01 电磁波的发现

人类对宇宙的观察首先是从可见光开始的，地球大气层在这个波段以及邻近的部分红外波段比较透明。实际上对地球大气层来说，还有一个更为开阔，更加透明的无线电波窗口，即射电波段窗口（图1）。射电波段是电磁波整个频段的一部分。它从米波、厘米波开始，包括毫米波和亚毫米波，是一段非常广阔的频段。物理学家是首先通过对射电波的研究，进而认识了电磁波的特性的。而射电波的发现则是通过对电和磁两种现象的研究而实现的。

图1 地球大气层的可见光和射电波窗口

早在公元前2635年，中国古人就首先发现了天然存在的磁石，并且了解到磁石有指向南北方向的特点。磁石经过打磨加工以后，很快就被用于众所周知的指南针中。中国式古指南针（司南）是一个大汤勺的形状。将这个由磁石打磨成的勺子放置在一个有色金属的平面之上，勺子的头尾则始终指向地球南北的方向（图2）。后来指南针被制造成像针一样的形状，用一个针尖轴承将磁针支撑在它的重心上，或者用丝线悬挂起来，同样可以使用。公元1175年，指南针技术传到欧洲。指南针的发明对航海业是一个极大推动。很快人们就认识到磁石，以及随之而发现的磁铁，具有同性相斥和异性相吸的特殊属性。

图2 司南

经过了长时间封闭的中世纪以后，1600年英国人吉尔伯特发现琥珀与毛皮摩擦或者玻璃与丝绸摩擦以后，会分别具有吸引质量小的纸片等物体的特殊现象，这是人类第一次系统研究静电。后来德国马德堡的格里克发明了第一台能够产生和储存静电电荷的摩擦起电机。1729年格雷发现金属材料可以导电。1734年杜菲发现存在两种不同形式的电荷，并将其定义为正、负电荷。在正、负电荷之间具有同性相斥和异性相吸的现象。1745年出现了可以储存电荷的电容器。1780年富兰克林通过在雷雨中放风筝，发现雷电中存在的电荷和电流。富兰克林是美国人，没有受过正规教育。他发明了将雷电中电荷传递到地下的避雷针装置，这是在电磁现象发现后第一个十分重要的电磁学实用发明。

1785年库仑第一次在电学和磁学领域进行定量测量和分析，得到两个电荷之间作用力和电荷大小成正比、和电荷之间距离平方成反比的库仑定律。1789年这个定律被推广到磁学领域。库仑著有重要的《电气和磁性》专著。

1819年丹麦物理学家奥斯特应用十分简单的装置证明了在电流和磁场之间存在着十分重要的依存关系。在这个实验中，将指南针放置在通过电流的电线附近。当电流切断或者连接的时候，指南针将会明显地受到电流所产生磁场的影响，发生偏转。也就是说，在电流的周围存在着磁场。1820年奥斯特将他的实验写成仅仅4页的一篇论文《论磁针的电流撞击实验》。论文记录了他的电磁实验装置以及近60多次的实验结果。他的结论是：电流产生磁场的作用仅仅存在于载流导线的周围；电流所产生的磁场，沿右手螺旋线法则垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过不同介质；而作用强弱则取决于导线到磁针的距离和电流的强弱。同一年，安培使用数学方法总结了奥斯特的发现，得出了十分重要的结论：（1）两个距离相近、强度相等、方向相反的电流对所产生的磁场作用力相互抵消；（2）在弯曲导线上电流所产生的磁场力可以看成由许多小段直线电流所产生的作用力的矢量和；（3）当载流导线长度和作用距离同时增加相同倍数时，磁场作用力将保持恒定。安培提出磁针转动方向和电流方向的关系服从右手螺旋线法则，即安培法则。1822年安培提出电流方向相同的两条平行导线互相吸引，电流方向相反的两根平行导线互相排斥的规律。1826年安培最终总结出电流元之间产生作用力的安培定律。这个定律描述两电流元之间相互作用力和两电流元大小、两电流元间距以及电流方向之间的关系。他还提出了十分重要的分子电流假设，认为每个分子的电流元可以使材料形成小磁体。安培同时发明了测量电流的仪器——电流计。

1831年印刷装订工出身的法拉第用同样非常简单的实验显示了磁场和电流之间的关系。在实验中，法拉第将一个永磁铁插入用导线绕制的线圈之中。当磁铁插入时，线圈中就会产生电流（图3）。因此法拉第出版了著名的《电学实验研究》一书。法拉第是一位实验大师，但欠缺数学功力，他的创见都是以直观形式来表达。当时的物理学家恪守牛顿理念，对法拉第的学说感到不可思议。有人甚至宣称：“谁要是在超距作用和模糊不清的力线观念中有所迟疑，那就是对牛顿的亵渎！”

图3 安培和法拉第分别进行的电磁感应实验

经过这些实验，人们已经将自然界的“力”，即热、电、光、磁和化学力逐渐归结为粒子之间的吸引或排斥，而磁和静电则有类似引力的平方反比规律。1873年麦克斯韦综合了前人所发现的分别分散在电、磁和光等方面似乎是孤立的现象、实验和理论，进而发现了电磁场方程，创建了电磁场理论。麦克斯韦终于成为从牛顿到爱因斯坦之间这一整个阶段中最伟大的一位理论物理学家（图4）。

麦克斯韦1831年出生于苏格兰爱丁堡，出生当年，法拉第提出电磁感应定律。麦克斯韦智力发育早，十五岁时就向爱丁堡皇家学院递交科研论文。1847年麦克斯韦中学毕业，进入爱丁堡大学学习。在班上他年纪最小，但成绩却名列前茅。他用三年时间完成了四年学业，为了进一步深造，1850年他来到剑桥大学三一学院继续学习数学。1854年他以第二名的成绩获得奖学金，留校任职两年。1855年麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》。1856年他在苏格兰阿伯丁的马里沙尔学院任教授，1860年在伦敦国王学院任天文学教授，1861年又发表了《论物理力线》。1863年他完成第三篇电磁学论文《论电学量的基本关系》，这是麦克斯韦电磁学研究的重要一步。在这篇论文里，他推广了傅立叶在热学理论中所使用的方法，宣布了和质量、长度、时间相关的电量和磁量的定义，把量纲关系表示为质量、长度和时间的幂乘积。1864年麦克斯韦发表《电磁场动力学理论》。这一工作经后人整理和改写，成为经典电动力学的麦克斯韦方程组。1861年麦克斯韦入选伦敦皇家学会。1865年他辞去教职，回家系统总结电磁学研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著《电磁学通论》，这部通论于1873年出版。1871年麦克斯韦受聘为剑桥大学新设的卡文迪什教授，负责筹建卡文迪什实验室，1874年实验室建成，他担任实验室第一任主任，直到1879年。卡文迪什实验室对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响，众多著名科学家都曾在该实验室工作。卡文迪什实验室甚至被誉为“诺贝尔物理学奖的摇篮”。在对前人和他自己的工作综合概括的基础上，麦克斯韦将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来，成为经典电动力学的麦克斯韦方程组。据此，他1865年就准确地预言了电磁波的存在，并推导出电磁波传播速度等于光速。由于交变电场会产生交变磁场，而交变磁场又会产生交变电场，这种交变的电磁场就会以电磁波的形式，向空间散布开去。麦克斯韦作出这一预见时年仅34岁。这是麦克斯韦一生中最辉煌的一年。同时他指出，可见光是电磁波的一种形式，深刻揭示了光现象和电磁现象之间的内在联系。1879年，48岁的麦克斯韦因胃癌与世长辞。十分巧合，爱因斯坦在这一年诞生。

图4 麦克斯韦

因为他的科学思想和科学方法的重要意义直到20世纪科学革命时才充分体现出来，麦克斯韦在生前没有享受到他应得的荣誉。他没能看到科学革命的发生。如果说牛顿的经典力学为机械时代打开了大门，那么麦克斯韦的电磁场理论则为电气时代打开了大门。

麦克斯韦关于电磁波的伟大预言是赫兹用实验证实的，那时麦克斯韦已经去世8年。赫兹1857年出生，1885年他获得卡尔斯鲁厄大学教授资格，1887年他证明了电磁波的存在。

在这个重要实验中，赫兹使用了可以接收无线电波的赫兹天线（图5）。依照麦克斯韦理论，变化中的电能会辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡的原理，设计了一种电磁波发生器。他将一个感应线圈的两端连接于两根铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时，感应产生的高电压使电火花隙之间产生火花。很快，电流会在电火花隙和锌板之间振荡，频率高达数百万周，此火花会激发产生电磁波。赫兹又设计了一个简单的检波器来探测这个电磁波。他将一小段导线弯成圆形，在导线的两端点间留有一段小的电火花间隙。因为电磁波应该在此小线圈上同样产生感应电压，所以会使这个间隙内产生火花。他本人坐在暗室内，将检波器放置于距离振荡器10米距离，结果他发现检波器的电火花间隙中确实有小火花产生。赫兹在暗室远端墙壁上覆盖可以反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应该产生驻波，他用检波器在距离振荡器不同的距离上检测，证实了驻波的存在。赫兹先求出振荡器频率，又用检波器测量驻波的波长，二者乘积即等于电磁波的传播速度，这个速度正如麦克斯韦所预测的，正好等于光速（图6）。赫兹的这个实验不仅证实了麦克斯韦的电磁场理论，更为无线电、电视和雷达等一系列新技术的发展指出了方向。这个重要实验标志着旧的经典物理学时代的结束和新的现代物理学时代的开始。不过赫兹在当时并不知道他的实验的重要性。据说当时有人问赫兹，你这个发明有什么用？他说，除了在表演时，会令在场的女士们惊奇和尖叫外，确实没有什么用。赫兹的寿命同样非常短，1894年，37岁的赫兹因败血症在波恩去世。现在赫兹是周期性振动的频率单位，1赫兹就是在一秒时间内重复一次的振动，10赫兹就是在一秒时间内重复十次的振动。

图5 赫兹使用的天线

图6 赫兹证明电磁波存在的实验装置

1901年，马可尼开始建造发射和接收电磁波的天线。天线越做越大，逐步证实了电磁波的信号可以传递数十、数百，或者上千千米，从而实现了无线电通信。马可尼有一个经验公式，就是电磁波的传播距离正比于杆状天线高度的平方数。1920年商业性无线电广播正式开始。天线一词从此在电子学领域获得广泛应用。1924年马可尼推动了短波段、长距离无线电洲际通信。当时在英国发出的无线电信号，可以分别在加拿大、阿根廷和澳大利亚直接进行接收。由于可以接收到来自远方的无线电波，所以很快就有人想接收来自地球以外的无线电信号，于是诞生了后来的射电天文学。