中外科学家发明家丛书:赫兹_2-第4节

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双”的东方谚语似的，在不久后的一次实验中，赫兹在偶然中找到了他事业　

上的一个至关重要的突破点。　

　　　　　1886年10月的一天，赫兹在准备一次放电实验，使用了一种名叫黎斯　

线管的振荡线圈，这种线圈具有初级和次级。赫兹偶然发现，如果给初级线　

圈输入一脉动电流，在次级线圈两端的狭缝中间便会产生电火花。他当即断　

定这种现象的起因是感应过程，是初级线圈中电流振荡感应的结果，应该把　

它当作电磁共振来解释。他还发现，如果调整初级线圈与次级线圈的相对位　

置，火花会有明显的变化，而且当次级线圈在某些位置上时就根本不会产生　

电火花。赫兹犹如醍醐灌顶，心头一亮：既然初级线圈中的振荡电流能激起　

次级线圈的电火花，那么它应当具有使介质产生位移电流的能力；根据麦克　

斯韦的理论，这种位移电流也应是迅变的或振荡的，它反过来又会影响次级　

线圈，使它产生的电火花发生明显的强弱变化。　

　　　　　赫兹敏锐地感觉到，解决柏林科学院竞赛题的时机到来了。7年前，他　

认为借助于当时的设备和条件不可能会解决这个问题，因而放弃了深入研　

究；现在，无心插柳柳成荫，他开始信心百倍地去攻克它了。　

　　　　　用文字把这个创造性的实验过程表述出来是很困难的，也是很枯燥的；　

但为了说明赫兹的伟大成就，舍此之外，又别无良策。我们只好尽量简单地　

回顾一下这一创举。　

　　　　　偶然的发现激起了赫兹作进一步研究的欲望，但现有的仪器无法满足需　

要，他只能自己亲自动手设计制造实验工具。他巧妙地设计了一种直线型开　

放振荡器来代替黎斯线圈中的初级线圈，具体做法是：将一根短而直的导线　

截为两段，截口处形成火花隙，两段导线的外端分别都焊上一个金属球和一　


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块金属板，以增加振子的电容。当时还无法对这种振子的频率做出精确的计　

算，但赫兹根据英国物理学家开耳芬的振荡周期公式对这种振子作了粗略的　

估算，发现该振荡器的频率极高，足以使次级线圈产生电火花和使附近的介　

质极化。直线振荡器使赫兹的实验很快有了结果。1886年12月2日，他惊　

喜地发现，在两个电振荡器之间成功地引起了共振，这一现象与传统的远距　

作用论是矛盾的。3天后，赫兹把自己的一份实验观察报告寄给了恩师赫尔　

姆霍茨，并说：“我已成功地、毫无差错地显示了直线电流的感应作用，我　

冒昧地希望用这种方法能够解决与这个现象有关的一两个问题。”　

　　　　　为了进行下一步实验，赫兹于1887年又在直线型振荡器的基础上设计了　

一台“感应平衡器”。感应平衡器除包括直线振荡器外，还有一个电磁谐振　

器，它起检验器的作用，相当于黎线管中的次级丝圈。电磁谐振器是一个有　

断口（火花隙）的导体圈，断口的两个端点上各安置了一个小圆珠，可以用　

螺丝调整它们之间的距离。实验时，给直线振荡器输入脉动电流，使之起振，　

同时调整谐振器的位置，直到它的火花隙不产生火花时为止。如果这时将一　

块金属挪近感应平衡器，谐振器会重新发射出电火花。这是由于金属块感应　

出变化的电流，从而产生了一个附加电磁场作用于谐振器的结果。也就是说，　

直线振荡器产生的电磁波激起金属块中的感生电流，这种感生电流又发射出　

一种附加电磁波，致使谐振器的“平衡”状态被破坏，因而产生出电火花。　

　　　　　接下来，赫兹便要用实验证明，感应平衡器中的直线振荡器的振荡不仅　

能使金属产生迅变的感生电流，也应当能使附近的介质块产生极速的交替极　

化，从而产生迅变的位移电流。如果麦克斯韦的理论预言正确的话，这种位　

移电流非但能够产生，而且必定要反过来影响感应平衡器的平衡。因为有了　

感应平衡器，赫兹的实验便很容易地得出结果了。他先后用沥青块、纸、干　

木、砂石、硫黄、石蜡以及盛着45升汽油的橡皮槽等绝缘体介质做实验，都　

产生了位移电流，并对感应平衡器的平衡状态造成了一定的破坏。　

　　　　　此时，已是1887年的10月了。长期实验的劳累被成功的喜悦一扫而光，　

赫兹清楚，自己已成功地解答了柏林科学院的竞赛题；不仅如此，实验的成　

功，将有助于确立真正科学的电磁学理论：即法拉第—麦克斯韦理论。赫兹　

怀着激动的心情，把他的实验成果写入《论绝缘体中电扰动产生的电磁效应》　

一文中，并于11月5日将此文寄给了赫尔姆霍茨，请他提交柏林科学院。　

　　　　　11月8日，赫兹收到了来自柏林的一张明信片：“手稿已收到。好！！　

星期四我将手稿交付排印。海尔曼·冯·赫尔姆霍茨。”　

　　　　　这年年底，赫兹在柏林科学院的院会上向人们宣布：他成功地解决了　

1879年设立的竞赛题，并证明了麦克斯韦位移电流预言的正确性。此外，他　

还发现，传播在磁源以外空间的电磁场，实际上就是麦克斯韦早就预言的电　

磁波。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　七、电磁理论的确立　



　　　　　攻克了柏林科学院的竞赛题，赫兹自然十分高兴，因为这对于法拉第—　

麦克斯韦电理论的确立非常重要。但深刻领会麦克斯韦电磁场理论的赫兹同　

时也意识到，只是证明位移电流的存在对这一理论的确立来说远远不够，还　

必须证明空气中或真空中同样存在极化和位移电流，因为这才是麦克斯韦理　

论的宗旨和特殊意义之所在，是这一理论不可缺少的前提。前文已述，柏林　


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科学院1879年的竞赛题原本包括三个假设，其中第三个假设便是空气中或真　

空中同样存在着极化和位移电流，但由于赫尔姆霍茨认为这个假设证明起来　

太难，因而删掉了；即便如此，前两个假设也是在7年之后才被攻克。现在，　

赫兹决定向第三个假设发起“冲锋，”这种知难而进的精神，正是赫兹作为　

一个科学家取得成功的重要品质。　

　　　　　诚如马克思所说：在科学的道路上，从来没有平坦的大道可走，只有不　

畏艰险，沿着崎岖的山路奋勇攀登的人，才有希望到达光辉的顶点。赫兹选　

择这一难题作为攻关目标，自然不会企望能一蹴而就，他为遭受挫折和失败　

作好了精神准备；同时，他不是有勇无谋的赳赳武夫，凭着科学家的缜密思　

维，他审慎地思考着实验的最佳途径，以尽量少走弯路。　

　　　　　早在1845年，法拉第就提出了光、电同一的假设，麦克斯韦于1862年　

从理论上论证了光与电的同一性，并得出了“电磁波在真空中的速度等于光　

速”的划时代的理论，但验证这一理论的实验却一直没有取得突破性的进展。　

赫兹认为，柏林科学院竞赛题的第三个假设，即空气中或真空中存在极化和　

位移电流，是麦克斯韦电磁场理论不可缺少的前提，电磁波与光波的同一性　

是这一理论的必然结果，既然证明前提或原因（即第三个假设）从而推导出　

结果很困难，那何不先证明结果从而来推导出前提或原因呢？我们且用一个　

也许不太恰当的例子来说明赫兹的这一思路。好比麦克斯韦的理论讲的是下　

雨的过程，下雨是这一理论的结果，而其前提是空中有带雨的云层；要盲人　

证明空中有带雨的云层很困难，但如果证明现在正在下雨，那空中有带雨的　

云层这一难题不就迎刃而解了吗？因此，赫兹决定从证明电磁波与光波的同　

一性入手，确立麦克斯韦的电磁场理论，从而证明第三条假设。要证明电磁　

波就是光波，首先得确定电磁波的速度是否像麦克斯韦所预言的那样等于光　

速。　

　　　　　此时，人们已经得知光的速度每秒钟约为30万公里，但测量电磁波速的　

工作还没有正确的结果，甚至还没有找到正确的方法。随着有线电报在　19　

世纪30年代的兴起，科学家们就开始考虑电流的速度问题。1834年，惠斯　

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；