電磁波的預言
正像許多新思想、新理論剛剛誕生之時不為人們所理解一樣,法拉第提出的場的概念也遲遲不為人們所接受。特別是由於法拉第沒有受過係統的正規教育,數學水平不夠高,因此他對電磁場的研究,隻能停留在對力線的描述上,不能把它變成精確的定量的理論。
是一位年輕的物理學家把法拉第萌發的新思想用精確的數學形式表示出來,並把它發展成為完整的電磁場理論,他就是麥克斯韋。
麥克斯韋也是英國人,誕生在1831年,比法拉第晚出世40年。他的父親是一個律師,但主要興趣卻是製作各種機械和研究科學問題。他父親對科學的愛好對麥克斯韋產生了很大的影響。麥克斯韋從小喜愛數學,14歲時就在愛丁堡皇家學會發表了畫橢圓曲線的論文,16歲考入愛丁堡大學學習物理,19歲時轉入劍橋大學。他因設計著名的色陀螺而轟動科學界,獲得皇家學會獎章,24歲就成為大學教授。
早在劍橋大學求學時,麥克斯韋就被法拉第的嶄新觀念所吸引,並立誌要把它用數學形式表達出來。
1856年,25歲的麥克斯韋寫出了《論法拉第的力線》的論文,引入一種新的矢量函數來描述電磁場,法拉第看到後大加讚揚。
1860年,麥克斯韋登門拜訪了年近七旬的法拉第,他們一見如故,談得十分投機。麥克斯韋崇敬地請法拉第指出他論文的缺點,法拉第非常誠懇地說:“你不應該停留在用數學來解釋我的觀點,而應該突破它。”麥克斯韋受到極大的鼓舞。
當時在電磁學領域已經建立了四大定律,它們是庫侖定律、高斯定律、法拉第定律、安培定律。麥克斯韋深入研究了法拉第提出的場,以此為起點,綜合各家之長,終於提出了著名的麥克斯韋方程組,它由四個方程式組成,幾乎包括了已有的全部電磁學的規律,其構思深刻奧妙,表達簡潔明了,以致後人讚譽它是“神仙寫出來的”。
在這裏麥克斯韋發展了法拉第的電磁感應定律。他指出電磁感應的本質是變化的磁場產生電場,不論周圍有無閉合回路存在。同時他也發展了電流的磁效應,指出不僅電流能夠產生磁場,任何變化的電場都要在周圍空間產生磁場。
這樣,麥克斯韋就為我們勾畫出一幅完美的圖像:變化的電場在它周圍產生變化的磁場,變化的磁場又在周圍產生變化的電場,變化的電場再產生變化的磁場……如此不斷交替產生,就構成了統一的電磁場。而一圈圈變化的電場和磁場向四周不斷傳播出去,就形成了電磁波。
麥克斯韋不僅預言了電磁波的存在,而且計算出電磁波在真空中的傳播速度是3×108米/秒,與光的速度相同,從而進一步預言了光也是電磁波,是一種可以引起人們視覺的電磁波。
青出於藍而勝於藍。麥克斯韋站在巨人肩上,終於建成了電磁理論的宏偉大廈。正像牛頓繼哥白尼、伽利略、開普勒等人之後,創立了經典力學,完成了物理學的第一次革命,麥克斯韋繼承庫侖、歐姆、安培和法拉第之後,創立了經典電磁學理論,完成了物理學上的第二次革命。
麥克斯韋在天文學、氣體分子運動理論、熱力學方麵也都作出了卓越的貢獻。
捕捉電磁波
盡管麥克斯韋用嚴密的數學論證了電磁波的存在,但是在人們心目中電磁波卻是那樣神秘莫測,既不像水波可以看得見,又不像聲波可以聽得見。那麼,怎麼才能證明電磁波真的存在,麥克斯韋的理論是正確的呢?
麥克斯韋生前沒有看到他的理論被證實,他積勞成疾,48歲就患癌症去世了。在麥克斯韋去世後的1887年,一個德國青年物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。
1878年,21歲的赫茲來到柏林大學攻讀電學。他的導師亥姆霍茲是最早支持麥克斯韋的少數幾個傑出科學家之一。亥姆霍茲建議柏林科學院懸賞征求證實電磁波的實驗,同時鼓勵他的學生赫茲去解決這個問題。
赫茲也為麥克斯韋的理論所吸引,他欣然接受了導師的建議,從此幾十年如一日,孜孜不倦地投入到尋找電磁波的研究中。
要證明電磁波的存在,首先就要能夠產生電磁波。很長一段時間,赫茲苦於找不到產生迅速變化的電磁場的辦法。有一天,赫茲在實驗室工作,他發現當把一個兩端間留有很小間隙的彎成長方形的銅線接到感應線圈上做放電實驗時,在間隙部位出現了一個來回迅速跳躍的小火花。赫茲立即意識到,這個跳動的小火花不正是可以產生變化的電場和磁場嗎?
那麼又怎樣接收電磁波呢?他百思不得其解。當他從各種設想又回到麥克斯韋的電磁理論時,突然頓悟,電磁波既然向四麵八方傳播,那麼在它傳播的空間的導線中不是應當產生電流嗎?觀察導線中有無電流應當是很容易的事情。