中外科学家发明家丛书：赫兹.pdf

一、聪明的少年1 8 5 7 年 2月 2 2日，对很多人来说是极普通的一天，但德国汉堡市的赫 兹律师一家却会永远记住这个日子这一天赫兹先生的长子来到了人间这 个给全家带来极大欢乐的小天使，后来成为名扬世界的著名物理学家，他的 名字叫亨利希·鲁道夫·赫兹 赫兹家属于富裕的市民阶层，家庭条件优越赫兹律师是一位进取心很 强的人，他后来当上了汉堡市的参议员，并成为一个地区司法局的长官他 对儿子寄予了很大希望，在培养和教育上倾注了大量心血 令父母感到欣慰的是，亨利希·赫兹很早就显示出是一个可造之材 在学校中，亨利希·赫兹是班里的优秀生之一他天资聪颖、悟性出众， 具有很强的逻辑思维能力和记忆力；尤其难能可贵的是，他出色的天赋和强 烈的求知欲望紧密地结合在了一起，几乎一切课程都引起了他强烈的学习兴 趣数学和自然科学强烈地吸引着他，他对此兴致勃勃并取得了很好的成绩 除了学习课本上的知识外，他还养成了动手操作的好习惯，进行了简单的自 然科学实验他特别爱好做力学和光学方面的实验这种把动手与动脑结合 起来的习惯，对他一生的科学实践有积极的影响 亨利希·赫兹还非常喜爱绘画，并且具有素描画家的才能和功底，他曾 在一所美术学校中学习过。

他对语言文字的兴趣也非常浓厚，无论古代的现 代的都广泛涉猎，对文学名著则尽可能地背诵下来荷马史诗、柏拉图对话 及但丁的原文诗伴随了他整个一生他学习外语的能力也让人叹服不已除 了意大利语、法语和英语外，他还学习了一些并非必修的语言，并取得了极 好的成绩如“他学习阿拉伯语的成绩就极为惊人，以致于任课教师非常严 肃认真地去找他父亲谈话，建议他一定要让儿子去学习东方学，因为亨利希 是他所遇到的对学习阿拉伯语言最具才能的学生 并非只有阿拉伯语老师一人对亨利希·赫兹的前途出谋划策，他的木工 师傅也为他设计出了一个发展方向赫兹很早就表现出对技能和技术的爱 好，在课余时间，自愿向一位细木工学习技艺，还按照职业水平的要求学习 车工技术父母没有限制他的这一兴趣，而且还应他的要求买了一台车床 小赫兹在明师的指点下，苦练功夫，车工技术提高很快木工师傅对徒弟的 进步非常惊讶和高兴，曾对赫兹的父母说，亨利希一定会成为一个优秀的车 工的 当然，赫兹并不是具有各方面的聪明才智，也不是所有的人都喜欢他 他在音乐上就毫无天赋可言音乐老师为了挖掘他的潜力曾下了很大功夫， 但最后终于明白了他在音乐方面毫无潜力可挖因此，赫兹不但无法加入学 校的合唱队，即使是音乐课上练合唱时他也往往被老师“请”到教室外旁唱， 因为一旦有他参加，本该优美动听的童声合唱便“哎哑啁哳”难为听了。

但全面衡量亨利希·赫兹的表现，老师们还是一致认为他是一位优秀的 学生1 8 7 5 年，赫兹在约翰奈斯中学获得了毕业证书，学校对他总的评语是 具有敏锐的逻辑、可靠的记忆和灵巧的叙述能力；数学成绩是优，自然科学 是良，其他课程也是优或良 二、弃工学理比起阿拉伯语老师和木工师傅来，赫兹的父母当然更关心他的前途从约翰奈斯中学毕业时，赫兹已经 1 8 岁了，到了规划前程的时候了父母认为 儿子的种种表现和才能，显示了他更适于成为一个建筑工程师或建筑学家— —在这一点上，赫兹父子的想法是相同的赫兹也希望自己能成为一名工程 师，因为他喜欢这个行业；虽然他也同样喜欢数学和自然科学，但他不相信 自己有研究理论自然科学的能力为了更好地进行理理学习，赫兹先进入了 法兰克福市设计局从事实际工作，以便为他所选择的职业做准备 在法兰克福市设计局，赫兹确实受到了锻炼，学到了很多新的工程学知 识1 8 7 6 年春，他离开了法兰克福，前往德累斯顿市，进入了高等技术学校 工程部，学习工程科学虽然如愿以偿，但赫兹很快发现自己选择的职业并 没有如想象的那样吸引他测量、绘图、结构，⋯⋯这些大量的日常课程让 他感到枯燥无味，兴趣索然。

难道自己将要从事的职业会是这个样子吗？ 1 8 7 6 年秋天，正赶上帝国征兵，刚入学一个学期的赫兹作为工程部的大 学生应征入伍，在柏林的铁道兵团服一年的兵役，从校院到兵营，环境有了 很大改变，但赫兹仍未感到轻松和愉快兵营就像一台高速运转的机器，每 天重复着几乎相同的内容，操练、行军，行军、操练机械的训练使赫兹感 到很压抑，心情非常沉闷好在他有很强的适应环境的能力，不久就习惯了 这种单调的生活节奏他以一种积极向上的态度重新审视这种兵营生活，发 现自己已经得到了锻炼，并从中获得了益处几个月后，他在给父母的一封 信中以达观的心情阐述了自己的这一发现，他说：“毕竟服役也给人某种肯 定无疑的，个性从一个人身上真正被取缔了；现在显而易见，塞翁失马，安 知非福？” 有了这种心情和态度，余下来的兵营生活的时光也就不显得漫长和枯燥 了1 8 7 7 年秋天，赫兹结束了服役生活，前往慕尼黑，进入那里的高等技术 学校继续学习工程科学 赫兹本来就是一个兴趣广泛、求知欲旺盛的青年，再加上他已对工程科 学的爱好有所下降，因此在慕尼黑高等技术学校里他并没有对自己选择的职 业情有独钟， 仍然对一切新知识一视同仁， 广泛学习。

他选修了菲力浦· 冯· 约 里的物理课和数学课约里是著名的物理学家和数学家，他对物理学有一种 在当时颇有代表性的认识他向学生们说，物理学是一门高度发展的、几乎 是尽善尽美的科学；作为一个科学体系，它建立得非常牢固，已经没有什么 本质上的新东西有待发现了但他对数学领域的发展前景作了一番辉煌的描 绘约里的课，使赫兹对原来的选择渐渐失去了热情，他在内心里产生了一 个坚定的信念：只有科学工作和学术活动才能使他真正的心满意足 经过认真地思考，赫兹决定弃工学理他把自己的想法和决定写信告诉 了父母我非常乐意成为一名工程师”他写道，“但我同样乐意成为一 名装订工人或者车工，总而言之，我乐意成为文明者的行列中的任何人但 是，在‘乐意’和‘乐意’之间毕竟还是有程度之别的”赫兹告诉父母， 经过慎重的权衡比较，自己更乐意成为一名科学工作者正如赫兹所预料的 那样，开明的父亲很快复信，对他新的选择表示赞同就这样，赫兹中断了 工程学的学习，专心致志地在大学中攻读物理学和数学 菲里浦·冯·约里教授对赫兹给予了极大的帮助，他从基础抓起，向这 位求知欲极强的大学生介绍了一些数学方面的基本著作，如拉格朗日、拉普 拉斯及精密科学其他经典作家的著作，让他潜心学习、认真研究，约里还建 议赫兹注意自然科学史，因为这有助于理解和研究自然的迫切问题。

对约里的指导和建议，赫兹认真对待并严格执行他在很短的时间内细 致地研究了大量的科学史著作他特别顽强地研究了数学和数学问题史这 些准备工作，为他以后的研究与开拓打下了坚实的基础另外，赫兹还深入 钻研了一些老的科学杂志，对过去的很多科学发现有了系统的了解在了解 前人的发明创造后，常会产生一种复杂的想法：一方面对前人的聪明才智和 艰辛劳动深表敬佩；另一方面又感到前人生活的时代充满了很多的未知领域 和新鲜事物，他们的创造领域很宽，由于他们的努力，世界被人类更多地了 解和征服了，这同时也使我们后来人失去了英雄用武之地，因此已不可能再 像前人一样创造辉煌的业绩这种想法显然是幼稚的单纯的，但却具有普遍 性，年轻的赫兹就有过这样的想法他曾在一封信中写道：“有时我真感到 遗憾，我未能生活在那充满许许多多新鲜事物的时代其实，就是现在也有 足够多的未知事物，但我不认为现在可以轻而易举地找到可能改变整个世界 观体系的任何东西，就像在望远镜和显微镜还是新奇之物的那个时代一样 对于未知世界的认识，古希腊哲学家芝诺有一个很形象的比喻他说， 人的知识好比是一个圆，未知世界就是圆所接触的外部面积；人的知识越丰 富，圆的面积越大，圆所接触的外部面积也随之增大，即感觉到未知的东西 也就越多。

随着学习的深入，赫兹感到有更多的知识需要学习和掌握能满 足他这种求知欲望的最好学府，无疑是位于帝国首都的柏林大学，那里有世 界著名的数学和实验物理学专家赫尔姆霍茨和基尔霍夫，在他们的指导下他 可以更好地完成学业 1 8 7 8年 1 0月，赫兹离开了慕尼黑和菲里浦·冯·约里教授，进入柏林 大学，成为赫尔姆霍茨的学生 三、前人的成就进入柏林大学并成为赫尔姆霍茨的学生，对赫兹的一生来说意义重大， 他从此走上了成为世界著名物理学家的道路在叙述赫兹的成长和成就之 前，我们来对前人的科学成就作一个回顾 1 8世纪后期，法国物理学家库仑曾对电学和磁学做过深入细致的研究， 发表了大量科学著作，产生了深刻的影响库仑曾提出一个论断，即电和磁 是完全不相同的物理实体这一论断在科学家的思想中根深蒂固，以致于在 意大利科学家伏打于 1 8 0 0 年发明了伏打电池后很长时间， 各国的科学家都没 有想到利用这种恒稳持续的电源去寻找一下电和磁的关系，因为人们从未对 库仑的论断产生过疑问 当然也有例外，丹麦科学家奥斯特就对库仑的论断心存疑窦他根据德 国古典哲学家康德的自然力都有一个共同的根源的哲学原理，始终坚信电和 磁不是相互独立的，两者之间必定存在着一种关系，只是这种关系人类尚未 发现。

为此，他借助伏打电池长期进行研究与探索，终于在 1 8 2 0 年发现电流 可以将磁针推向与电流垂直的位置对于这种电流磁效应，奥斯特用“电碰 撞”来解释，即在电流周围存在着一种环形运动的力，它可以穿透非磁性物 质，但不能穿过磁体，一旦碰上磁体就会发生撞击，致使磁体的轴体的轴转 到与电流相垂直的方向奥斯特的发现在当时引起了极大轰动，法国物理学 家接受了他的发现，但拒绝了他对此的解释 在奥斯特宣布了他的发现后不几天，法国物理学家安培也做了相同的实 验，但他认为这种电流磁效应并不是电碰撞的结果当时法国物理学界正流行超距论理论，即认为一切物理现象都是粒子间的吸引或排斥的力学现象 安培通过实验证明，两根载流导体可以相互吸引或排斥他将电流的这种力 称为“电动力”，意即由电流产生的动力他还用实验证明，两个螺线管如 通有电流，它们将像两根磁棒那样产生相互作用由此安培认为，磁体之所 以会相互作用，即相互吸引或排斥，并不是因为它们具有什么磁性粒子，而 是因为它们当中存在电流，一根磁棒中的电流作用于另一根磁棒中的电流， 于是便产生了磁棒之间的吸引力或排斥力安培认为，磁就是电流或运动中 的电在这个基础上，安培创立了他的超距电动力学。

由于这个学说具有数 学上的美及其内含的实体高度统一的优点，因此被很多物理学家接受，在欧 洲大陆极为流行然而不久，安培的学说也遇到了难题1 8 2 2 年，安培的同 事阿拉戈在用磁针振荡法测量大地磁场强度时，发现金属可以阻尼磁针的振 荡，用现有的电磁学理论他无法解释这种现象阿拉戈认为这是一个新的发 现，于是就根据这个现象做了一个铜圆盘实验，以期引起人们的兴趣他装 置了一个可以旋转的铜圆盘，盘的正上方悬吊着一根磁针，当圆盘旋转时， 磁针跟着旋转对此，安培用他的超距论电动力学作了解释：当圆盘开始旋 转后，它就分离出正、负两种电粒子，电粒子运动形成电流，这种电流与磁 针中的分子电流相互作用便形成了磁针转动的动力安培的理论好像能够说 明圆盘旋转带动磁针转动的现象，但都无法解释为什么磁针先行转动而圆盘 也能随之旋转的原因 1 8 3 1 年，英国物理学家法拉第对安培的超距论电动力学提出了第一次批 判法拉第没有受各种特设的电和磁的实体的局限，大胆想象，探索电和磁 的各种可能的关系当时，许多人认为奥斯特发现的电流磁效应是所有电磁 关系中的唯一的基本内容，但法拉第却不这样认为他根据对称性这个普遍 的自然法则断定，既然奥斯特发现的电流磁效应是客观存在的规律，那必须 会存在与此相对应的逆效应，即磁感生电流的效应。

法拉第认为，阿拉戈的 实验正是体现了磁感生电流的效应通过大量实验，法拉第认识到，在电流 或磁体周围的空间存在着一种力的状态，这种力态一经改变或受到扰动，便 能使处于这个空间的金属感生出电流他据此圆满地解释了。