洛奇的電磁波實(shí)驗(yàn)——電磁波的發(fā)現(xiàn)

麥克斯韋電磁理論支配著包括靜電、穩(wěn)恒磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等一切宏觀電磁現(xiàn)象，而且將光學(xué)統(tǒng)一在這個(gè)理論框架之內(nèi)，這是繼牛頓力學(xué)體系建立之后，愛因斯坦與量子力學(xué)出現(xiàn)之前，物理學(xué)所取得的最大成就。

但是這個(gè)理論，即便是在麥克斯韋去世后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，依然得不到實(shí)驗(yàn)上的證明，也無法得到廣泛的承認(rèn)。在當(dāng)時(shí)，最具影響力的是韋伯、諾伊曼的電磁學(xué)理論。因?yàn)檫@兩個(gè)人都地處歐洲大陸，這套理論也被稱為大陸派電動(dòng)力學(xué)，當(dāng)然他們兩個(gè)的理論也沒有得到實(shí)驗(yàn)證明。

麥克斯韋的理論以法拉第場(chǎng)為基礎(chǔ)，與其他所有學(xué)派對(duì)電與磁現(xiàn)象的解釋截然不同。麥克斯韋關(guān)于電磁場(chǎng)的描述過于復(fù)雜，在最初的表現(xiàn)形式也過于復(fù)雜。即便在英國(guó)，麥克斯韋的理論也沒有受到過多的關(guān)注，絕大多數(shù)物理學(xué)家對(duì)這個(gè)理論表示困惑。

也有少部分人愿意相信麥克斯韋的一切。在其中，除了簡(jiǎn)化麥克斯韋方程組的英國(guó)人亥維賽之外，還有愛爾蘭的喬治·菲茲杰拉德（George FitzGerald）和英國(guó)的奧利弗·洛奇（Oliver Lodge）。這三個(gè)人和麥克斯韋之間有一個(gè)共同特點(diǎn)，那就是均來自英倫三島。

自從1873年麥克斯韋出版《電磁學(xué)通論》之后，菲茲杰拉德和洛奇便成為這一理論的忠實(shí)擁護(hù)者。1878年，兩人在都柏林會(huì)面后決定合作，分別從理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面驗(yàn)證麥克斯韋的電磁學(xué)理論［40］。他們通過書信頻繁交互對(duì)方的發(fā)現(xiàn)，并與亥維賽建立了聯(lián)系。

菲茲杰拉德認(rèn)為，在一個(gè)閉合的電路中對(duì)電容器進(jìn)行放電，將引發(fā)快速的電流震蕩，從而可以產(chǎn)生具有厘米級(jí)或者米級(jí)波長(zhǎng)的電磁波。他甚至精確計(jì)算出采用這種方法所能產(chǎn)生的波長(zhǎng)。菲茲杰拉德進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，也許他所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)確實(shí)產(chǎn)生了電磁波，卻沒有找到合適的電磁波檢測(cè)方法。

動(dòng)手能力更強(qiáng)的洛奇幾乎成為發(fā)現(xiàn)電磁波的第一人。1987年，洛奇受邀進(jìn)行避雷針優(yōu)化的工作。在當(dāng)時(shí)避雷針采用電阻極低的銅棒直接接地。但是非常多的事實(shí)發(fā)現(xiàn)，采用這種方法在很多情況下，并沒有取得良好的避雷效果。在很多情況下，閃電沒有通過銅棒這個(gè)指定路徑，而是其他電阻更高的線路。

洛奇假設(shè)閃電不是由連續(xù)的直流組成，而是變換的電流組成。他使用萊頓瓶模擬閃電進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)后，認(rèn)為電阻很低的銅棒在周期變換的電流作用下具有較大的感抗，從而整體阻抗不是最低。這個(gè)發(fā)現(xiàn)極大優(yōu)化了避雷針的設(shè)計(jì)。

在今天，避雷針大體由兩部分組成，一個(gè)是外殼，另一個(gè)中心接地桿。其中外殼與中心接地桿之間具有幾毫米的間距，形成一個(gè)耦合電容。當(dāng)閃電擊中避雷針后，直流部分通過外殼接地放電，交流部分通過耦合電容后接地放電，頃刻間將雷電流泄放入地。

1888年，洛奇進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎改寫了電磁學(xué)史冊(cè)。洛奇在進(jìn)行避雷針優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用兩個(gè)萊頓瓶，并在上方放置了一對(duì)火花間隙。當(dāng)萊頓瓶放電時(shí)，火花間隙將出現(xiàn)光弧，洛奇使用這種方式模擬閃電。在一次實(shí)驗(yàn)中，洛奇使用兩根29米長(zhǎng)的電線與萊頓瓶相連，并在兩根電線之間，放置了幾個(gè)火花間隙B1、B2與B3，如圖1?20所示。

圖1?21 洛奇的電磁波實(shí)驗(yàn)

當(dāng)萊頓瓶放電時(shí)，火花間隙A將出現(xiàn)光弧，隨后洛奇驚奇的發(fā)現(xiàn)，B1、B2與B3也相應(yīng)出現(xiàn)了光弧，而且在最末端的B3出現(xiàn)的光弧最長(zhǎng)。洛奇明白這是因?yàn)樵陂g隙A處震蕩所產(chǎn)生的震蕩，沿著導(dǎo)線傳播在末端B3反射的結(jié)果，在此處入射波與反射波是同相的，而且是產(chǎn)生的電壓是A點(diǎn)的一倍。

此外，洛奇還證明了電線沿線存在駐波。在一間昏暗的房間里，他觀察到電線上有一道可見的輝光。1888年的夏季，他還進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，直到他認(rèn)為他發(fā)射并接收到了麥克斯韋在24年之前預(yù)言的電磁波。

隨后洛奇去阿爾卑斯山度假，他準(zhǔn)備歸來時(shí)報(bào)告這個(gè)驚人的結(jié)果。但他在乘坐火車時(shí)，無意中發(fā)現(xiàn)在1888年7月的《物理年鑒》中，有一篇名為《空氣中的電動(dòng)波及其反射》的文章，署名是在當(dāng)時(shí)并不有名的一位德國(guó)研究員，海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）。

赫茲有一個(gè)非常出名的老師赫爾曼·范·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）。亥姆霍茲是能量守恒定律的創(chuàng)立者之一，也是在當(dāng)時(shí)能夠看懂麥克斯韋電磁學(xué)理論的人。在當(dāng)時(shí)，以韋伯和諾伊曼為代表的大陸派電動(dòng)力學(xué)更為主流。

但是亥姆霍茲發(fā)現(xiàn)大陸派電動(dòng)力學(xué)的一個(gè)核心理念“韋伯力”，并不遵守他所創(chuàng)建的能量守恒定律；隨后出現(xiàn)的一些實(shí)驗(yàn)證明諾伊曼的勢(shì)理論也存在不小的問題。此時(shí)他沒有更好的選擇，擺在他面前的只剩下并不被看好的麥克斯韋。

亥姆霍茲以自己的方式，重新描述并通俗化了麥克斯韋的理論，還留下了關(guān)鍵的一步，使用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。1879年冬，德國(guó)柏林科學(xué)院根據(jù)亥姆霍茲的倡議，頒布了一項(xiàng)科學(xué)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)，征求麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的實(shí)驗(yàn)證明。

亥姆霍茲鼓勵(lì)他的學(xué)生赫茲從事這方面的實(shí)驗(yàn)。在1886年至1888年間，赫茲通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了麥克斯韋爾的理論。這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是著名的赫茲實(shí)驗(yàn)。在赫茲實(shí)驗(yàn)中使用的電磁波發(fā)射與接收裝置如圖1?22所示。

圖1?22赫茲實(shí)驗(yàn)使用的電磁波發(fā)射與接收裝置

在進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前，赫茲首先從觀察電磁作用在導(dǎo)線中的傳播開始，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了位移電流的存在，并隨后觀測(cè)到了“導(dǎo)線波”以有限的速度傳播。1887年11月與1888年1月，赫茲發(fā)表了《論絕緣體中電擾動(dòng)產(chǎn)生的電磁效應(yīng)》與《論電磁作用傳播的有限速度》這兩篇文章闡述兩個(gè)發(fā)現(xiàn)［42］。

此時(shí)的赫茲幾乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電磁波，他準(zhǔn)備進(jìn)一步驗(yàn)證電磁作用在空氣中的傳播。這是赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波最為重要的階段，也是他在這段“發(fā)現(xiàn)電磁波”歷程中最為艱難的時(shí)刻。

在驗(yàn)證位移電流與導(dǎo)線波的過程中，赫茲對(duì)于如何調(diào)整電容與電感，操控火花間隙S處產(chǎn)生光弧已經(jīng)爐火純青［42］。這套裝置即為圖1?22的左半部分，相當(dāng)于電磁波發(fā)生器。

在實(shí)驗(yàn)中，赫茲將感應(yīng)線圈的兩端與兩個(gè)銅棒相連，當(dāng)感應(yīng)線圈的電流突然中斷時(shí)，由感應(yīng)所產(chǎn)生的高電壓將使火花間隙S產(chǎn)生火花，之后電荷經(jīng)由火花間隙在鋅板C間振蕩。由麥克斯韋理論，這種火花將產(chǎn)生電磁波。

在赫茲實(shí)驗(yàn)中，最為艱難的是如何設(shè)計(jì)接收裝置即檢波器，來發(fā)現(xiàn)在空氣中傳播的電磁波。檢波器的英文是Detector，主要功能從無線電信號(hào)中獲得有用信息的裝置，是無線電接收系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。

受時(shí)代制約，赫茲只能設(shè)計(jì)出一個(gè)非常簡(jiǎn)陋的檢波器。他將一小段導(dǎo)線彎成圓形，線的兩端留有小電火花隙。如果電磁波能夠從空氣中傳播到這個(gè)小線圈時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并在火花間隙M處產(chǎn)生電弧。

這次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得異常艱苦。赫茲的發(fā)射裝置確實(shí)能夠產(chǎn)生電磁波，但是這次實(shí)驗(yàn)的檢波器過于簡(jiǎn)陋。赫茲花費(fèi)了大量的時(shí)間，調(diào)整發(fā)送裝置與檢波器，具體的工作是鉆孔，繞線圈，調(diào)整電容大小與火花間隙的距離，調(diào)整檢波器的位置等一系列瑣碎的事務(wù)型工作。直到某一天，赫茲在一間昏暗的實(shí)驗(yàn)室中，發(fā)現(xiàn)了火花間隙M中的火花。

1888年3月，赫茲與亥姆霍茲分享了這個(gè)結(jié)果，并在同月的31日，將《空氣中的電動(dòng)波及其反射》這篇文章抄送至《物理年鑒》。這是人類歷史上，第一次觀測(cè)到電磁波在空中的傳遞。

赫茲通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出電磁波在空氣中的傳播速度。雖然這個(gè)傳播速度與光速之間有較大的誤差，但至少在一個(gè)數(shù)量級(jí)中。

英國(guó)人洛奇與這個(gè)巨大的榮譽(yù)插肩而過，但他的注意力沒有放在被赫茲搶了頭功這件事情上，相反赫茲實(shí)驗(yàn)的完備使其深受鼓舞。來自英倫三島的另外兩位科學(xué)家菲茲杰拉德與亥維賽對(duì)赫茲實(shí)驗(yàn)也產(chǎn)生了濃厚的興趣。此后的時(shí)間，四人頻繁交流，增加了赫茲對(duì)電磁波的認(rèn)識(shí)。

1888年12月，赫茲發(fā)表《論電磁輻射》［42］，論述了電磁波的偏振、反射和折射現(xiàn)象的研究方法，并提供了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這篇文章的最后，赫茲非常自信地認(rèn)為，電磁波具有與光相同的屬性。這些屬性既能通過光學(xué)的角度推演出來，也能通過電磁學(xué)的角度進(jìn)行推演。

至此麥克斯韋通過理論推導(dǎo)得出的光與電磁波的同一性獲得了充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。赫茲實(shí)驗(yàn)之后，只有時(shí)間能夠阻擋無線通信的出現(xiàn)。在科學(xué)家、企業(yè)家、工程師與無數(shù)普通人的合力之下，這個(gè)時(shí)間被無限縮短。

不同的人懷著不同的目的，駛?cè)肓诉@片由法拉第、麥克斯韋與赫茲等人開辟的藍(lán)海。這片藍(lán)海所蘊(yùn)含的巨大能量，扭曲了這段歷史，使許多參與者只能擁有身后榮譽(yù)。

編輯：hfy