2015年4月30日 星期四

赫玆的火花

"這裡是警察廣播電台高雄台週波頻率819千赫...",在今天的生活中,我們絕對離不開廣播與電視,而廣播與電視只是現代無線電波應用於日常生活中的諸多實例之一而已。赫玆曾經是兩位非常出名的物理大師,赫爾姆霍玆和克希荷夫的學生,他應用簡單的裝置,實現了馬克士威十幾年前的預言,從此無線電就降福人間。科學界中最高的榮譽,舉世聞名的諾貝爾獎第一次頒發開始於1901年,如果.......第一位諾貝爾物理獎應該是赫玆。
背景:
  赫玆(Heinrich Rudolf Hertz 1857..1894)在德國的漢堡出生,爸爸是律師兼市議員。他小孩時後剛好碰上歐洲民族主義激烈的時期,那時僭號法國皇帝的拿破崙三世正大擴權力,以逐獨裁之夢。而奧地利和匈牙利民主政治失敗,產生了奧匈帝國。普魯士俾斯麥企圖建立統一的日耳曼國家,和拿破崙三世爆發了普法戰爭。
  赫玆繼承父親對人文與科學的熱愛,同時也從父親那裏學會了好幾種語言。小時候一位長輩曾送他一些科學儀器,引發了他對科學的興趣。起先他在一所私人學校就讀,因對校方安排的課程注重實用忽略經典之作的作風不滿,而於15歲跟一位私人教師繼續求學,他認識的理化實驗是在自己家裡的小實驗室學會的。17歲時進入高校完成傳統教育,18歲畢業後依自己當時的興趣棄純理論研究而就技術,首先在一家公司實習一年,然後進入德雷斯頓工學院讀了半年,隨後再跑去服兵役一年。
  繞了一圈後的赫玆終於發現自己還是志在純科學,於是到慕尼黑學習力學與數學。1978年轉學至柏林大學隨聞名的大師赫爾姆霍玆和克希荷夫(Gustav Kirchhoff 1824..1887)學習,此間他曾以一篇獨立完成關於"電慣性"的論文獲獎。1880年以優越成績拿到博士學位,博士論文題目為"旋轉球體中的電感應",這個題目也是在電磁學領域中,同一年赫玆獲聘為物理學演示教師。
  1883年赫玆轉到基爾大學當理論物理的講師,專心於電磁學的研究,兩年以後就獲聘為卡爾斯魯特工學院實驗物理教授,期間曾因知道普魯士科學院懸賞徵求實驗驗證電磁作用和介質極化關聯方面的論文的活動,激發了他朝此方向思考研究,他的著名電波實驗就是在這個學院工作期間完成的。
  1889年波恩大學請赫玆擔任物理學教授,他繼續進行氣體放電方面的研究。赫玆在物理學許多領域也有許多成果,其中最偉大的電波發現,讓他獲得不少榮譽,包括很出名的英國皇家學會頒發倫福德勳章。1894年赫玆去世,那時他才39歲,諾貝爾獎第一次頒發是在1901年,如果.........,第一位諾貝爾物理獎應該是赫玆。

電波實驗的發現:
  1886年的一個秋天,赫玆正在卡爾斯魯特工學院物理實驗室,用放電線圈做火花放電實驗時,注意到一個經常發生的奇怪物理現象,每次放電線圈放電的同時,在附近幾公尺外的另外一個線圈開口處,竟也會產生小火花。赫玆馬上聯想到大家已經熟悉的一個物理現象;音叉的聲音共振,兩者之間除了聲與電的差別以外,倒是非常類似。馬克士威的電磁理論中預言隨時間變化的電場與磁場將相互影響,並且會把這些變化藉著電磁波的形式朝空間四周傳播出去。雖然這個預言沒有幾個人看得懂接受它,但是整個理論顯得如此完美,又叫人很難拒絕相信它,當時的科學家沒有人不知道馬克士威的叮嚀,更有許多人跟隨他的腳步,趕著熱潮進行各種電磁研究,而唯有赫玆把它注意到的奇怪現象和這個偉大預言巧妙結合在一起,預言就此實現了。
  故事裏總是喜歡把科學家的偉大發現描述得如此奇遇,以增加戲劇性、通俗性與可看性。但是我還是寧可相信赫玆下了很多功夫在馬克士威的電磁理論,他比別人更能體會這些艱深理論,也更堅信預言的真確性。他掠覽前人的研究,開始時做了很多事前的準備工作,一步一步朝目標前進,也隨時注意著相關工作者的發展,從不放過它們所呈現的蛛絲馬跡,成功的路途中一定碰過許多挫折與失敗,或許甚至有時幾乎想放棄,最後終於讓他看到一絲線索,經過小心嚴密求證後,偉大的發現就此現身世間。您喜好那一種說法並不是很要緊的,就讓我們來看看實驗本身是如何;
  先從感應線圈兩個電極的引線,分別接出一根12英寸長的黃銅棒,每一根銅棒的一頭接上一塊16英寸正方的鋅板,另一頭則接上小黃銅球,讓銅球互相對立擺置,如此組成了電磁波產生器,通電時產生器的兩個銅球之間會產生高頻振盪火花。另外用一根細的銅導線彎成圓弧形,圓弧兩端各接一個小黃銅球,銅球並不接觸而形成缺口,缺口的大小可隨意調整,這個裝置作為電磁波接收器。
  開始時讓產生器與接收器相距時10公尺,適當調整擺設方位和銅球間鉅離,會發現接收器出現小火花。進一步的實驗可以詳細檢測電波許多性質;例如若讓產生器與接收器距離的連續變化,藉由火花的亮熄,可計算出電磁波的波長。又如從波長和頻率可估計電磁波傳播速度。赫玆不但小心嚴密的證實了電磁波的存在,更經由實驗讓大家了解了直線傳播性質、偏極性、反射、折射、干涉、繞射等更多關於電磁波的特性。
  1887年11月赫玆向德國國家科學院公開他的研究成果,題目為【論絕緣體中的電過程所引起的電感應現象】。1888年1月發表進一步的成果,題目為【論動力學效應的傳播速度】,這兩篇論文震驚了當時的科學界。赫玆自己寫道;
【所有這些實驗,基本上都是很簡單的,但是它們產生了一些重要的結論。這些結論完全推翻了任何關於電力跳入空間不需要任何時間的理論,意味著馬克士威學說的光輝勝利。】

無線電的成長:
  赫玆當時實驗的裝置中,產生器的銅棒與銅球部份,就是最早的天線,而接收器則是最早的檢波器。緊跟著赫玆的發現無線電很快地登陸世間;
  1895年俄國一所軍事學校教員亞歷山大、波波夫(A. S. Popov 1859..1906)改良成金屬粉末接收器能接收遠處雷電產生的電磁波訊號,在深入研製成用於通訊的發射機和接收機。1896年3月24日波波夫發射了世界上第一份無線電報,當時發射的距離為250公尺,電文內容為『海利魯道夫、赫玆』
  1901年12月義大利的馬可尼(G. Marconi 1874..1937)用他的大功率無線電裝備,在法國紐芬蘭海岸成功地接收到從英國康瓦耳發射出來得電碼『S』,無線電第一次橫越大西洋,此次發射的距離約為3700公里。
造福人類社會的發明隨後蜂擁而至;
  • 1906年無線電廣播
  • 1911年無線電導航
  • 1916年無線電話
  • 1921年短波通訊
  • 1923年傳真
  • 1929年電視
  • 1933年微波通訊
  • 1935年雷達
  • 無線電遙控、無線電遙測、衛星通訊.............等等

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