大家好,我是小枣君。

 

在此前的《通信名人传记系列》中,我给大家介绍过法拉第、麦克斯韦、马可尼、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,我一直没来得及介绍。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

 

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,小枣君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。

 

赫兹一家(右二站立者是赫兹)

 

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。

 

少年赫兹,小帅哥一枚

 

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。”

(……day by day I grow more aware of how useless I remain in this world.  )

 

 

青年赫兹(头发还在)

 

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!