中外科学家发明家丛书:赫兹_2-第4章
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通曾用旋转镜面法来测量电流的速度。他在一根几公里长的导线上每隔半公
里截出一个火花隙，在导线的两端加上高压电源，结果各火花隙相继产生电
火花；然后他用旋转镜测出相邻的两个火花隙产生火花的时间差，以此算出
电流的速度是每秒46万多公里，比光速还要大。十几年后，菲索按照同样的
原理，利用旋转齿轮的方法测得电流的速度为每秒钟18万公里，比光速又小
得多。后来又有许多人作过这方面的努力，但从未得到过统一的结果，因此
开耳芬断定，导线中的电流不可能有确定的速度。
但科学家们并未就此停止努力。法拉第在1857年至1858年间曾进行过
一次测量电磁力在电磁场中传播速度的实验，实际上是测量电磁波的速度，
只是那时还没有这个概念。他在一间很大的房子里平行放置了三个线圈，中
间是施感线圈。两边的是感应线圈与一个电流计相连，连接方式要保证从两
个线圈中流出来的感应电流以相反的方向流过电流计。法拉第认为，如果两
个感应线圈尺寸相同，并与施感线圈的距离相等，那么它们产生的感生电流
的大小就会相等，这两股大小相等、方向相反的感生电流在流过电流计时，
就不会使其指针偏离；但如果两个感应线圈与施感线圈的距离不相等，那么
电磁波到达两个感应线圈的时间就会有先后之分，电流计的指针就应当先偏
向近的一边后偏向远的一边。他认为可以根据线圈的距离差和电流计偏转的
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时间差算出电磁波的速度。法拉第的这一实验原理是正确的，但他显然对电
磁波速度的数量级尚未有正确的概念，结果在实验时他并未看到期望的结
果，不管怎么挪动线圈，电流计的指针始终未动，后来他又在一块较大的场
地中进行这个实验，仍没取得成功。赫尔姆霍茨在这方面也有一次失败的尝
试，他得到的电磁波的速度是每秒钟60多公里，比光速低得太多了。
前人失败的教训，可以让赫兹少走一些弯路，也可以给他一些启发。对
赫兹的思路产生有益启迪的是前人的驻波理论与实验。美国物理学家亨利是
最早认识到电流是一种波动形式的科学家，他在1837年就提出载流导线的表
面存在着一种电流波，并预言，如果在一根导线的正中部输入电流，电流波
将从导线的两个端面反射回来，在导线中形成驻波。1870年，物理学家贝佐
尔德根据亨利的预言做了一个电流驻波实验，并测出电流波长为15厘米。赫
兹决定不去直接测量电磁波的速度，而是用驻波的方法先测出一个驻波波节
的间距即半个波长，然后再根据开耳芬的振荡频率公式计算出电磁驻波的频
率，由此算出电磁波速。
有了正确的思路，赫兹开始为实验准备器材，同时还要寻找适合的实验
场所。研究所的房子太小，唯一合适的房间是一间大教室，为此，他只好利
用几个小时的课间休息时间来做实验。先和机械师一起把教室改装成实验
室，然后进行几个小时的实验，实验结束后再把教室恢复原样。为了减少干
扰，他们必须清除一切可以搬走的金属物品，包括煤气管和枝型灯架。他在
教室的一面墙上钉上一块高4米宽2米的锌皮，用来反射电磁波，以形成驻
波。为了测量和检查这条驻波，他使用了一个检验器，实际上相当于感应丝
圈，形状与感应平衡器中的谐振器大体相同。他用直线型振荡器作为波源，
放在离锌皮13米远的地方；把检验器装在小车上，使它能随小车沿驻波方向
前后移动。检验器在各种位置上对电磁驻波有不同的反应，处于波节处不会
产生火花，然后由弱渐强，处于波腹处产生最强的火花。赫兹根据这个反应
测量出了两个波节之间的长度为4．8米，此为半个波长。然后他根据麦克斯
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韦的电磁波速等于光速的假说，算出该电磁波振动周期为 1．55×10秒；
－8
他又根据开耳芬的振荡周期公式算出直线型振荡器的谐振周期为1．4×10
－8
秒，这两个周期的差仅为0。15×10秒，非常之微小。赫兹把这个误差归结
于测量的精度，这样就把电磁波的速度和光波的速度统一了起来。
1888年1月，赫兹将自己的这一实验成果写进了《论电动效应的传播速
度》一文中，也将这篇文章寄给了赫尔姆霍茨。赫兹的实验具有划时代的意
义，文章在柏林科学院会议记录中发表后，引起了科学界的高度关注。许多
科学家都向他表示祝贺，这其中自然有他的恩师赫尔姆霍茨，还有伦琴。伦
琴当时还没有发现X射线，但已经成为著名的实验物理学家，受到人们的尊
敬。伦琴对赫兹的实验工作给予了高度评价，认为这些实验工作是最近几年
物理学领域内最好的。
困难不能让赫兹止步，成功同样不会使他停止前进。赫兹清楚，证明电
磁波速等于光速并不等于证明了电磁波就是光波，因为光波具有的反射、折
射聚焦和偏振等性质还没有在电磁波身上得到印证；只有证明了电磁波具有
光波的一切特性，才能肯定二者的同一性。为此，赫兹又开始了下一步的实
验。
实验还是在改装后的教室进行，但最初的实验并不成功。也许是空间太
小？但这已是他能利用的最大房间。为了得到预期的结果，赫兹陷入了沉思。
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“既然山不能向穆罕默德走来，那么，穆罕默德就应该向山走去。”一句熟
悉的阿拉伯谚语给了他灵感，“既然没有更大的房间，那么就应该改变波长。”
于是，一切都豁然开朗。他用一根直径为3厘米、长为26厘米的偶极振荡器
发射电磁波，经过金属面反射形成了波长只有66厘米的短波；他用金属面成
功地使电磁波作了45度的反射，用高2米、孔径1．2米的抛物面使电磁波
聚焦，用固体树脂做成的绝缘棱镜使电磁波折射，用金属丝网使电磁波偏
振，……总之，赫兹用实验证明，光波所具有的一切物理特性电磁波都有，
从而完成了电磁波和光波的同一性的实验证明。
1889年，赫兹的科学专著《论电力射线》出版，这是他最重要的著作之
一。在这部著作中，赫兹报道了他的实验，用事实向人们证明，光从其本质
上说也是一种电磁波。从此以后，光学便可包括到电学领域中去了。这一发
现无疑具有极大的价值，正如赫尔姆霍茨所说：“光——这种如此重要的和
神秘的自然力，与另一种同样神秘的或许应用更为广泛的自然力——电，有
着最近的亲缘关系，令人信服地证实这种现象无疑是一项重要成就。现在，
人们开始懂得，那些曾设想是远距直接作用的力是如何通过一层中间介质作
用于最近一层介质的途径而传播的，这一点对理论科学来说可能更重要。”
赫兹实验的意义不仅证明了柏林科学院竞赛题的第三条假设，更重要的是证
明了麦克斯韦的电磁理论是实际的反映，从而使这一理论得以确立，使传统
的远距论电动力学理论被抛弃。赫兹在谈到他的实验的意义时曾说道：“在
电学领域中，为科学所尊崇的，但为理智所不愿接受的远距直接作用力的统
治，看来已被简单的和有说服力的实验永远地否定了。”
赫兹以其天才的、创造性的工作，把麦克斯韦开创的电的世纪带到了人
间。
八、波恩的最后岁月
电磁波的发现与证明，引起了科学界的极大震动，也给赫兹带来了极大
的荣誉。柏林科学院将他选为通讯院士，莫斯科科学协会聘请他为名誉会员，
古老的利奥波尔迪纳自然科学院吸收他为成员；另外，维也纳科学院、法国
科学院、伦敦皇家学会及都灵科学院等授予他奖章和奖金。同时，许多大学
都向这位年轻的教授发出了邀请，其中最殷切的是柏林大学的赫尔姆霍茨。
作为导师，赫尔姆霍茨时刻关注着赫兹的每一个科研成果，他对赫兹卓
有成效的工作深为高兴，并对他的每一个进步都给予及时的鼓励和支持，赫
兹的科学著作，大都是先由他审定然后发表。现在，由于基尔霍夫的逝世，
柏林大学正好空出一个职位，他希望赫兹能成为继任者，到基尔霍夫教研室
去任职。为此，赫尔姆霍茨亲自向柏林大学提出由赫兹作基尔霍夫教研室的
继任者，并认为他是所有候选人中最适当的。与此同时，赫尔姆霍茨又向教
育部陈述意见，称颂赫兹是一位将深远的科学洞察力和实际技能结合在一起
的极其少有的科学家，指出，赫兹以其实验解决了“电磁效应是否建立在远
距作用的基础之上，或者电磁效应是否在充满空间的介质中通过变化的途径
而传递以及为了传播电磁效应而类似光那样需要时间”，这是科学上特别重
要的成就。教育部建议赫兹在柏林大学和波恩大学进行选择，赫兹为有更多
的时间从事研究工作选择了波恩大学，赫尔姆霍茨对他的意愿表示了支持。
他在给赫兹的信中说：“您不想到柏林来，这使我个人感到伤心；但就像我
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以前对您说过的那样，我想，您从自身的利益考虑最终选择波恩的决定当然
是正确的。谁给自己提出科学课题，并致力于解决它们，谁就应当留在远离
大城市的地方。”在回答波恩大学的询问时，赫尔姆霍茨极力称赞赫兹“既
能掌握最抽象的数学理论，又能以极灵活机敏的方法解决从这些理论中产生
的实验性问题”，是“青年物理学家中最有能力和最富独创思想的佼佼者”。
由此我们不难看出，赫兹的成功，最主要的原因自然是他天赋的才能和勤奋
工作的结果，但与外部的环境，尤其是与赫尔姆霍茨的支持也是分不开的。
1889年春天，赫兹离开了卡尔斯鲁厄高等工业学校，作为正式教授来到
了波恩大学，成为物理学家克劳修斯的继任者。
当时，波恩还是一座小城市，并没有今天国际大都市的规模，波恩大学
的规模也较小，但这里的条件不错。克劳修斯曾经拥有的一座带花园的住宅，
现在归赫兹一家使用。房间宽敞明亮，花园里鲜花飘香，赫兹对此深感满意。
然而研究所的情况却不尽如人意，房间狭小，现有的仪器大部分都没有装配
起来，因为克劳修斯在其教学生涯的最后几年中为了爱惜仪器而不准使用它
们——这种因噎废食的逻辑，给赫兹最初的工作造成了一定的困难，但他并
没有止步。从1890年起，除了教学工作和继续实验研究外，他又重新开始了
理论问题的研究。
赫兹在波恩大学主要的实验研究是有关阴极射线穿透薄金属片的问题；
十年前，他曾在柏林大学进行过阴极射线的研究工作。他把阴极射线从真空
管中通过薄铝片释放出来，并借助于光屏蔽层和感光板在仪表之外更清楚地
观察研究这一现象。在这一研究中，赫兹得到了一个重要发现：原子不可能
是不能渗透的小球，但原子的质量应集中在原子所占据的空间微小粒子之
中。他的这一发现，为英国物理学家卢瑟福的原子模型奠定了基础。在这些
研究中，赫兹的助手列纳德曾积极参与。在赫兹逝世后，列纳德继续进行实
验，并以其出色的研究成果获得了1905年的诺贝尔物理学奖。
在波恩期间，赫兹还发表了许多科学著作，显示了他作为理论科学家的
天赋和才能。
《静止物体的电动力学基本方程》是赫兹对电磁理论深入研究的成果，
它使麦克斯韦的学说在结构上臻于完善。在论述运动物体的电动力学基本方
程时，赫兹在理论上超越了麦克斯韦。在论述麦克斯韦理论的实质时，他提
出了一个著名的论点，即“麦克斯韦理论就是麦克斯韦方程系”。另外，他
还创立了振荡器理论，试图解释运动共轭系统的电磁现象，这个理论是建立
在麦克斯韦电磁场方程式的基础上的。统观赫兹在电磁场理论上的贡献，我
们可以看出，他不只是证明了麦克斯韦学说的正确性，更重要的是重新论证
了这一理论，并且从模糊的、难以理解的麦克斯韦理论雏形中剔去了一切次
要成分，使其简单明了和易于计算，并使其具有了完整的数学形式。
赫兹在波恩大学的另一个理论研究重点是力学问题。
综观赫兹一生的科学历程，他是严格地坚持将力学作为物理科学的共同
基础，如他在一篇文章中所说：“所有物理学家都同意这样的观点，即物理
学的任务在于把自然现象归结为简单的力学定律。”但与牛顿的古典力学不
同，赫兹是被称为“无力力学”运动学流派的拥护者，这一流派认为，一切
物理现象都是运动着的重物在接触时的相互作用，而不是用力的概念作为解
释的依据。赫兹对力学的研究成果，主要体现在他的学术著作《无力的力学》
及《力学原理》等书中。
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赫兹是一位富有批评精神的科学家，反对把已有的科学见解看成是不可
动摇的金科玉律。这种精神是他科学创造活动的力量源泉之一。他有一句名
言：“来源于实验者，亦可用实验去之。”在对力学的研究过程中，他就是
本着这种精神，力图从自然科学中消除一切不合理的问题和臆想的证明。他
认为，“力”的概念是蒙昧时代观念的遗迹，“力的实质”是含糊不清的。
赫兹指出：“在很多情况下，我们的力学用以解释物理问题的力，在现实以
外，在事情涉及到叙述实际事实的任何地方，都是徒有其名地起作用。”他
深信，物理是借助于自己特殊的手段反映事物和事物之间的相互关系的，反
映的正确性取决于“事物的力”，而不受“我们支配”。而传统力学的“力”
是“数学的、辅助的结构，这种结构的性能完全受我们支配，因此，它就不
可能隐藏着什么神秘的东西。”他提出把物理的力看作是各种紧密联系的质
量的作用，这种质量有可见的，还有隐藏的——这种隐藏的质量正是传统力
学所无能为力，而又“在现实之外，在事情涉及到叙述实际事实的任何地方”
存在着的“神秘的东西”。因此，赫兹提出，在自然力学新程序中不用力的
概念来建立力学纲领，主张用简单、合理、经济的观念来反映自然现象，并
认为在描述自然过程时，时间、空间和质量的概念足以表达被观察的对象。
赫兹的力学
