麦克斯韦电磁理论主导了所有宏观电磁现象,包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等,并将光学统一在这个理论框架内,是牛顿力学体系建立之后,爱因斯坦和量子力学出现之前,物理学的最大成就。
但是这个理论,即使在麦克斯韦去世很久以后,仍然无法被实验证明,无法被广泛认可。当时影响最大的电磁理论是韦伯和诺依曼。因为两者都位于欧洲大陆,所以这个理论也被称为大陆电动力学,当然他们的理论都没有得到实验的证明。
麦克斯韦的理论建立在法拉第场的基础上,与其他所有学派对电和磁现象的解释完全不同。麦克斯韦对电磁场的描述太复杂,初始表达式太复杂。即使在英国,麦克斯韦的理论也没有得到太多的关注,大多数物理学家都对这个理论感到困惑。
也有少数人愿意相信麦克斯韦的一切。其中有爱尔兰的乔治菲茨杰拉德和英国的奥利弗洛奇,此外还有简化麦克斯韦方程组的英国人哈维尔。这三个人和麦克斯韦有一个共同的特点,就是都来自英伦三岛。
自从麦克斯韦在1873年发表了《电磁学通论》,菲茨杰拉德和洛奇就成了这个理论的忠实支持者。1878年,他们在都柏林会面后,决定合作,从理论和实验两方面验证麦克斯韦的电磁理论[40]。他们经常通过信件交流彼此的发现,并与郝薇香建立了联系。
菲茨杰拉德认为,在闭合电路中对电容器放电会引起快速电流振荡,可产生厘米或米波长的电磁波。他甚至精确地计算出了这种方法可以产生的波长。菲茨杰拉德进行了许多实验。也许他的实验确实产生了电磁波,但他没有找到合适的电磁波探测方法。
动手能力更强的洛基差点成为发现电磁波的第一人。1987年,洛奇受邀对避雷针进行优化。当时避雷针是用电阻极低的铜棒直接接地的。但是很多事实发现,在很多情况下,这种方法并没有达到很好的防雷效果。很多情况下,雷电并不经过铜条的指定路径,而是经过其他电阻更高的线路。
洛奇假设闪电不是由连续的直流电组成,而是由不断变化的电流组成。经过大量用莱顿瓶模拟雷电的实验,他认为电阻低的铜排在周期性变化的电流作用下感抗大,所以整体阻抗不是最低的。这一发现极大地优化了避雷针的设计。
今天的避雷针一般由两部分组成,一部分是外壳,一部分是中央接地棒。其中在外壳和中心接地棒之间有几毫米的距离,形成耦合电容器。雷电击中避雷针时,DC部分通过外壳接地放电,交流部分通过耦合电容接地放电,雷电流瞬间泄入地下。
1888年,洛奇进行了一系列实验,其中一项几乎改写了电磁学的历史。在避雷针优化的实验中,洛奇使用了两个莱顿瓶,并在它们上方放置了一对火花隙。莱顿瓶放电时,火花隙中会出现一条光弧。洛奇用这种方法模拟闪电。在一次实验中,Rocky用两根29米长的导线连接莱顿瓶,在两根导线之间放置了几个火花隙B1、B2和B3,如图120所示。
图121洛基的电磁波实验
莱顿瓶放电时,火花隙A会出现一个光弧,然后洛奇惊讶的发现B1、B2和B3也有对应的光弧,光弧出现在最后的B3。洛奇明白,这是因为间隙A处的振动产生的振动沿导体传播,在末端B3处反射,这里入射波和反射波同相,产生的电压是A点的两倍.
此外,洛奇还证明了沿导线存在驻波。在一个黑暗的房间里,他观察到电线上有可见的辉光。1888年夏天,他还进行了一系列实验,直到他认为自己发射并接收到了24年前麦克斯韦预言的电磁波。
然后洛奇去了阿尔卑斯山度假,他准备回来的时候报告这个惊人的结果。但他在火车上偶然看到一篇名为《物理年鉴》的1888年7月的文章,署名是当时还不出名的德国研究者海因里希赫兹。
赫兹有一个非常著名的老师,赫尔曼赫尔姆霍茨。亥姆霍兹是能量守恒定律的创始人之一,也是当时能理解麦克斯韦电磁理论的人。当时以韦伯和诺依曼为代表的大陆电动力学比较主流。
然而,亥姆霍兹发现,大陆电动力学的一个核心思想“韦伯力”并不遵守他创造的能量守恒定律;后来的一些实验证明,诺依曼的位势理论也有很多问题。这个时候,他没有更好的选择,眼前只剩下麦克斯韦。
亥姆霍兹用自己的方式重新描述和推广了麦克斯韦的理论,并留下了用实验验证的关键一步。1879年冬,根据亥姆霍兹的倡议,德国柏林科学院颁发科学竞赛奖,寻求麦克斯韦电磁场理论的实验证明。
亥姆霍兹鼓励他的学生赫兹做这个实验。从1886年到1888年,赫兹通过一系列实验验证了麦克斯韦的理论。这个实验就是著名的赫兹实验。赫兹实验中使用的电磁波发射和接收装置如图122所示。
图122赫兹电磁波发射器和接收器。
在这个实验之前,赫兹首先观察到了电磁作用在导线中的传播,并通过大量的实验验证了位移电流的存在,进而观察到“导线波”以有限的速度传播。1887年11月和1888年1月,赫兹发表了《空气中的电动波及其反射》和《论绝缘体中电扰动产生的电磁效应》两篇文章,解释了两个发现[42]。
这个时候赫兹已经差不多发现电磁波了,他准备进一步验证电磁效应在空气中的传播。这是赫兹发现电磁波最重要的阶段,也是他“发现电磁波”过程中最艰难的时刻。
在验证位移电流和导体波的过程中,赫兹已经掌握了如何调节电容和电感,控制火花隙S处产生的光弧[42]。这个装置是图122的左半部分,相当于一个电磁波发生器。
在实验中,赫兹用两根铜条连接感应线圈的两端。当感应线圈的电流突然中断时,感应产生的高压会使火花隙S产生火花,然后电荷通过火花隙在锌板C之间振荡。根据麦克斯韦的理论,这个火花会产生电磁波。
在赫兹实验中,最困难的是如何设计一个接收器,即探测器,来发现在空气中传播的电磁波。检波器,英文名为Detector,是一种主要功能是从无线电信号中获取有用信息的器件,是无线电接收系统中最重要的部分。
受时代限制,赫兹只能设计出非常简单的探测器。他把一小段电线弯成一个圆圈,在电线两端留下一个小火花隙。如果电磁波能从空气中传播到这个小线圈,就会产生感应电压,在火花隙m处产生电弧。
这个实验极其困难。赫兹发射器确实可以产生电磁波,但是这个实验中的探测器太简单了。赫兹花了很多时间调整发射机和地震检波器。具体的工作就是一系列琐碎的常规工作,比如钻孔,缠绕线圈,调整电容和火花隙的距离,调整检波器的位置。直到有一天,赫兹在一个黑暗的实验室里发现了火花隙M里的火花。
1888年3月,赫兹与亥姆霍兹分享了这一结果,并于同月31日将文章《论电磁作用传播的有限速度》复制到《空气中的电动波及其反射》。这是人类历史上首次观测到电磁波在空气中的传播。
赫兹通过实验数据计算电磁波在空气中的传播速度。虽然这个传播速度和光速有很大误差,但至少在一个数量级。
英国人洛奇与这一殊荣擦肩而过,但他的注意力并没有集中在赫兹领先的事实上。相反,赫兹实验的完备性使他深受鼓舞。另外两位来自英伦三岛的科学家,菲茨杰拉德和赫维西,也对赫兹实验产生了兴趣。之后四人交流频繁,增加了赫兹对电磁波的了解。
1888年12月,赫兹发表了《物理年鉴》 [42],论述了电磁波的偏振、反射和折射的研究方法,并提供了实验结果。在这篇文章的最后,赫兹确信电磁波与光具有相同的性质。这些性质可以从光学和电磁学的角度推导出来。
至此,麦克斯韦关于光与电磁波同一性的理论推导已经获得了充分的实验依据。赫兹实验之后,只有时间能阻止无线通信的出现。在科学家、企业家、工程师和无数普通人的共同努力下,这个时间被无限缩短了。
不同的人,带着不同的目的,驶入法拉第、麦克斯韦、赫兹开辟的蓝海。这片蓝海所蕴含的巨大能量扭曲了这段历史,使得很多参与者只剩下身后的荣誉。
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