第二十九回　赫茲發現電磁波，天才早逝莫奈何

伙計，你只要聽過收音機，那么就一定知道赫茲，而且知道它是頻率的國際單位。但是，許多人可能并不清楚，其實這個國際單位是為了紀念本回主角、德國物理學家赫茲，他的全名為海因里?！數婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz）。

赫茲的主要功績是他首次用實驗證實了電磁波的存在。當然，“電磁波”這個名詞對普通讀者來說也不陌生，大家在各種新聞和書籍中都會經常聽到和看到它。但是，很多人可能并不知道電磁波對人類來說非常重要，它的種類也很多，與你我的生活更密切相關。若按輻射頻率的順序從低到高把電磁波排列出來，那么電磁波可分為無線電波（主要用于廣播、電視和通信等）、微波（主要用于微波爐、電磁爐、衛星通信、導航和定位等）、紅外線（主要用于遙控、熱成像、導彈紅外制導等）、可見光（它是人眼可以接收到的一種電磁波，是所有生物用來觀察事物的基礎）、紫外線（可用于消毒、查驗假鈔、測量距離、工程探傷等）、X射線（可用于CT照相）、γ射線（可用于醫療）等。除了上述應用外，其實電磁波還有一些應用。比如，波長為2～25μm且強度適中的電磁波會與體內細胞產生諧振，從而增強微循環，促進新陳代謝，預防和治療濕疹、痛經、痔瘡、凍瘡、胃炎、偏頭痛、頸椎病、腰肌勞損、外傷感染、橫膈膜痙攣、風濕關節炎、面神經麻痹、腰椎間盤突出、神經性皮炎、坐骨神經痛等，促進術后傷口愈合。不過，我們必須指出，有些電磁波會對人體造成傷害。若長期接受過強的電磁輻射，就可能導致流產、胎兒畸形、提前衰老、心律失常、視力下降、聽力下降、血壓異常、月經紊亂、免疫力下降、記憶力減退、生殖力下降、新陳代謝紊亂，甚至引發癌癥等。

當然，除了電磁波外，赫茲還有多項其他重大發現。比如，他發現電磁波與光波同速，且性質相同；發現電子沖擊原子并激發出發射譜線時，其能量是分立的。此外，他的成果還促使后人發現了波動方程和光電效應等。非常可惜的是，如此罕見的天才巨星卻過早隕落人間，只活了36歲！唉，一言難盡，還是慢慢從頭道來吧。

話說1857年（即咸豐七年，著名數學家柯西去世的那一年）2月22日，赫茲以長子身份出生于德國漢堡的一個條件優越的律師之家。媽媽是一位醫生的女兒。爸爸的進取心很強，先是作為律師界的代表被選為市議員，后來成為司法局長官。爸爸對兒子寄予厚望，很重視兒子的早期教育。赫茲也很爭氣，上中學時一直是班里的優秀生。他不但天資聰穎、悟性出眾，還有很強的記憶力和邏輯思維能力，更有強烈的求知欲。他的每門功課幾乎都名列前茅，尤其是數學更出色。除了聽講外，他還喜歡動手做實驗。他的這種手腦并用的良好習慣對后來的成功起到了關鍵作用。

赫茲的課外興趣很廣泛，他喜歡繪畫，其素描才華和功底更不一般，甚至還在美術學校接受過正規訓練。他對語言文字也頗有研究，能熟練背誦許多古代和現代文學名著，甚至終生都喜歡《荷馬史詩》《柏拉圖對話錄》和《但丁詩集》等。他的外語能力更令人嘆服，除了英語、法語和意大利語等常見語種之外，他還在諸如阿拉伯語等小語種方面出類拔萃，以至相關老師很嚴肅地去他家找他爸爸，強烈建議赫茲今后攻讀東方學。他還很擅長木匠活，不但自購了一架木工車床，還正式拜一位木匠為師，按木匠的職業標準勤學苦練。他的技藝進步很快，以至這位師傅也來家訪，希望赫茲今后成為一名“小魯班”。

當然，赫茲也并非全才。比如，他在音樂方面總是跑調，老師雖已竭盡全力，但他仍未取得明顯進步。所以，他從未加入學校合唱隊。即使是音樂課上的練習，為了不讓其他同學被他帶跑調，老師只好單獨忍受他的“殺豬式嚎叫”。18歲時，赫茲以優異成績從中學畢業，學校給他的總體評語是：邏輯敏銳，記憶力強，敘事靈巧，數學出色。

中學畢業后咋辦呢？他與爸爸協商后，父子倆達成一致意見：進軍建筑業，成為工程師。為此，赫茲進入了法蘭克福設計局，從事相關工程工作。他既學習必要的實踐知識，又提前接受鍛煉。一年后，19歲的赫茲考入了慕尼黑高等技術學校學習工程專業。但他很快就發現自己其實并不喜歡工程。特別是該專業的測量、繪圖、結構等必修課更讓他覺得枯燥無味。顯然，赫茲選錯了專業。于是，他當機立斷，借當年征兵之際，搖身一變就成了一名鐵道兵?？赡闹獎偝觥盎⒀ā庇窒荨袄歉C”。原來部隊里機械單調的“操練、行軍、再操練、再行軍”讓他備感壓抑和沉悶。做逃兵當然不可能，于是他馬上調整心態，把兵營生活當成對自己的一次挑戰。果然，他很快就嘗到了甜頭，某些壞毛病竟被根除了。

20歲那年，服役歸來的赫茲征得父母同意后，將專業換成了數理方向，立志成為科學家。這時，他幸運地遇到了人生第一位貴人——物理老師約里。約里老師不但在課堂上認真教學，還在課外給他開了不少“小灶”，比如推薦他潛心研究拉格朗日、拉普拉斯等數學家的名著，提醒他關注自然科學史，以便理解若干科學前沿的來龍去脈。后來的事實表明，約里的建議對赫茲的成功非常有用。實際上，赫茲對約里的建議不但言聽計從，還主動加碼。他深入鉆研了許多領域的經典原著，對以往的重大科學發現有了全面系統的了解。他不但更加佩服前人的聰明才智，還為自己找到了人生榜樣。隨著學業的迅速進步，赫茲和約里都意識到，當前這所名不見經傳的大學已容不下他這條“潛龍”了。于是，在21歲那年，赫茲來到了德國最高學府柏林大學，并拜入頂級物理學家亥姆霍茲的門下。后者是赫茲的第二位也是最重要的一位貴人。

果然是名校出才子。赫茲懷著激動和崇敬的心情進入柏林大學后，宛如一位虔誠的信徒深深地被這里的濃厚學術氣息所吸引。在寫給父母的信中，他感嘆道：這里的學生確實與眾不同，教室里常常座無虛席，還有許多人站著聽課，甚至連走廊都擁擠不堪。在如此良好的環境中，赫茲的學習熱情更加高漲，他如饑似渴地汲取著各方面知識。這里的實驗環境相當好，各種先進的儀器應有盡有，任何設備都可隨時使用，實驗的配套服務也很到位。

果然是名師出高徒。赫茲的非凡天賦和杰出才華很快就引起了亥姆霍茲的關注，于是這位導師經常刻意幫助、培養他，熱心回答他的任何疑問，但又從不將自己的觀點強加于他。那時，導師剛好為全校出了一道公開競賽題：用實驗驗證沿導線運動的電荷作為電流來說是否真的具有慣性?；镉?，你若不懂該競賽題目也沒關系，其大意是：若這里的“慣性”被否定，即運動電荷不像運動物體那樣具有慣性，那么當時的電動力學主流觀點將被實驗否定。亥姆霍茲其實對“電荷慣性”持懷疑態度，只是苦于一時拿不出實驗證據而已。經過一番巧妙的實驗后，赫茲果然沒找到“本該出現的電荷慣性”，從而贏得了這次競賽，于22歲那年獲得了柏林大學校長親自頒發的金質獎章。這也是赫茲獲得的首個科學獎。后來的事實表明，正是這次競賽從信心和科研內容兩方面將赫茲引向了發現電磁波的大門。

不久以后，導師又以柏林科學院之名，面向全世界提出了另一個競賽題目：用實驗建立電磁力和絕緣體介質極化的關系?；镉?，與前面的競賽題目類似，你若不懂該題也沒關系。形象地說，若該實驗成功，那就相當于用實驗發現了電磁波。其實，電磁波的存在早已在理論上被麥克斯韋預測到了，只是仍苦于沒有實驗證據而已。雖然赫茲沒參加這次競賽（他正忙于準備博士論文），但是競賽題目所提出的問題深深地印進了他的腦海里，以至他在8年后還會回過頭來解決此問題，從而取得了自己最輝煌的成就。這再一次說明，“提出問題”的重要性確實不亞于“解決問題”。

花開兩朵，各表一枝。其實，赫茲獲得博士學位的過程也極富傳奇色彩。他只用了短短三個月就完成了論文所需的全部實驗，并撰寫了相關實驗報告。該報告得到了導師和另一位大科學家基爾霍夫教授的一致好評，他們齊刷刷地亮出了高分，一致同意赫茲參加博士論文答辯。在答辯會上，赫茲應答自如。對于基礎理論問題，他描述得清楚而準確；對于經典哲學問題，他更是侃侃而談，還嫌問題不夠刁鉆；對于相關專業問題，他也給出了滿意的答復。總之，兩小時后，答辯委員會給出了少有的好成績。1880年3月15日，赫茲獲得了柏林大學博士學位，這時他剛剛23歲。

博士畢業后，赫茲留校任教，成了導師亥姆霍茲的科研助手，從此開始向發現電磁波的重大成就步步逼近。他在導師的指導下，更加全面深入地研究了麥克斯韋電磁學理論。他經常應邀前往導師家中，一邊品茶，一邊與導師進行面對面的學術討論。導師那嚴謹的科學態度、從容不迫的科研風格和慢條斯理的生活情調都對后來赫茲的攻堅克難起到了重要作用，畢竟做大事是急不得的。導師經常帶赫茲參加各種高端會議，他不但結識了眾多頂級科學家，還及時掌握了科研前沿的新動向。這激勵他勇往直前。這時的赫茲已進入成果高產期，其研究領域橫跨熱力學、彈性理論、固體力學等。更重要的是，作為一名未來的頂級實驗物理學家，赫茲越來越成熟。一方面，他對實驗結果總能給出客觀冷靜的分析，用實驗去驗證相關理論的能力也越來越強；另一方面，他的實操技巧越來越高，甚至還能親自動手制作若干特需實驗儀器。比如，他吹玻璃的水平竟不亞于專業工匠，能設計和吹制各種試管和器皿。他親自制作的電功率儀在隨后發現電磁波的重大課題中發揮了關鍵作用。

26歲那年，赫茲跳槽到了名不見經傳的基爾大學，擔任數學和物理學教授。雖然該大學的教學、科研和實驗環境等都完全不能與柏林大學媲美，學術氛圍更是差得出奇，但基爾大學給了他一樣最重要的東西，那就是時間！的確，赫茲在這里的近三年時間里，幾乎可以心無旁騖地做自己想做的任何事情。于是，他系統地思考了電動力學和電磁輻射問題，特別是再次對麥克斯韋的電磁學理論進行了地毯式的梳理，冥冥之中好像已瞄準了那頭“巨獸”——用實驗證實電磁波的存在。

做實驗的基本功練就了，電磁學理論也爛熟于胸了，目標也鎖定了。終于，赫茲要發起總攻了。為此，他以實驗物理學教授的身份跳槽到了條件更好的卡爾斯魯厄高等工業學校，并親自動手對所有實驗設備和儀器進行了全面修繕，讓實驗室煥然一新。時年，他剛好28歲。

可是，當赫茲剛要吹響沖鋒號時，才突然發現萬事俱備，只欠東風！東風在哪兒呢？這股東風就在該校數學教授多爾的家里。這位多爾教授越看赫茲越順眼，于是就把自己的寶貝閨女介紹給了赫茲。二人一見面，就立馬產生了“量子糾纏”。短短4個月后，多爾教授還沒來得及準備嫁妝就樂哈哈地當上了岳父。時年，赫茲29歲。據說，赫茲在談戀愛時，他的科研并未受到影響。據夫人的回憶，在戀愛期間，他倆在月下看星星時，她看到的是如意郎君的眼睛在閃閃發光，而他將“星星的閃耀”量化成了不同的頻率。

愛情的力量是巨大的。雖然“愛情電磁波”不是“物理電磁波”，找到了“愛情電磁波”并不等于找到了“物理電磁波”，但是在“愛情電磁波”的激勵下，赫茲很快就找到了“物理電磁波”。1886年10月的一天，赫茲在一次實驗中發現了電磁波這頭巨獸的“腳印”，用行話來說就是發現了電磁感應過程中的電磁共振現象。此時，他剛結婚三個月。又過了兩個月，1886年12月2日，赫茲成功地將該“巨獸”引入了“包圍圈”，用行話來說他在兩個直線振蕩器之間成功地實現了共振，引發了傳統物理學中不曾有過的遠距作用。在“收網”前，為確保萬無一失，赫茲決定再給那頭“巨獸”致命一擊。1887年，他又對實驗進行了改進，在直線振蕩器上增加了一個感應平衡器，使得直線振蕩器產生的電磁波能激發出感應電流，感應電流又能發射出一種附加電磁波，并產生電火花。1887年10月，30歲的赫茲總算逮住了這頭“巨獸”，圓滿地解決了導師在8年前提出的競賽題目。同年11月5日，赫茲將其成果寫成論文并通過導師轉交給了柏林科學院。至此，麥克斯韋的預言被證實了，電磁波終于被找到了！

成功找到電磁波后，赫茲并不打算就此罷休，他還要做更深入的研究。首先，他要測量電磁波的速度?；镉?，這可不簡單喲。別忘了，為了測量清晰可見的光速，人們可是前赴后繼花費了好多年的時間。而電磁波則更是看不見摸不著，對其測速當然更難。經過一番努力，赫茲在1888年1月成功地測得了電磁波的速度，它竟然與光速相同。這再次讓大家震驚不已，原來麥克斯韋的預測又對了！接下來，赫茲窮追猛打。既然電磁波與光跑得一樣快，那么它們會不會就是同類呢？又經過一年多的巧妙驗證，赫茲終于用實驗證實了：電磁波具有光波所具有的所有物理特性。原來電磁波與光波還真具有同一性呀！1889年，赫茲出版了自己最重要的專著《論電力射線》，用事實證明光從本質上說也是一種電磁波。從此以后，光學與電學便合而為一了。書中暗表，此處為啥只描述赫茲所提出的問題，而并未介紹他是如何解決這些問題的呢？這主要是因為一方面解決這些問題的過程太專業，不易說清；另一方面，更主要的是，對于一個想成為科學家的人來說，“提出問題”經常比“解決問題”更重要。

32歲時，已成為世界著名科學家的赫茲改任波恩大學教授。這時，他轉向了理論物理研究，與列納德教授一起發現了一個重要科學事實，即原子是可滲透的，原子的質量集中在原子所占空間的微粒中。這一重大發現為隨后盧瑟福建立原子模型奠定了基礎。后來，合作者列納德教授因此獲得了1905年的諾貝爾物理學獎?？上?，那時赫茲已去世，因而他與諾貝爾獎無緣。不過，赫茲的偉大已不是任何獎項所能匹配的了。在波恩大學期間，赫茲還取得了許多重大成就。限于篇幅，這里不再詳述了。

我們必須指出，赫茲還是一位極富批判精神的科學家，他從不將已有的科學成果看成金科玉律。他有一句名言，很值得重視，那就是“來源于實驗的東西也可用實驗去修正”。35歲那年，他出版了生前的最后一部著作《關于電力傳播的研究》。這是古今中外少有的一部奇書，它不但介紹了作者的成功，更難能可貴的是還介紹了作者所經歷的挫折、失敗甚至錯誤。赫茲的坦蕩無私更加令人敬佩。其實，在科研中，有時“失敗”也是一種“成功”，甚至可能是更大的“成功”，因為“失敗”更能深刻地啟迪后人。

赫茲的去世也令人唏噓。一來，他還非常年輕，正處于最好的年華；二來，他其實沒啥大病，只是牙齦膿腫而已，但當時的醫生無能為力，以至最終演變為敗血癥。于是，1894年1月1日，赫茲與世長辭，享年僅僅36歲！