方程预言了一种没人看见的波

麦克斯韦说,变化的电场和磁场能相互维持,在空间中以光速传播。如果结论正确,光只是一个更大电磁家族中人眼可见的一小段。但十九世纪七十年代,还没有人直接制造并探测这种波。

赫尔姆霍兹把问题交给年轻学生海因里希·赫兹。赫兹起初觉得实验太难,没有立即接受;几年后,更快的电火花装置给了他机会。

接收器上只有一道极小火星

赫兹让高压电在两个金属球之间跳火。快速振荡的电荷从发射器向外辐射。他的接收器只是一圈留有微小间隙的导线。若电磁波抵达,间隙里会出现第二道极小火花。

那道火花太暗,他常需让眼睛适应黑暗再贴近观察。赫兹不仅确认它存在,还研究反射、折射、偏振和驻波,测得传播速度接近光速。1886 至 1888 年的一系列实验让麦克斯韦的数学波拥有了实验室里的身体。

电磁波传播 科学模型图 E E B B E ⟂ B ⟂ c λ = 6m E ⟂ B ⟂ c λ = 6m 传播方向 c 传播方向 c
时间 0ns 动画已调整播放速度,时间读数仍为真实物理时间。
图示说明

动态物理图:hertz_radio_wave;展示时间。

这里选取 f=50MHzf=50\,\mathrm{MHz}λ=6m\lambda=6\,\mathrm{m},模型由 v=fλv=f\lambda 得到 v=3.0×108m/sv=3.0\times10^8\,\mathrm{m/s}。一个周期只有 20ns20\,\mathrm{ns},肉眼不可能直接追踪,所以播放器把这一周期慢放为 2.4 秒;时间读数仍显示真实的纳秒,不把演示速度冒充物理速度。波形向接收器平移一个波长后回到相同相位。

赫兹本人没有预见广播和移动通信的产业。他认为实验主要证明理论。后来工程师把火花变成信号,频率单位也以他的名字命名。

发现常被画成一道耀眼闪电,赫兹真正等待的却是一点几乎看不见的亮光。理论给了他寻找方向,暗室让微弱证据有机会被看到。

史料与延伸阅读