沈建峰

19世紀(jì)下半葉的德國已成為世界科學(xué)中心，在物理學(xué)界可謂人才濟濟、群星燦爛。海因里?！?shù)婪颉ず掌潱℉einrichRudolfHertz）正是這個科學(xué)家群體中一顆光彩照人的巨星。他既有淵博的知識，又具有融實驗家和理論家為一體的非凡天才，在其所涉獵的諸多領(lǐng)域中，都做出了杰出而偉大的貢獻(xiàn)。

19世紀(jì)還是牛頓力學(xué)如日中天的時代，電學(xué)還屬于旁門左道的研究領(lǐng)域，當(dāng)時活躍的電學(xué)家大多數(shù)都是發(fā)明家，比如發(fā)明電報的莫爾斯，原來是畫家；發(fā)明電燈的愛迪生，只在正規(guī)學(xué)校讀了幾年書就輟學(xué)了；還有發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的法拉第，原來是報童和裝訂工人……這些今天聽來如雷貫耳的名字，當(dāng)時都是憑借個人興趣在進(jìn)行電學(xué)方面的探索和研究，而主流的物理學(xué)家們，對電學(xué)仍然不屑一顧。

直到1873年，麥克斯韋的經(jīng)典著作《電磁學(xué)通論》問世，電磁學(xué)才有了系統(tǒng)理論，但由于采用力學(xué)類比的方法，數(shù)學(xué)工具又極其艱深難懂，再加上當(dāng)時大多數(shù)理學(xué)家接受諾伊曼和韋伯的超距作用理論，以至麥克斯韋晚年在劍橋大學(xué)教授電磁理論時，竟然只有兩個學(xué)生在聽課！這一方面說明電磁學(xué)在當(dāng)時的地位，連對新事物特別敏感的學(xué)生也不感興趣；另一方面，麥克斯韋的理論的關(guān)鍵點，即關(guān)于存在電磁波的預(yù)言，尚未得到實驗證實。

那么，麥克斯韋的電磁理論，會不會像他關(guān)于土星的研究成果一樣，要過一百多年才被證實呢？今天我們知道，沒有經(jīng)過那么漫長的歲月，否則，我們今天還進(jìn)入不了信息時代。讓電磁學(xué)榮登物理學(xué)圣殿的關(guān)鍵人物，是德國物理學(xué)家海因里希·魯?shù)婪颉ず掌?，將其推向?qū)嵱玫墓Τ?，則是意大利科學(xué)家馬可尼和俄國科學(xué)家波波夫。而當(dāng)年麥克斯韋的兩個學(xué)生之一弗萊明，則在后來發(fā)明了電子管，這一成果稱霸電子工業(yè)50多年，至今仍在某些場合使用。

1857年2月22日，赫茲誕生于德國漢堡的一個富裕家庭，他的父親是一位律師和市議員，母親是一位醫(yī)生的女兒。赫茲有個幸福的童年，從父親身上繼承了對人文科學(xué)的熱愛，喜歡學(xué)習(xí)阿拉伯語和梵文。后來一位叔公送給他一些儀器，他在家里裝備起一個小型實驗室，學(xué)著擺弄物理和化學(xué)實驗，逐漸萌發(fā)了對自然科學(xué)的熱愛，興趣慢慢從人文轉(zhuǎn)到理工。他在繪畫、雕刻、木工、金工和設(shè)計上都顯示出精湛的手工技巧，這使他在一生的科學(xué)實驗中受益匪淺。

中學(xué)畢業(yè)后，赫茲曾在一家公司實習(xí)土木工程，并曾在德累斯頓、慕尼黑等地學(xué)習(xí)科學(xué)和工程學(xué)。20 歲時他來到柏林，成為人生的重大轉(zhuǎn)折點，他從一個實驗者轉(zhuǎn)變成為一位學(xué)者。1878 年他進(jìn)入柏林大學(xué)，并在亥姆霍茲和基爾霍夫指導(dǎo)下學(xué)習(xí)。亥姆霍茲是19 世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一，在生理學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)和氣象學(xué)等領(lǐng)域有諸多建樹，最著名的是發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律，更重要的是，亥姆霍茲是賞識麥克斯韋工作的為數(shù)不多的物理學(xué)家之一，這對赫茲的研究方向起了重要作用。

在柏林大學(xué)，赫茲獨立進(jìn)行的第一項物理學(xué)研究就獲了獎，這是亥姆霍茲提出的一個有獎問題，研究在一個容器中的運動電荷是否具有慣性質(zhì)量。1879 年，亥姆霍茲又提出一個有獎問題，鼓勵“建立磁力和絕緣體的介質(zhì)極化之間的某些聯(lián)系”，赫茲曾打算以此作為博士論文課題，但由于沒有找到入門的途徑，他選擇了另一個在帶電旋轉(zhuǎn)球體中感應(yīng)效果的問題研究，并在第二年以 “優(yōu)異學(xué)業(yè)成績”獲得了博士學(xué)位。同年，他被任命為物理學(xué)演示教師，擔(dān)任亥姆霍茲在物理研究所的助手達(dá)三年之久。在此期間，他在眾多學(xué)科領(lǐng)域發(fā)表了13篇科學(xué)論文，展示了卓越的科研才華。

1883 年，赫茲離開恩師亥姆霍茲，到德國北方海港城市基爾，任基爾大學(xué)理論物理編外講師。兩年后，他來到卡爾斯魯厄工學(xué)院，擔(dān)任實驗物理學(xué)教授。應(yīng)該說，當(dāng)時赫茲的才華已經(jīng)得到公認(rèn)，選擇卡爾斯魯厄工學(xué)院，主要是為了繼續(xù)進(jìn)行他攻讀博士學(xué)位時未能進(jìn)行的電磁學(xué)研究?？査刽敹蚬W(xué)院是德國第一座工科大學(xué)，環(huán)境幽雅，不受干擾，而且有相當(dāng)數(shù)量的實驗設(shè)備，德國汽車大王本茨就畢業(yè)于這里；其次是因為卡爾斯魯位于德國西南部的萊茵河畔，有綿延200公里的森林和大片的丘陵，空氣清新，對他的身體健康應(yīng)該會有好處。在這里，他完成了著名的電磁波實驗，還收獲了愛情，與一位講師的女兒結(jié)婚。

盡管赫茲的博士論文沒有選擇研究尋找電磁力和絕緣體的介質(zhì)極化之間聯(lián)系，但他對導(dǎo)師提出的這個問題總是時刻縈懷在心。經(jīng)過幾年醞釀，赫茲于1884 年寫出一篇重要論文，他用一種新的方法推導(dǎo)出麥克斯韋方程組，既不用力學(xué)類比，也避開了位移電流概念，得出我們目前使用的不含標(biāo)勢和矢勢的對稱的麥克斯韋方程組。正是這種簡單明了、優(yōu)雅對稱的表達(dá)式，征服了物理學(xué)家，后來愛因斯坦一生都在堅持找到簡單、優(yōu)雅的數(shù)學(xué)表達(dá)。

赫茲堅信麥克斯韋理論是正確的，它在數(shù)學(xué)上簡直完美得像一個奇跡！仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想象它是錯誤的。然而，不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證。于是他設(shè)計了一套裝置，來驗證電磁波的存在。赫茲的裝置在今天看來很簡單：它的主要部分是一個電火花發(fā)生器，有兩個相隔很近的小銅球作為電容。當(dāng)合上了電路開關(guān)，電流穿過裝置里的感應(yīng)線圈，開始對銅球電容進(jìn)行充電。隨著電壓的上升，很快兩個小球之間的空氣就會被擊穿，然后整個系統(tǒng)就會形成一個高頻的振蕩回路（LC回路），如果麥克斯韋是對的話，那么在兩個銅球之間就應(yīng)該產(chǎn)生一個振蕩的電場，同時引發(fā)一個向外傳播的電磁波。在實驗室的另一邊，放著一個開口的銅環(huán)，在開口處也各鑲了一個小銅球，那是電磁波的接收器。如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話，那么它就會穿越這個房間到達(dá)另外一端，在接收器那里感生一個振蕩的電動勢，從而在接收器的開口處也激發(fā)出電火花來。

1988 年，即赫茲的實驗100周年紀(jì)念之際，美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）在紐約舉行了一個慶祝赫茲成就的專題討論會。在這個會上，展出了一套擦得锃亮的由倫敦自然科學(xué)博物館提供的赫茲原先使用過的儀器的復(fù)制品?？梢韵胂螽?dāng)年，赫茲站在那里，仿佛他的眼睛已經(jīng)看見無形的電磁波在空間穿越。當(dāng)銅環(huán)接受器突然顯得有點異樣，赫茲忍不住要大叫一聲，他湊到銅環(huán)的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣里閃爍。他跑到窗口，把所有的窗簾都拉上，現(xiàn)在看得更清楚了：淡藍(lán)色的電花在銅環(huán)的缺口不斷地綻開，而整個銅環(huán)卻是一個隔離的系統(tǒng)，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲注視著，在他眼里，那些藍(lán)色的火花顯得如此美麗。終于他揉了揉眼睛，直起腰來：現(xiàn)在不用再懷疑了，電磁波真真實實地存在于空間之中，正是它激發(fā)了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個8年前自己的恩師提出懸賞的問題；同時，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學(xué)的一個新高峰——電磁理論終于被建立起來。勤奮的法拉第為它打下了地基，天才的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，偉大的赫茲為這座大廈封了頂。

赫茲進(jìn)一步研究了電磁波的各種性質(zhì)，確認(rèn)了電磁波具有與光類似的特性，如反射、折射、衍射等，并求出電磁波的傳播速度，正如麥克斯韋預(yù)測的一樣，等于光速，從而全面驗證了麥克斯韋電磁理論的正確性。1888年1月，赫茲將這些成果總結(jié)在《論動電效應(yīng)的傳播速度》一文中公布，轟動了全世界的科學(xué)界。1888年，也因此成為近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，之前邁克爾遜在1881年進(jìn)行的實驗和1887年的邁克爾遜-莫雷實驗，推翻了光以太的存在，現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)露出了萌芽，這完全可以用我們熟知的互聯(lián)網(wǎng)做一個類比。20世紀(jì)80年代末，沒有幾個人聽說過互聯(lián)網(wǎng)，但它卻如星星之火，在二十多年后呈燎原之勢，走進(jìn)社會生活的方方面面；而19世紀(jì)80年代末的電磁波，在當(dāng)時也只有少數(shù)科學(xué)家理解和信服，二十年后，無線電通信已勢不可擋，對社會發(fā)生了重大影響。即使在封閉落后的中國，也對當(dāng)時清政府的覆滅產(chǎn)生了重大影響。袁世凱1909年被罷黜返鄉(xiāng)，就在家中秘密設(shè)立了無線電臺，隨時截獲清廷的最新動向，暗中指揮北洋軍，從而為在辛亥革命中復(fù)出，當(dāng)上民國大總統(tǒng)做好了準(zhǔn)備。

赫茲不僅用實驗證實了麥克斯韋論，還在氣象學(xué)、力學(xué)、材料等諸多方面有所建樹。他發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，與他對陰極射線的研究一起，成為現(xiàn)代物理學(xué)的開場鑼，而光電效應(yīng)正是愛因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。

赫茲在1889年完成了這些工作，并在同年被任命為波恩大學(xué)的物理學(xué)教授。不管從一個物理學(xué)家的角度，還是從一個普通人的角度來看，赫茲的德國同事們都深深地尊敬他，并期待著他接替亥姆霍茲的“德國物理學(xué)的帝國大臣”的位置， 然而，就在他37歲生日前2個月，他卻因慢性血液中毒去世，比恩師亥姆霍茲去世還早8個月。為了紀(jì)念他的功績，人們用他的名字作為電磁波和其他波動頻率的單位，簡稱“赫”。