通信领域的广播、电视、移动通信；医疗领域的X射线、核磁共振（NMR）；生活使用的微波炉和电磁炉……电磁波如今被广泛应用于人们的日常工作生活中，成为这个时代的重要基石。这一切都离不开一个人——德国科学天才海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）。

虽然电磁场理论之父的詹姆斯·麦克斯韦在1864年就预言了电磁波的存在，并得出结论：光是电磁波的一种形式，但是这个“神奇”预言因缺乏直接的实验证据，在当时并没有得到广泛的认可和接受。直到20多年后，德国物理学家赫兹设计实验验证了电磁，麦克斯韦的成就才得到世人的认可。后来，在赫兹的实验结果之上，马可尼发明了无线电，从此彻底改变了人们的生活，最终迎来了移动通信时代。

可以说，赫兹是物理学电磁理论和电磁应用之间最重要的衔接者，也是第一个证实电磁波真实存在的人，在物理学界占有举足轻重的地位。

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天才少年，崭露头角 

海因里希·鲁道夫·赫兹 

图片来源：百度百科

1857年2月22日，赫兹出生在德国汉堡市，家境优渥。6岁时，赫兹进入当地的私立学校，他表现出色，常常排名第一。

1875年，18岁的赫兹通过了德国大学统一入门考试 （Abitur examinations），来到了法兰克福开始学习建筑工程。没过多久，他放弃了建筑师的梦想，回到德累斯顿工学院学习工程学，几个月后他应征入伍一年。退役后，赫兹搬到慕尼黑，继续学习工程学课程。

1877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，他偶然在柏林听到了创立了能量守恒学说的物理学教授赫尔曼·冯·亥姆霍兹的演讲，开始对物理学、电学产生了浓厚的兴趣，因此他又转入了柏林大学，在这里，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·基尔霍夫和赫尔曼·冯·亥姆霍兹，开始全身心地投入学习研究中。

1880年，赫兹获得博士学位，并被评为荣誉优等生。毕业后，赫兹仍继续跟随亥姆霍兹做博士后研究，在此期间，他在众多科学领域发表过15篇各种领域的论文，展现了卓越的科研才华。1883年，赫兹收到基尔大学的邀请，出任该校理论物理学讲师，在此就任期间，赫兹发表论文《论麦克斯韦关于相向电磁基本方程之间的关系》（On the relations between Maxwell's fundamental equations of the opposing electromagnetics），提出了一套关于电磁力的自由传播理论，为他后来修改麦克斯韦方程组的表达形式作了铺垫。

1885年，28岁的赫兹收到了来自卡尔斯鲁厄工业大学抛来的橄榄枝，邀请他担任物理系教授。赫兹认为，不通过实验，无法真正接触到物理学真相。于是他接受了邀请并亲自改良实验室，在上课时进行各种示范性的实验。正是在这里，他完成了永载史册的电磁波实验。

02 

人生开挂，发现电磁波 

受导师亥姆霍兹的启发和鼓励，赫兹很早便开始便研究麦克斯韦的电磁理论。1879 年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明麦克斯韦的电磁理论与电磁波的存在。在此之前，一些科学家就已经开始探讨如何来验证麦克斯韦的电磁理论，其中包括物理学家菲茨杰拉德、W. 汤姆逊、亥姆霍兹等，赫兹也开始了验证电磁波的思考和研究。

依照麦克斯韦理论，电扰动能辐射电磁波。于是，赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡的原理，设计了一套电磁波发生器装置，来验证电磁波的存在。这是一台可以产生及接收电磁波的设备，主要部分是一个电火花发生器，用两个相隔很近的小铜球作为电容器。

当合上电路开关后，电流将穿过装置中的感应线圈，并对铜球进行充电，当电压上升到2万伏时，两个铜球之间的空气将被击穿，电荷就可以从中穿过，往来于两个大铜球之间，形成一个高频的振荡回路（LC回路）。

同时，为了监测电磁波，赫兹又设计了一个接收器。它由一个开口的铜环组成，铜环是孤立存在的，在开口的接口处各镶了一个小铜球，铜环开口与产生入射的电磁波共振，如果麦克斯韦预言的电磁波真的存在，那么在接收器铜环开口（只有几百分之一毫米宽）处，就可以产生微小的火花来体现电磁波的存在。再通过改变间隙的大小可评估接收到电磁波的强弱。如果麦克斯韦理论是正确的，那么此时两个铜球就会向外发射电磁波。

赫兹的实验装置 

图源：平度市工业和信息化局微信公众号

这个实验极难操作，铜环开口处产生的电火花不仅微弱，而且只能持续一个微秒左右，如果能够肉眼看到虚无缥缈的电火花简直是一种奇迹。完成实验装置准备后，赫兹打开了整个实验的开关，发生器的电火花产生后，他激动地看向另一端的铜环，铜环之间那微弱的电火花在那一刻如此的耀眼。赫兹成功解决了导师亥姆霍兹一直想要验证思考的问题，也将麦克斯韦的电磁学推上了最顶峰，传统物理学研究取得了轰动业界的巨大突破！

1887 年11 月5 日，赫兹发表了名为《论在绝缘体中电扰动所引起的电磁效应》（On electromagnetic effects produced by electrical disturbances in insulators）的论文，总结了自己的重要发现：无线电辐射具有波的所有特性，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这篇论文直接轰动了整个物理学界，让麦克斯韦的电磁理论被封为经典。赫兹的发现具有划时代的意义，他验证了电磁波的存在，所以电磁波也直接被称为 “赫兹波”，直到多年以后才改叫“电磁波”（无线电波）。

后来，赫兹又使用震荡的电子产生的波在屋子里传播的现象，证明了这种波可以像光波遇到镜子一样被反射， 也能够像光一样通过棱镜，甚至传播的速度都和光一样快。他用这个实验确定了电磁波的速度等于光速，且具有与光波一样的直线传播、反射、折射、偏振等性质，并将这些成果总结在《论运动传播速度的电效应》（On the electric effect of the propagation velocity of moving）的论文中，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。但当时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。”

03 

赫兹留给世界的重要影响 

赫兹纪念邮票 

赫兹不仅从实验上证明了麦克斯韦理论，还从理论上简化了麦克斯韦理论。在其发表的著名论文《关于静止物体的电磁学基本方程组》（On the fundamental equations of electromagnetics for bodies at rest）中，他进一步完善了麦克斯韦方程组，将其加工成现代数学的表达方式，为此，爱因斯坦把该方程组称为“麦克斯韦–赫兹方程组”；英国数学和物理学家奥利弗·海维赛德（Oliver Heaviside，1850–1925）甚至直接称之为“赫兹方程组”。

此外，赫兹对科学的贡献与思考对普朗克、洛伦兹、爱因斯坦等一大批科学家产生了积极影响。除了电磁波实验，赫兹还研究了紫外线光对火花放电的影响并进行了一系列实验，他是第一个发现光电效应的人，即在光的照射下带电金属会释放出电子的现象。三十多年后，爱因斯坦因成功解释了赫兹发现的光电效应，并因此获得了1921年诺贝尔物理学奖。赫兹对光电效应的这一重要发现，也成为爱因斯坦建立光量子理论的基础。

更重要的是，赫兹的实验发现具有划时代意义——奠定了无线通信的基础，决定了人类必将迈入信息时代。1895年，意大利青年古列尔莫·马可尼 （Guglielmo Marconi） 在度假时偶然读到了杂志上赫兹的一篇科普文章，其中描述了如何用振荡器激发电磁波。这个21岁的年轻人受到了极大的启发：用赫兹的火花振荡器产生的电磁波来发射信号。1901年，马可尼成功地将无线电信号送到大西洋彼岸的美国，由此开启了人类无线通信时代。

令人遗憾的是，1892年，赫兹被诊断出败血症，1894年1月1日，赫兹因血液中毒在波恩去世，年仅37岁，一颗科学巨星就此陨落。1930年，为了纪念赫兹的丰功伟绩，国际电工委员会把他的名字“赫兹”定为频率的测量单位。1960年，国际度量衡大会官方正式确认了这一单位。

赫兹的一生虽然短暂,但他对电磁波的验证为电磁波研究做出了里程碑式的贡献，围绕电磁波的一系列应用（例如无线电报、广播、雷达）进入迅猛的发展阶段，人类社会也随之真正进入了无线电时代，他就是科学史上的一位传奇！

参考资料： 

1、2017年第14期《科技导报》科学导报：《赫兹永载史册的电磁波实验带给人类的福祉和启示》，作者：吕增建，河南焦作大学基础部，教授；

2、 鲜枣课堂：《赫兹传》，作者：小枣君；

3、 《赫兹，他证实了电磁波的存在丨陈关荣》，作者：陈关荣；

4、 奇趣物理：《电磁学神殿封顶之绝唱——赫兹和他的电火花 》。