赫兹是如何证实电磁波存在的？

大家晚上好，我们在此前的名人中，给大家介绍过法拉第、麦克斯韦、波波夫、特斯拉等多位大牛。他们要么是电磁理论的奠基人，要么是电磁应用的发明家。

但是，有一个人，一直没来得及介绍。他就是电磁理论和电磁应用之间最重要的衔接者，第一个证实电磁波真实存在的人，德国著名物理学家，海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）。

赫兹在物理史上拥有举足轻重的地位。如果没有他，麦克斯韦的电磁理论和方程式只能继续吃灰，而马可尼等人的无线电发明，连影子都不会有。

正因为有了赫兹和他的发现，麦克斯韦才能沉冤得雪，电磁理论也能重见天日。我们呢，则最终迎来了精彩纷呈的移动通信时代。

那么，赫兹究竟是一个什么样的人？他是如何证实电磁波存在的？今天这篇文章，小编给大家讲讲赫兹的传奇故事。

▉ 天才少年的成长之路

1857年2月22日，赫兹出生在德国汉堡一个犹太家庭。

他的家境非常不错，父亲叫古斯塔夫·费迪南德·赫兹，是德国汉堡市的一名大律师（后来成为参议员）。母亲叫安娜·伊丽莎白·菲弗克恩，是一位医生的女儿。赫兹是家里最大的孩子，他还有3个弟弟和1个妹妹。

6岁时，赫兹被父母安排进入了汉堡当地的私立学校进行学习。这所学校的校长弗里德里希·威查德·兰格，是一个著名的教育家。他的教育理念是以孩子为中心，进行个性化培养。赫兹在这所学校里表现出色，排名第一。

15岁的时候，赫兹离开了私立学校，在家自学。因为他想考大学，而威查德·兰格的私立学校并没有希腊语和拉丁语的课程（这是大学入学必须具备的能力）。

 

为了更好地学习语言，他们家请了一个很厉害的家教——德国著名语言专家雷德斯洛教授。结果，没过多久，雷教授跑去告诉赫兹的老爹，说赫兹实在是个语言学天才，“我从来没见过像赫兹这么有天分的孩子”。

17岁的时候，赫兹来到约翰尼姆学校，复习准备大学考试。结果，当他一年后考试通过时，这家伙又改变了主意。他搬到法兰克福，跟着一个建筑师当学徒，想进军建筑行业。

没过多久，赫兹就放弃了自己的建筑师梦想，跑回德累斯顿学习工程学。

几个月后，赫兹应征入伍，服役一年。这期间，赫兹陷入了人生的迷茫阶段。他在给自己老妈写信时，提到：

“日复一日，我觉得自己就是个废柴。”

值得庆幸的是，赫兹的颓废状态并没有持续多久。1877年10月，退役的赫兹搬到慕尼黑，开始继续学习工程学课程。

同年，赫兹考入慕尼黑大学，选修高等数学、力学、实验物理和实验化学课程。一年后，表现优异的他又进入柏林大学。

▉ 师从名师，崭露头角

来到柏林之后，赫兹终于遇到了自己人生中最重要的两位导师，德国著名科学家古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）和赫尔曼·冯·赫尔姆霍茨（Hermann von Helmholtz）。

基尔霍夫专攻辐射、光谱学和电路理论的研究。赫尔姆霍兹则致力于电动力学和热力学领域的理论研究 。

赫尔姆霍茨很快发现赫兹是一个物理学的天才，于是对其非常器重，进行重点培养。

当时，赫尔姆霍茨在学院里设立了一个有奖竞答。谁能回答出他的问题，就能拿到奖品。

他的问题很短，但是很难：

“电是带着惯性运动的吗？”

（这个问题也可以理解为：“电是有质量（动能）的吗？”）

赫兹对这个问题非常着迷。于是，他到处搜集资料进行学习，试图找到答案。

1879年8月，22岁的赫兹通过一系列实验，得到了自己的结论：如果电流有任何质量，这个值一定小到难以置信。

当时的人们，并不知道电子的存在。直到18年后的1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生在研究阴极射线时，才发现了电子。电子的质量确实是极小的，只有9.10956×10-31kg。以赫兹那个时代的技术能力，肯定是测不出来滴。

不管怎么说，赫兹的回答得到了赫尔姆霍茨的认可，他也赢得了老师的奖品——一块金牌。

后来，赫尔姆霍茨又提了一个问题。这次赫兹不干了，拒绝参与。他认为，花三年的时间，又去研究一个可能没有结果的问题，实在是浪费生命。

1880年1月，赫兹完成了关于旋转导体电磁感应的论文，并从大学毕业。

毕业后，赫兹在柏林物理研究所担任了三年赫尔姆霍茨教授的助理。在此期间，赫兹发表了15篇关于各种领域的论文，其中涉及气象学、力学、电学、电磁感应和阴极射线等多个学科。

渐渐地，赫兹开始在科学界建立起自己的影响力。  

渐渐地，发际线也保不住了  

1883年，26岁的赫兹来到基尔大学，担任理论物理讲师。

1885年3月，赫兹转到德国西南部边境的卡尔斯鲁尔大学（Karlsruhe），担任物理系教授。

同年7月31日，赫兹娶了自己同事——几何讲师马克斯·多尔的女儿，伊丽莎白·多尔（Elizabeth Doll）。当时，他们相识还不到四个月。后来，他们生了两个女儿，分别叫约翰娜和玛蒂尔德。

▉ 走向巅峰，发现电磁波

接下来，就是赫兹的高光时刻了。

赫兹跟随赫尔姆霍兹研究物理学的时候，就曾经研究麦克斯韦的电磁理论。当时，德国物理界普遍相信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此，赫兹决定，以实验来验证韦伯和麦克斯韦的理论，到底谁是对的。

依照麦克斯韦理论，电扰动能辐射电磁波。于是，赫兹先设计了一个电磁波发生器。

他建造了一个由铜旋钮构成的振荡器。每个旋钮都连接到一个高压感应线圈上，并通过一个小间隙与另一个旋钮分离，火花可以在这个间隙上移动。当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万。如果麦克斯韦的理论是正确的，此时就会产生电磁波。

赫兹的实验装置

为了监测电磁波，赫兹又设计了一个接收器。他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。如果有电磁波，此小线圈上就会产生感应电压，从而使电火花隙产生火花。

因为火花极其微小，所以，他必须坐在暗室中进行实验。果然，在实验中，赫兹亲眼看到了微弱火花的产生！

1887年11月5日，赫兹发表了名为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文，总结了自己的重要发现。这一论文直接轰动了整个物理学界。麦克斯韦的电磁理论，翻身逆袭，被奉为经典。此时，距离麦神去世，已经过去了整整9年。

麦克斯韦

后来，赫兹继续通过实验，确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等。赫兹还实验了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时，电磁波的传播速度与光速相同，从而证明了光就是一种电磁波。

在此基础上，赫兹还进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。

赫兹的发现具有划时代的意义。当时，因为是赫兹验证了电磁波的存在，所以电磁波直接被称为“赫兹波”，直到多年以后，才改叫“电磁波”。

我们现在都知道，赫兹的发现具有广泛的实际用途，打开了新世界的大门。但是，当时的赫兹，并没有意识到这一点。他说：

“我认为我所发现的无线电波，不会有任何实际应用。”

除了发现电磁波之外，赫兹还在光电效应领域做出了贡献。

他注意到带电金属物体当被紫外光照射时，会很快失去它的电荷，发现了光电效应。

当时，他无法解释这一现象。若干年后， 爱因斯坦成功解释了这一现象（紫外光光子有足够的能量与金属中的电子相互作用，使电子有足够的能量逃离金属），并以此获得了诺贝尔奖。

1889年，赫兹来到波恩大学担任教授。在这里，赫兹与他的助手菲利普·勒纳德（Philipp Lenard）一起研究阴极射线和气体放电。没想到，后来的1905年，勒纳德凭借自己在阴极射线方面的研究，拿到了诺贝尔物理学奖。。。

勒纳德

▉ 英年早逝，令人叹息

1888年至1890年，赫兹获得了国内外的广泛荣誉。他分别获得意大利科学协会、巴黎科学院、维也纳帝国科学院颁发的各种奖章奖金，德国政府还授予了他“王冠勋章”。

然而，也就是这一期间，赫兹开始遭遇严重的健康问题。

在搬到波恩之前，赫兹就开始牙痛，接受了牙科治疗。1889年，他把所有的牙齿都拔掉了，试图治愈这一顽疾。然而，到1892年初，问题又回来了，这次是他的喉咙和鼻子。剧烈的疼痛导致赫兹无法继续工作，只能四处寻找治疗方法。

1893年春天，赫兹尝试恢复工作，并做了几次手术。不幸的是，疾病让他患上了抑郁症。12月3日，他寄出了自己最后著作（《机械原理》）的手稿。12月7日，赫兹做了生前最后一次演讲。

不久后，1894年1月1日，赫兹因血液中毒，在波恩去世（死因至今存在争议），年仅37岁。

赫兹死后，他的妻子并未改嫁，而是继续抚养两个女儿长大。1930年代，希特勒和纳粹党掌权，开始迫害犹太人。他妻子带着女儿逃往英国剑桥。

值得一提的是，赫兹的家族后来也算是人才辈出。他的女儿玛蒂尔德，成为了一名著名的生物学家和心理学家。他的侄子古斯塔夫·路德维希·赫兹（Gustav Ludwig Hertz），作为量子力学的先驱，获得了1925年的诺贝尔奖。古斯塔夫的儿子，卡尔·赫尔穆特·赫兹，则是核磁共振波谱学的先驱，发明了医学超声。

古斯塔夫·路德维希·赫兹

1930年，国际电工委员会为了纪念赫兹，将他的名字定为频率测量单位。1960年，国际度量衡大会官方正式确认了这一单位。

1945年二战结束后，赫兹恢复了自己在德国的名誉，重新获得德国民众的尊重。德国汉堡的无线电塔，也被命名为赫兹塔。

最后，我们用赫兹的悼词来结束今天的文章：

“他是个高尚的人，有着难得的好运，能找到许多崇拜者，但没有人恨他，也没有人羡慕他；那些与他有过私人接触的人，都被他的谦逊所打动，被他的和蔼可亲所着迷。他是真正的朋友，是尊敬的老师；对他的家人来说，他是一位慈爱的丈夫和父亲。”

感谢您，伟大的海因里希·鲁道夫·赫兹！
 

原文标题：“赫兹波” “电磁波” 傻傻分不清楚？看这里就够了

文章出处：【微信公众号：中科院半导体所】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。