第二十九回 赫兹发现电磁波，天才早逝莫奈何
伙计，你只要听过收音机，那么就一定知道赫兹，而且知道它是频率的国际单位。但是，许多人可能并不清楚，其实这个国际单位是为了纪念本回主角、德国物理学家赫兹，他的全名为海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）。
赫兹的主要功绩是他首次用实验证实了电磁波的存在。当然，“电磁波”这个名词对普通读者来说也不陌生，大家在各种新闻和书籍中都会经常听到和看到它。但是，很多人可能并不知道电磁波对人类来说非常重要，它的种类也很多，与你我的生活更密切相关。若按辐射频率的顺序从低到高把电磁波排列出来，那么电磁波可分为无线电波（主要用于广播、电视和通信等）、微波（主要用于微波炉、电磁炉、卫星通信、导航和定位等）、红外线（主要用于遥控、热成像、导弹红外制导等）、可见光（它是人眼可以接收到的一种电磁波，是所有生物用来观察事物的基础）、紫外线（可用于消毒、查验假钞、测量距离、工程探伤等）、X射线（可用于CT照相）、γ射线（可用于医疗）等。除了上述应用外，其实电磁波还有一些应用。比如，波长为2～25μm且强度适中的电磁波会与体内细胞产生谐振，从而增强微循环，促进新陈代谢，预防和治疗湿疹、痛经、痔疮、冻疮、胃炎、偏头痛、颈椎病、腰肌劳损、外伤感染、横膈膜痉挛、风湿关节炎、面神经麻痹、腰椎间盘突出、神经性皮炎、坐骨神经痛等，促进术后伤口愈合。不过，我们必须指出，有些电磁波会对人体造成伤害。若长期接受过强的电磁辐射，就可能导致流产、胎儿畸形、提前衰老、心律失常、视力下降、听力下降、血压异常、月经紊乱、免疫力下降、记忆力减退、生殖力下降、新陈代谢紊乱，甚至引发癌症等。
当然，除了电磁波外，赫兹还有多项其他重大发现。比如，他发现电磁波与光波同速，且性质相同；发现电子冲击原子并激发出发射谱线时，其能量是分立的。此外，他的成果还促使后人发现了波动方程和光电效应等。非常可惜的是，如此罕见的天才巨星却过早陨落人间，只活了36岁！唉，一言难尽，还是慢慢从头道来吧。
话说1857年（即咸丰七年，著名数学家柯西去世的那一年）2月22日，赫兹以长子身份出生于德国汉堡的一个条件优越的律师之家。妈妈是一位医生的女儿。爸爸的进取心很强，先是作为律师界的代表被选为市议员，后来成为司法局长官。爸爸对儿子寄予厚望，很重视儿子的早期教育。赫兹也很争气，上中学时一直是班里的优秀生。他不但天资聪颖、悟性出众，还有很强的记忆力和逻辑思维能力，更有强烈的求知欲。他的每门功课几乎都名列前茅，尤其是数学更出色。除了听讲外，他还喜欢动手做实验。他的这种手脑并用的良好习惯对后来的成功起到了关键作用。
赫兹的课外兴趣很广泛，他喜欢绘画，其素描才华和功底更不一般，甚至还在美术学校接受过正规训练。他对语言文字也颇有研究，能熟练背诵许多古代和现代文学名著，甚至终生都喜欢《荷马史诗》《柏拉图对话录》和《但丁诗集》等。他的外语能力更令人叹服，除了英语、法语和意大利语等常见语种之外，他还在诸如阿拉伯语等小语种方面出类拔萃，以至相关老师很严肃地去他家找他爸爸，强烈建议赫兹今后攻读东方学。他还很擅长木匠活，不但自购了一架木工车床，还正式拜一位木匠为师，按木匠的职业标准勤学苦练。他的技艺进步很快，以至这位师傅也来家访，希望赫兹今后成为一名“小鲁班”。
当然，赫兹也并非全才。比如，他在音乐方面总是跑调，老师虽已竭尽全力，但他仍未取得明显进步。所以，他从未加入学校合唱队。即使是音乐课上的练习，为了不让其他同学被他带跑调，老师只好单独忍受他的“杀猪式嚎叫”。18岁时，赫兹以优异成绩从中学毕业，学校给他的总体评语是：逻辑敏锐，记忆力强，叙事灵巧，数学出色。
中学毕业后咋办呢？他与爸爸协商后，父子俩达成一致意见：进军建筑业，成为工程师。为此，赫兹进入了法兰克福设计局，从事相关工程工作。他既学习必要的实践知识，又提前接受锻炼。一年后，19岁的赫兹考入了慕尼黑高等技术学校学习工程专业。但他很快就发现自己其实并不喜欢工程。特别是该专业的测量、绘图、结构等必修课更让他觉得枯燥无味。显然，赫兹选错了专业。于是，他当机立断，借当年征兵之际，摇身一变就成了一名铁道兵。可哪知刚出“虎穴”又陷“狼窝”。原来部队里机械单调的“操练、行军、再操练、再行军”让他备感压抑和沉闷。做逃兵当然不可能，于是他马上调整心态，把兵营生活当成对自己的一次挑战。果然，他很快就尝到了甜头，某些坏毛病竟被根除了。
20岁那年，服役归来的赫兹征得父母同意后，将专业换成了数理方向，立志成为科学家。这时，他幸运地遇到了人生第一位贵人——物理老师约里。约里老师不但在课堂上认真教学，还在课外给他开了不少“小灶”，比如推荐他潜心研究拉格朗日、拉普拉斯等数学家的名著，提醒他关注自然科学史，以便理解若干科学前沿的来龙去脉。后来的事实表明，约里的建议对赫兹的成功非常有用。实际上，赫兹对约里的建议不但言听计从，还主动加码。他深入钻研了许多领域的经典原著，对以往的重大科学发现有了全面系统的了解。他不但更加佩服前人的聪明才智，还为自己找到了人生榜样。随着学业的迅速进步，赫兹和约里都意识到，当前这所名不见经传的大学已容不下他这条“潜龙”了。于是，在21岁那年，赫兹来到了德国最高学府柏林大学，并拜入顶级物理学家亥姆霍兹的门下。后者是赫兹的第二位也是最重要的一位贵人。
果然是名校出才子。赫兹怀着激动和崇敬的心情进入柏林大学后，宛如一位虔诚的信徒深深地被这里的浓厚学术气息所吸引。在写给父母的信中，他感叹道：这里的学生确实与众不同，教室里常常座无虚席，还有许多人站着听课，甚至连走廊都拥挤不堪。在如此良好的环境中，赫兹的学习热情更加高涨，他如饥似渴地汲取着各方面知识。这里的实验环境相当好，各种先进的仪器应有尽有，任何设备都可随时使用，实验的配套服务也很到位。
果然是名师出高徒。赫兹的非凡天赋和杰出才华很快就引起了亥姆霍兹的关注，于是这位导师经常刻意帮助、培养他，热心回答他的任何疑问，但又从不将自己的观点强加于他。那时，导师刚好为全校出了一道公开竞赛题：用实验验证沿导线运动的电荷作为电流来说是否真的具有惯性。伙计，你若不懂该竞赛题目也没关系，其大意是：若这里的“惯性”被否定，即运动电荷不像运动物体那样具有惯性，那么当时的电动力学主流观点将被实验否定。亥姆霍兹其实对“电荷惯性”持怀疑态度，只是苦于一时拿不出实验证据而已。经过一番巧妙的实验后，赫兹果然没找到“本该出现的电荷惯性”，从而赢得了这次竞赛，于22岁那年获得了柏林大学校长亲自颁发的金质奖章。这也是赫兹获得的首个科学奖。后来的事实表明，正是这次竞赛从信心和科研内容两方面将赫兹引向了发现电磁波的大门。
不久以后，导师又以柏林科学院之名，面向全世界提出了另一个竞赛题目：用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系。伙计，与前面的竞赛题目类似，你若不懂该题也没关系。形象地说，若该实验成功，那就相当于用实验发现了电磁波。其实，电磁波的存在早已在理论上被麦克斯韦预测到了，只是仍苦于没有实验证据而已。虽然赫兹没参加这次竞赛（他正忙于准备博士论文），但是竞赛题目所提出的问题深深地印进了他的脑海里，以至他在8年后还会回过头来解决此问题，从而取得了自己最辉煌的成就。这再一次说明，“提出问题”的重要性确实不亚于“解决问题”。
花开两朵，各表一枝。其实，赫兹获得博士学位的过程也极富传奇色彩。他只用了短短三个月就完成了论文所需的全部实验，并撰写了相关实验报告。该报告得到了导师和另一位大科学家基尔霍夫教授的一致好评，他们齐刷刷地亮出了高分，一致同意赫兹参加博士论文答辩。在答辩会上，赫兹应答自如。对于基础理论问题，他描述得清楚而准确；对于经典哲学问题，他更是侃侃而谈，还嫌问题不够刁钻；对于相关专业问题，他也给出了满意的答复。总之，两小时后，答辩委员会给出了少有的好成绩。1880年3月15日，赫兹获得了柏林大学博士学位，这时他刚刚23岁。
博士毕业后，赫兹留校任教，成了导师亥姆霍兹的科研助手，从此开始向发现电磁波的重大成就步步逼近。他在导师的指导下，更加全面深入地研究了麦克斯韦电磁学理论。他经常应邀前往导师家中，一边品茶，一边与导师进行面对面的学术讨论。导师那严谨的科学态度、从容不迫的科研风格和慢条斯理的生活情调都对后来赫兹的攻坚克难起到了重要作用，毕竟做大事是急不得的。导师经常带赫兹参加各种高端会议，他不但结识了众多顶级科学家，还及时掌握了科研前沿的新动向。这激励他勇往直前。这时的赫兹已进入成果高产期，其研究领域横跨热力学、弹性理论、固体力学等。更重要的是，作为一名未来的顶级实验物理学家，赫兹越来越成熟。一方面，他对实验结果总能给出客观冷静的分析，用实验去验证相关理论的能力也越来越强；另一方面，他的实操技巧越来越高，甚至还能亲自动手制作若干特需实验仪器。比如，他吹玻璃的水平竟不亚于专业工匠，能设计和吹制各种试管和器皿。他亲自制作的电功率仪在随后发现电磁波的重大课题中发挥了关键作用。
26岁那年，赫兹跳槽到了名不见经传的基尔大学，担任数学和物理学教授。虽然该大学的教学、科研和实验环境等都完全不能与柏林大学媲美，学术氛围更是差得出奇，但基尔大学给了他一样最重要的东西，那就是时间！的确，赫兹在这里的近三年时间里，几乎可以心无旁骛地做自己想做的任何事情。于是，他系统地思考了电动力学和电磁辐射问题，特别是再次对麦克斯韦的电磁学理论进行了地毯式的梳理，冥冥之中好像已瞄准了那头“巨兽”——用实验证实电磁波的存在。
做实验的基本功练就了，电磁学理论也烂熟于胸了，目标也锁定了。终于，赫兹要发起总攻了。为此，他以实验物理学教授的身份跳槽到了条件更好的卡尔斯鲁厄高等工业学校，并亲自动手对所有实验设备和仪器进行了全面修缮，让实验室焕然一新。时年，他刚好28岁。
可是，当赫兹刚要吹响冲锋号时，才突然发现万事俱备，只欠东风！东风在哪儿呢？这股东风就在该校数学教授多尔的家里。这位多尔教授越看赫兹越顺眼，于是就把自己的宝贝闺女介绍给了赫兹。二人一见面，就立马产生了“量子纠缠”。短短4个月后，多尔教授还没来得及准备嫁妆就乐哈哈地当上了岳父。时年，赫兹29岁。据说，赫兹在谈恋爱时，他的科研并未受到影响。据夫人的回忆，在恋爱期间，他俩在月下看星星时，她看到的是如意郎君的眼睛在闪闪发光，而他将“星星的闪耀”量化成了不同的频率。
爱情的力量是巨大的。虽然“爱情电磁波”不是“物理电磁波”，找到了“爱情电磁波”并不等于找到了“物理电磁波”，但是在“爱情电磁波”的激励下，赫兹很快就找到了“物理电磁波”。1886年10月的一天，赫兹在一次实验中发现了电磁波这头巨兽的“脚印”，用行话来说就是发现了电磁感应过程中的电磁共振现象。此时，他刚结婚三个月。又过了两个月，1886年12月2日，赫兹成功地将该“巨兽”引入了“包围圈”，用行话来说他在两个直线振荡器之间成功地实现了共振，引发了传统物理学中不曾有过的远距作用。在“收网”前，为确保万无一失，赫兹决定再给那头“巨兽”致命一击。1887年，他又对实验进行了改进，在直线振荡器上增加了一个感应平衡器，使得直线振荡器产生的电磁波能激发出感应电流，感应电流又能发射出一种附加电磁波，并产生电火花。1887年10月，30岁的赫兹总算逮住了这头“巨兽”，圆满地解决了导师在8年前提出的竞赛题目。同年11月5日，赫兹将其成果写成论文并通过导师转交给了柏林科学院。至此，麦克斯韦的预言被证实了，电磁波终于被找到了！
成功找到电磁波后，赫兹并不打算就此罢休，他还要做更深入的研究。首先，他要测量电磁波的速度。伙计，这可不简单哟。别忘了，为了测量清晰可见的光速，人们可是前赴后继花费了好多年的时间。而电磁波则更是看不见摸不着，对其测速当然更难。经过一番努力，赫兹在1888年1月成功地测得了电磁波的速度，它竟然与光速相同。这再次让大家震惊不已，原来麦克斯韦的预测又对了！接下来，赫兹穷追猛打。既然电磁波与光跑得一样快，那么它们会不会就是同类呢？又经过一年多的巧妙验证，赫兹终于用实验证实了：电磁波具有光波所具有的所有物理特性。原来电磁波与光波还真具有同一性呀！1889年，赫兹出版了自己最重要的专著《论电力射线》，用事实证明光从本质上说也是一种电磁波。从此以后，光学与电学便合而为一了。书中暗表，此处为啥只描述赫兹所提出的问题，而并未介绍他是如何解决这些问题的呢？这主要是因为一方面解决这些问题的过程太专业，不易说清；另一方面，更主要的是，对于一个想成为科学家的人来说，“提出问题”经常比“解决问题”更重要。
32岁时，已成为世界著名科学家的赫兹改任波恩大学教授。这时，他转向了理论物理研究，与列纳德教授一起发现了一个重要科学事实，即原子是可渗透的，原子的质量集中在原子所占空间的微粒中。这一重大发现为随后卢瑟福建立原子模型奠定了基础。后来，合作者列纳德教授因此获得了1905年的诺贝尔物理学奖。可惜，那时赫兹已去世，因而他与诺贝尔奖无缘。不过，赫兹的伟大已不是任何奖项所能匹配的了。在波恩大学期间，赫兹还取得了许多重大成就。限于篇幅，这里不再详述了。
我们必须指出，赫兹还是一位极富批判精神的科学家，他从不将已有的科学成果看成金科玉律。他有一句名言，很值得重视，那就是“来源于实验的东西也可用实验去修正”。35岁那年，他出版了生前的最后一部著作《关于电力传播的研究》。这是古今中外少有的一部奇书，它不但介绍了作者的成功，更难能可贵的是还介绍了作者所经历的挫折、失败甚至错误。赫兹的坦荡无私更加令人敬佩。其实，在科研中，有时“失败”也是一种“成功”，甚至可能是更大的“成功”，因为“失败”更能深刻地启迪后人。
赫兹的去世也令人唏嘘。一来，他还非常年轻，正处于最好的年华；二来，他其实没啥大病，只是牙龈脓肿而已，但当时的医生无能为力，以至最终演变为败血症。于是，1894年1月1日，赫兹与世长辞，享年仅仅36岁！