒的一端焊接有一个金属球，将铜棒连接到感应线圈的电极上。通电时，如果两个铜棒上的金属球靠得很近，就会看到火花从一个球跳到另一个球。这些火花表明电流在不断循环，金属球之间产生的高频电火花，即电磁波，被麦克斯韦认为是被送到了太空。赫兹为了捕捉这些电磁波，证明它确实被送到了太空，他用一根两端有铜球的铜线弯成一个环，作为探测器。他把探测器放在离电磁波发生器10米远的地方。当电磁波发生器通电时，探测器铜线线圈两端的铜球上会产生电火花。这些火花是怎么产生的？赫兹认为这是发射器发出的电磁波，被探测器捕获。电磁波不仅产生了，而且还传播了10米远。1887年11月5日，赫兹在他的文章《论绝缘体中的电过程引起的感应现象》中总结了他对电磁波的研究结果，并将其发给亥姆霍兹，在这篇文章中，麦克斯韦的电磁场理论得到了实验证明。亥姆霍兹一口气读完了这篇论文，并且非常高兴地马上给他最喜欢的学生写信:“手稿收到了。好的。手稿将于周四送去排版。”仅仅三天后，赫兹收到了老师的回复。谁也没想到赫兹会用如此简单的自制仪器来验证麦克斯韦深奥的电磁场理论。赫兹的论文在1879年成功地解决了亥姆霍兹的奖励问题，从而获得了柏林学院的科学奖。从那以后，电磁波的存在被证实了，没有人再怀疑它了。从那时起，赫兹就专门从事电磁波的研究。他发现电磁波可以不受阻碍地穿过墙壁，但是又大又薄的金属片被阻挡了。他还测量了电磁波的波长，并计算了电磁波的传播速度。他发现它在真空中的传播速度和光一样快。在赫兹测量电磁波传播速度的实验中，选择了一个长15米、宽14米、高6米的教室。在距离波源13米的墙上安装了一块4米×2米的锌板。当波源发出的电磁波被锌板反射时，驻波在空间形成。赫兹首先用探测器测量电磁波的波长，然后根据线性振荡器的大小计算电磁波的频率，最后用驻波法精确测量电磁波的传播速度。1888年1月，他完成了论文《论电效应的传播速度》，并发送给了老师亥姆霍兹。赫兹在论文中证实电磁波的传播速度等于光速。赫兹的论文发表后吸引了全世界的科学关注。伦琴教授后来发现了x光，他写信祝贺赫兹，并称赞他的实验是近年来物理学中最杰出的成就。然后赫兹对电磁波的反射、折射和极化进行了一系列实验，证明电磁波具有与光波相同的物理性质，如反射、折射和极化。他写了《论电射线》来证明电磁波和光波的同一性。现在我们经常说无线电波、红外线、可见光、紫外线、x光和伽玛射线都是电磁波。赫兹的杰出成就当时受到科学界的高度赞扬。他的导师亥姆霍兹称赞说:“光，这种如此重要而神秘的自然力，最近与另一种同样神秘的力——电——有了亲缘关系，这种力可能会被更多地使用，并且令人信服地证明这种现象无疑是一项重大成就。现在，人们开始理解原本应该在远处直接作用的力是如何通过作用在最近介质上的介质传递的，这对于理论科学来说可能更为重要。”从1888年到1892年，年仅30多岁的赫兹先后受聘于柏林科学院、剑桥哲学学会、曼彻斯特哲学学会等重要学术团体或组织。先后被维也纳科学院、法国科学院、英国皇家学会、都灵科学院等授予荣誉称号。以表彰赫兹对人类的杰出贡献。