赫兹是如何证实电磁波存在的？
️ “Hz”是物理上频率（Frequency）的量度单位，表示每秒钟发生周期波动的次数，Hz单位是以德国物理学家海因里希·赫兹（以下简称“赫兹”）命名的。赫兹1857年2月22日出生在德国汉堡，1894年1月1日在波恩病逝，年仅37 岁。
19世纪的物理学家们不仅称麦克斯韦（Maxwell）是天才，也将赫兹视为天才。19世纪60年代初，麦克斯韦通过数学方程组统一了电与磁的现象，预言了电磁波的存在。麦克斯韦的理论具有重大的前瞻性，但在当时缺乏直接的实验证据，所以并没有得到广泛的认可和接受，这一理论亟需实验验证。赫兹在柏林大学随亥姆霍兹（Helmholtz）学习物理时，受导师鼓励研究麦克斯韦电磁理论，最终通过实验成功地产生并检测到了电磁波，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，同时还重整了麦克斯韦方程组，使其表达更简约，从而方便了科学家们从牛顿理论体系转到麦克斯韦理论体系。尽管赫兹成功验证电磁波的存在，但他并未意识到自己的发现将为无线电通讯技术的发展开辟广阔前景。
*本文主要摘自《Analysis of Hertz’s Experimentum Crucison Electromagnetic Waves》, Glenn S. Smith，感兴趣的读者朋友可进一步阅读原始文献。
️1. 赫兹、电磁实验、电磁理论的发展
图1所示是赫兹发表的电磁学研究重要文章（来源：钱长炎《赫兹的电磁学研究时间顺序及其思想转变过程》）梳理。赫兹最重要的贡献是证实并解释了电磁波的存在，他在博士后阶段，在导师亥姆霍兹鼓励下研究麦克斯韦电磁理论。1884年至1888年期间，他独立地建立实验室并实验验证麦克斯韦理论，最终验证给出电磁波空间有限速度传输（《论电磁作用传播的有限速度》），同时期其他物理学家按照赫兹的方法验证，确认电磁波的速度为光速。在1888年之后，他以详实的实验结果全面地论证了电磁波和光波的同一性（《论电磁辐射》）。
图1 赫兹电磁学研究重要文章
值得一提的是，1887 年，赫兹在做电磁波实验时还研究了紫外光对火花放电的影响并进行了一系列的实验，经过深入研究，他发现紫外线的照射让电极间的放电变得更容易（光电效应），并将研究成果写成论文《紫外线对放电的影响》发表。这一发现成为爱因斯坦建立光量子理论的基础，爱因斯坦因成功解释光电效应而获得 1921年诺贝尔物理学奖。
️2. 证实电磁波的实验过程
️2.1 原理简述
在赫兹证明电磁波空气传播有限速度这个实验中（图2A所示），电磁波从偶极子发射，经过反射板反射回来，即空间的电磁波是入射波和反射波叠加：如公式（1）所示
(1)
那么根据现有的Maxwell理论可以，电磁波是简谐横电波，入射波和反射波的叠加如公式（2）所示：
(2)
即在偶极子与反射板之间的电磁波是驻波，驻波形式如图2B所示。Maxwell预测了电磁波的速度等于光速，也就是说若知道电磁波的频率，测得驻波的波长，也就证实了电磁波的存在与Maxwll方程的成立。
图2 赫兹实验原理以及示意图
完整的赫兹的实验中（图2C所示），天线由施加在一个Ruhmkorf线圈两头大约三万伏的高压脉冲激发而发射电磁波，另一个两端之间有微米火花隙的谐振单环天线来接收电磁波。难点在于，如何制造发射机并知道发射机电磁波的频率，如何设计接收机，并测量电磁波的波长？
️2.2 发射机
赫兹设计的发射机的原型如图3A所示，由两级电路构成，初级电路由初级线圈、电池、电容、断路器构成，次级电路由次级线圈和偶极子构成。其中初级线圈和次级线圈绕在铁棒上，初级线圈由粗线卷绕几百匝，次级线圈由细线绕上万匝，等效为一个变压器。断路器开启的情况下，电池放电，电流增加，对应磁通量增加，断路器构成的铁片被吸引到铁棒一边，从而断路器断开，初级电路电容和电感振荡放电，能量感应传输到次级线圈。发射机的等效电路如图3B所示，初级电路的频率是Ci*Lp的开平方，初级线圈的电流电压状态如图3C、D所示。
图3 A发射机，B等效模型，C发射初级电流，D发射初级电压
线圈能量通过线圈从初级电路耦合到次级电路，断路器的开合速度远大于次级电路的振荡周期。次级线圈频率是Ld*Cd的开平方，在赫兹设计实验中，该频率是50MHz。
图4 偶极子电流、入射波电场、入射波的频谱带宽
在赫兹的发射机中，偶极子天线并非现在我们常用的馈电位置，若从偶极子的工作频率来讲，偶极子的天线尺寸远远不够，天线的阻抗非常大。图4主要说明天线的电流电场以及发射电磁波的带宽，天线为开放场辐射，若从现代的天线理论，天线Q值越高，对应的带宽越窄，时域的能量随着时间变化衰减越快。
️2.3 接收机
接收机（图5A）由直径为35cm的环天线组成，其中环天线线缆直径为2mm的铜线，在末端有平板电容用于调谐。平板电容中间为火花隙。可以通过间隙产生电火花判定电磁波的存在。接收机的等效电路如图5B所示。
图5 接收机图示，接收机等效电路，接收机频谱带宽能量
无电容调谐情况下（CL=0），环天线的谐振频率为66MHz；电容1.81pF调谐情况下，接收机的谐振频率为50MHz，同发射机的同频（图5C虚线所示）。
️2.4 电磁波空间传输的理论结果与测试结果
图6所示，赫兹发现了谐振环沿着电磁波传播方向与垂直方向都可以测试电场的强度，其中他称yz面是振荡平面(Plane of Oscillation)，xy面是波面（Wave Plane）。赫兹记录中：与其将圆圈所在平面放置在振荡平面上，不如将其放置在波面上；此时，电场在圆圈的所有部分都同样强，对于类似的火花位置，其强度仅与电场成正比。
图6 电磁波偏振：振荡平面与波面
根据赫兹的实验设备的参数，接收机的电压驻波预期结果如图7A所示。赫兹的实验中，他无法直接测量环天线的电压，他只能通过环天线产生电火花的特征（电火花的方向），例如他控制火花隙的距离，对比观测电火花的出现和消失。
图7 A电压驻波理论预期，B赫兹实测，C赫兹测试简化驻波图
赫兹通过实验积累的经验，了解了线圈对电场和磁场的响应，并利用对称性推断出线圈两侧电场的相对强度，这在图7B中七个小图（标记为I–VII）中的垂直箭头表示。如图7B、C所示，赫兹的实验中，️测量得到的电磁波波长为9.6m，根据频率*波长，那么赫兹实验得到电磁波的速度远大于光速，️理论上的波长应该为6m。赫兹在后来的解释中，归因于实验设备所在的房间钢结构的反射。最终在赫兹的论文中，电磁波在空气中传输是以有限的速度传播，并非当时人们认为的超距作用。
图8 接收机能量理论与实际测试，Sarasin& de la Rive实验
在随后的科学家对赫兹的实验进行复现，他们做了详尽的实验，全方面地排除了干扰因素，得到图8拟合的精确结果，发射机的频率48.4MHz，测量波长6.2m，实验电磁波的传输速率与光速相同。
️2.5 赫兹更早的实验：电磁波在导线上传播波长精确测量
1887年赫兹用平板振荡器，在其40 x 40厘米的端板之一上，有一个类似的前置板，该板通过一根约10米长的拉直导线连接到另一个类似的后置板上。由于振荡器板产生的简单静电感应，前置板将交替带有正电荷和负电荷。相反电荷将以交变电流的形式通过导线流动，其频率与振荡器频率（约100MHz）相同。
图9 金属线上电磁波
赫兹通过研究谐振器中感应火花的位置，检测到了三个这样的节点，“像振动弦的波节一样清晰可见”。通过这一实验，赫兹证明了导线中存在驻波，并直接测量了其波长。
️3. 赫兹实验的实验装置
I. First oscillator/radiator transmitter, signal source, 6 m wavelength (frequency 50 MHz) (40055). See item 3 in Figure 4a.
2. Frame and parallel wires for polarization demonstration, both transmission and reflection (40068). See item 3 in Figure 5.
3. Demountable vacuum apparatus, cathode ray experiments (40076).
4. Hot-wire galvanometer.
5. Riess or Knochenhauer spirals; discovery of the generation and detection of RF (radiofrequency) energy by Hertz in 1886 (18155).
6. Rolled-paper galvanometer- RF detector (direction and magnitude of the electric force)(40074).
7. Metal sphere with insulated handle- RF probe (40073) See item 6 in Figure 4a.
8. A Riess spark micrometer.
9. Receiver/detector, coaxial transmission line experiments, 6 m wavelength (40060).
10. 11, & 12. Apparatus to demonstrate dielectric polarization (electric displacement) effects in insulators, as predicted by Maxwell:
10. (40067a).
11. ( 40067).
12. (40053) & (40054) assembled together.
13. Mercury interrupter (circuit breaker), used to pulse induction coils (40071 ).
14. Meidinger cell (primary battery); same chemistry as the Daniell cell. See item 2 in Figure 4a.
15. Vacuum bell jar, photoelectric effect experiments (40049).
16. Induction coil, high-voltage pulse generator. See item I in Figure 4a.
17. Bunsen cells (primary batteries).
18. Large-area conductor, insulated for high voltage, used for storing electric charge. See item 7, Figure 4a.
19. Circular-loop receiver, 6 m wavelength (40057a).
20. Receiver/detector, eight-sided (40059).
21. Rotating mirror and mercury interrupter assembly ( 40071).
22. Square-loop receiver, 6 m wavelength.
23. Stack of three wedge-shaped boxes to hold dielectric material, refraction demonstration and dielectric constant measurement. (40063/66). See item 4 in Figure 5.
24. Assembly of two square-loop receivers, 6 m wavelength. See items 4 and 5 in Figure 4a.
25. Square-loop receiver, 6 m wavelength.
26. Transmitter dipole, 60 em wavelength (frequency 500 MHz).
27. Induction coil, high-voltage pulse generator. See item 5 in Figure 5.
28. Coaxial transmission line (40070).
29. High-voltage discharger. See item 8 in Figure 4a.
30. Cylindrical parabolic reflector/receiver, 60 em wavelength (40050). See item 2 in Figure 5.
31. Cylindrical parabolic reflector/transmitter, 60 em wavelength (40050). See item 1 in Figure 5.
32. Circular-loop receiver, 3m wavelength (frequency 100 MHz) (40057b).
33. Planar reflector (40052). See also item 6 in Figure 5.
34. Battery of accumulators (40040).
35. Undercarriage for 40040 (40041).
I. Induction coil, to produce pulses of DC potential energy which are converted into RF energy by the transmitter. See item 16 in Figure 3.
2. Meidenger cell (primary battery). See item 14 in Figure 3.
3. Transmitter. See item I in Figure 3.
4. Rectangular-loop receiver. See item 24 in Figure 3.
5. Rectangular-loop receiver. See item 24 in Figure 3.
6. Metal sphere, with insulated handle, used to probe (disturb) the fields on each loop and demonstrate resonance. At the nodal points on cd or gh there is minimum disturbance when the sphere touches the wire. Continuing around a loop, sparks can be drawn from the wire, and, simultaneously, sparks in the detector gap are diminished. The effect increases and is maximum at the detector gaps 1-2 or 3-4. See item 7 in Figure 3.
7. Large-area conductor, insulated for high voltage. See item 18 in Figure 3.
8. High-voltage discharger. See item 29 in Figure 3.
I. Oscillator/transmitter with a cylindrical parabolic reflector. The focal length of the reflector is 12.5 em and the aperture is 1.2 m wide by 2 m high. See items 26 and 31 in Figure 3.
2. The receiver/detector uses a similar cylindrical parabolic reflector. See item 30 in Figure
3. Octagonal wooden frame with parallel wires, for the demonstration of polarization -both for transmission and reflection. See item 2 in Figure 3.
4. Stack of three wooden boxes (on pedestal) to hold dielectric materials for the demonstration of refraction. See item 23 in Figure 3.
5. Power supply (pulser, induction coil). The two output leads from the induction coil pass through glass tubes in holes in the back of the reflector, and are attached to the transmitter dipole. Items l, 2, and 5 are on casters, so they can be moved to the desired position for use. See item 27 in Figure3.
6. Metal sheet reflector for the demonstration of reflection . See item 33 inFigure 3.
️4. 无线通信时代的开启：A New Era
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。马可尼想到：为什么不使用赫兹的火花振荡器产生的电磁波来发射信号呢？1896年马可尼在英国进行了14.4公里的无线电通信试验成功。1901年，马可尼首次完成了跨大西洋的无线电通信，由此开启了人类无线通信时代。
图7 马可尼与电报机
️5. 结语
赫兹验证了经典电磁理论的成立，这个验证的实验是人类无线通信的起点，全人类皆受益于此。他发现了光电效应，几乎得以窥见量子物理的世界。但他在最后的岁月中，放弃了几乎全部的电磁实验工作，致力于接触力学的研究。赫兹说“我不认为我发现的无线电波会有什么实际应用。” 历史不能假设，但不妨我们做这样的假设：赫兹再多活30年，他还可能做出什么样的贡献呢？他对20世纪的物理学有着什么样的推动呢？
普朗克在1894年2月16日柏林物理学会纪念赫兹的会议上发表演说时说道：“比他的研究成果本身重要千百倍的是在他著作中所蕴含的许多科学思想的种子，这些种子生机盎然，只要有合适的土壤，它们就将勃发为新的科学增长点。"在《论紫外线对放电的影响》这篇标志光电效应发现的文章中，赫兹写道：“可以确定，这是一项发现，因为它揭示了一种全新的和非常令人困惑的现象。当然我无能力断定这是一项漂亮的发现，但是听到别人说这是一项重要发现当然令我愉快。依我看来，只有未来物理学的发展才会告诉人们它重要还是不重要。”20世纪物理学的发展证明了这项发现的重大价值，但这不仅超越了赫兹个人的认识范围，而且超越了他所处的整个时代。
参考文献：
1. Analysis of Hertz’s Experimentum Crucison Electromagnetic Waves, Glenn S. Smith
2. HEINRICH HERTZ:CLASSICAL PHYSICIST, MODERN PHILOSOPHER
3. 在物理学与哲学之间--赫兹的物理学成就及物理思想，钱长炎
4. 也论电磁波的预言及其发现过程，钱长炎
5. 试论赫兹的物理学思想及研究方法，钱长炎
6. 赫兹的电磁学研究时间顺序及其思想转变过程，钱长炎
7. 赫兹对经典电磁场理论发展的贡献及其影响，钱长炎
8. 赫兹对经典电磁场理论发展的贡献及其影响，钱长炎
