《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第8节作者:
一朵熊ss
光泪流满面:
现在,不仅知道了“我是谁”,更结识了一大群兄弟姐妹。
曾经声势浩大的微粒说面对电磁波这记重拳无奈已摇摇欲坠,除了真空介质这一丁点儿疑惑之外,波动说不容抗辩地整合了声、光、电、磁、力、场……物理学各大门派。二十世纪的曙光即将照耀大地,而情况似乎也日渐明朗,波动说距离霸主之位仅有一步之遥。然而,在物理江湖,你永远预料不到下一步会发生什么,这也正是其令人着迷的魔力所在。
日期:2014-10-06 13:29:07
光与电
作为麦克斯韦当年为数不多的支持者之一,来自卡尔斯鲁厄大学、年仅二十八岁的海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)教授决定设计一个实验亲手将行迹无踪的电磁波捉拿归案。1885年,追随名师——热力学的开山鼻祖之一赫尔曼·亥姆霍兹(Hermann Helmholtz)——完成学业之后,赫兹辗转来到十四年前刚刚成立的德意志帝国的边境重镇卡尔斯鲁厄,沉浸在硝烟散尽后静谧的湖光山色间,他从零开始、利用微薄的研究经费着手装配自己的电学实验室。就在此时,赫兹遇到了他一生的挚爱:伊丽莎白·多尔(Elisabeth Doll),伊丽莎白是几何教授多尔的女儿,她原先对物理并不甚了解,但却被赫兹那兼具思想者与行动派的从容气质所征服,曾于日记中写道:“星空之下,赫兹有一种近乎骄傲的自信。他自认是全世界唯一了解星光的人;在他看来,星光是远方的光源遵照一定规律向地球输送的不同频率的电磁波……星夜不仅是美丽的,而且是严守秩序的。”而伊丽莎白怦怦跳动的心脏早已不由自主地向赫兹递送出亿万赫兹的电磁波,得此知音,他更将全身心都投注到研究当中;两年后,在校园一角那间垂挂着厚重窗帘的“魔幻小屋”里奇迹诞生了。
日期:2014-10-06 13:30:44
如图,赫兹首先将一感应线圈的两端分别与两个小铜球相连,每个小铜球又通过铜质导线分别与一个中空的大铜球相接,配置适当的电源后,一套简易的电磁波发生器便搭建好了(参见图中左半部分)。他小心翼翼地合上电路开关,立刻把目光锁定在两个相隔不过一厘米的小铜球间,电流穿过感应线圈洪水般涌向作为电容的大铜球,电压持续升高,片刻之后,大球内的电荷总量终于达到了极限,暴怒中电流以决堤之势冲将下来,“嗞”地一声,小球之间的空气被彻底击穿,冰蓝色的电火花随即绽放开来,像一条妖艳的小蛇扭动着身姿将彼端的电荷偷赠予此方的电容。可惜好景不长,绚烂的光芒耗费了太多能量,使得电压急剧下降,一切转瞬又归于沉寂——而沉寂则意味着新一轮的蓄势……如此,电荷们乘坐着全金属打造的超高速过山车往复振荡,眨眼便是百十个来回,而每一次花开花逝其周围的电场都将随之发生变换。依据麦克斯韦的理论:扰动的电场必定会辐射电磁波;现在,赫兹可以肯定,他已经制造出了电磁波,关键是如何让它现出身形?
这就要依靠电磁波的接收装置了,赫兹设计的接收器简单得出奇(参见图中右半部分),取一根铜质导线将其弯成圆环,环的接口两端分别镶有一粒小铜球,两球之间照例留下一厘米长的间隙。把铜环放置在距离电磁波发生器数米之外,如果麦克斯韦的猜想是对的,那么发生器所创造的电磁波将如同多米诺骨牌一般在空间之中层层扩散,直抵铜环;而作为回应铜环上将产生一个感应电压,由此两球之间同样会迸射出些微电火花。准备就绪,赫兹再次郑重地合上开关,少顷,发生器内小蛇狂舞着如约而至,而几乎就在同一时刻,接收器上也幽灵般地闪过一丝光亮。赫兹屏住呼吸,眼睛紧紧盯住两个铜球,“嗞、嗞嗞……”每当对面电光乍现,铜环的缺口处便很快报以一小束跃动的花火,一明一灭、韵律盎然。渐渐地,电火花忽闪忽闪的倩影在赫兹的泪水中晕成一弯明月,成功啦!这是人类第一次捕捉到电磁波的真身,他的名字从此被永远地铭刻在史册——“Hz”作为“频率”的国际单位出现在每一本物理著作当中。
日期:2014-10-07 19:09:05
但令人心痛的是,赫兹本人却在科研事业不断跨越高峰之际,因败血症而过早地离开了他所热恋的尘世,去世时还不到三十七岁。也就在那一年,二十岁的意大利小伙古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)在伦巴第消夏时,偶然读到了赫兹关于电磁波的实验报告,立刻被那永恒地跌宕于时空之中的神秘波纹深深吸引,他想:既然赫兹已经在几米之外检测到了电磁波,那么如果我能设计出更为精密的接收器,也一定可以在千里之外俘获同一列波。经过无数次尝试与改进,1901年12月12日,马可尼建造的发报系统终于成功地将电磁信号从英格兰康沃尔郡传送到大西洋彼岸加拿大纽芬兰省,全程跨度近3400千米。从此,在地球任意两点间实时通讯不再是痴人说梦,电视传媒、卫星导航、无线网络、天文射电……一曲曲韵味各异的电磁之歌不仅彻底地改变了我们的生活方式,更深刻地改变着我们对宇宙的认知,把人类社会推进一个崭新的信息时代。
然而,赫兹留下的财富不只包藏着巨大的应用价值,作为一个深谙理论的实验家,他对现象的记录并没停留在接收器所闪现的那一小束迷人的电光前。赫兹将接收器移至房屋的不同位置,利用它与发生器之间距离与时间的关系测算出电磁波的波长,再将其与电路的振荡频率相乘,就得到了电磁波的波速——积值与光速一模一样,麦克斯韦说的没错,光的确是一列电磁波!场论最终大获全胜。
接下来,为了确定实验中是否还隐含着尚不为人知的深层规律,赫兹在不同时段、温度、湿度……他所能想到的各种不同条件下,将上述操作重复了千百遍,功夫不负有心人,经过详细比对,他还真发现一个奇怪的现象:当实验室的幕帘拉得严丝合缝时,接收器只零星闪现几缕微光;而天晴晴好时,保持发生器的振荡频率不变,只需将幕帘打开,就会接收到更亮、更密集的电火花。电源提供的电量并未改变,究竟是什么因素增强了电磁信号呢?十九世纪末,正是物理学这颗巨树生长力最为旺盛的时候,各枝条抽芽的抽芽、挂果的挂果,令人眼花缭乱、目不暇接。因此,这个看似微不足道的谜题并没有受到学界的关注,它随着赫兹的英年早逝,黯然地沉入了数据的海洋。直到多年以后,有关电与磁更加匪夷所思的谜团一个又一个地浮出水面,赫兹当年的笔记才再次被放到聚光灯下。人们开始认真思考:打开或关闭窗帘,到底影响了哪一项试验参数?
没错,正是光照!暗影中,我们故事的主人公迈着八字步、慢慢悠悠地从背景里走了出来。它这一露面,立即引发欧洲各实验室新一季的观测狂潮,一时间难以解释的数据铺天盖地而来,这些离奇的现象如今被我们统称为“光电效应”。
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