麥克斯韋電磁理論支配著包括靜電、穩恒磁場、電磁感應、電路、電磁波等一切宏觀電磁現象，而且將光學統一在這個理論框架之內，這是繼牛頓力學體系建立之后，愛因斯坦與量子力學出現之前，物理學所取得的最大成就。

但是這個理論，即便是在麥克斯韋去世后相當長的一段時間內，依然得不到實驗上的證明，也無法得到廣泛的承認。在當時，最具影響力的是韋伯、諾伊曼的電磁學理論。因為這兩個人都地處歐洲大陸，這套理論也被稱為大陸派電動力學，當然他們兩個的理論也沒有得到實驗證明。

麥克斯韋的理論以法拉第場為基礎，與其他所有學派對電與磁現象的解釋截然不同。麥克斯韋關于電磁場的描述過于復雜，在最初的表現形式也過于復雜。即便在英國，麥克斯韋的理論也沒有受到過多的關注，絕大多數物理學家對這個理論表示困惑。

也有少部分人愿意相信麥克斯韋的一切。在其中，除了簡化麥克斯韋方程組的英國人亥維賽之外，還有愛爾蘭的喬治·菲茲杰拉德(George FitzGerald)和英國的奧利弗·洛奇(Oliver Lodge)。這三個人和麥克斯韋之間有一個共同特點，那就是均來自英倫三島。

自從1873年麥克斯韋出版《電磁學通論》之后，菲茲杰拉德和洛奇便成為這一理論的忠實擁護者。1878年，兩人在都柏林會面后決定合作，分別從理論與實驗兩個方面驗證麥克斯韋的電磁學理論[40]。他們通過書信頻繁交互對方的發現，并與亥維賽建立了聯系。

菲茲杰拉德認為，在一個閉合的電路中對電容器進行放電，將引發快速的電流震蕩，從而可以產生具有厘米級或者米級波長的電磁波。他甚至精確計算出采用這種方法所能產生的波長。菲茲杰拉德進行了多次實驗，也許他所進行的實驗確實產生了電磁波，卻沒有找到合適的電磁波檢測方法。

動手能力更強的洛奇幾乎成為發現電磁波的第一人。1987年，洛奇受邀進行避雷針優化的工作。在當時避雷針采用電阻極低的銅棒直接接地。但是非常多的事實發現，采用這種方法在很多情況下，并沒有取得良好的避雷效果。在很多情況下，閃電沒有通過銅棒這個指定路徑，而是其他電阻更高的線路。

洛奇假設閃電不是由連續的直流組成，而是變換的電流組成。他使用萊頓瓶模擬閃電進行了大量的實驗后，認為電阻很低的銅棒在周期變換的電流作用下具有較大的感抗，從而整體阻抗不是最低。這個發現極大優化了避雷針的設計。

在今天，避雷針大體由兩部分組成，一個是外殼，另一個中心接地桿。其中外殼與中心接地桿之間具有幾毫米的間距，形成一個耦合電容。當閃電擊中避雷針后，直流部分通過外殼接地放電，交流部分通過耦合電容后接地放電，頃刻間將雷電流泄放入地。

1888年，洛奇進行了一系列實驗，其中的一個實驗幾乎改寫了電磁學史冊。洛奇在進行避雷針優化的實驗時，使用兩個萊頓瓶，并在上方放置了一對火花間隙。當萊頓瓶放電時，火花間隙將出現光弧，洛奇使用這種方式模擬閃電。在一次實驗中，洛奇使用兩根29米長的電線與萊頓瓶相連，并在兩根電線之間，放置了幾個火花間隙B1、B2與B3，如圖1?20所示。

圖1?21洛奇的電磁波實驗

當萊頓瓶放電時，火花間隙A將出現光弧，隨后洛奇驚奇的發現，B1、B2與B3也相應出現了光弧，而且在最末端的B3出現的光弧最長。洛奇明白這是因為在間隙A處震蕩所產生的震蕩，沿著導線傳播在末端B3反射的結果，在此處入射波與反射波是同相的，而且是產生的電壓是A點的一倍。

此外，洛奇還證明了電線沿線存在駐波。在一間昏暗的房間里，他觀察到電線上有一道可見的輝光。1888年的夏季，他還進行了一系列實驗，直到他認為他發射并接收到了麥克斯韋在24年之前預言的電磁波。

隨后洛奇去阿爾卑斯山度假，他準備歸來時報告這個驚人的結果。但他在乘坐火車時，無意中發現在1888年7月的《物理年鑒》中，有一篇名為《空氣中的電動波及其反射》的文章，署名是在當時并不有名的一位德國研究員，海因里?！ず掌?Heinrich Hertz)。

赫茲有一個非常出名的老師赫爾曼·范·亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)。亥姆霍茲是能量守恒定律的創立者之一，也是在當時能夠看懂麥克斯韋電磁學理論的人。在當時，以韋伯和諾伊曼為代表的大陸派電動力學更為主流。

但是亥姆霍茲發現大陸派電動力學的一個核心理念“韋伯力”，并不遵守他所創建的能量守恒定律；隨后出現的一些實驗證明諾伊曼的勢理論也存在不小的問題。此時他沒有更好的選擇，擺在他面前的只剩下并不被看好的麥克斯韋。

亥姆霍茲以自己的方式，重新描述并通俗化了麥克斯韋的理論，還留下了關鍵的一步，使用實驗進行驗證。1879年冬，德國柏林科學院根據亥姆霍茲的倡議，頒布了一項科學競賽獎項，征求麥克斯韋電磁場理論的實驗證明。

亥姆霍茲鼓勵他的學生赫茲從事這方面的實驗。在1886年至1888年間，赫茲通過一系列實驗驗證了麥克斯韋爾的理論。這個實驗就是著名的赫茲實驗。在赫茲實驗中使用的電磁波發射與接收裝置如圖1?22所示。

圖1?22赫茲實驗使用的電磁波發射與接收裝置

在進行這個實驗之前，赫茲首先從觀察電磁作用在導線中的傳播開始，經過大量的實驗驗證了位移電流的存在，并隨后觀測到了“導線波”以有限的速度傳播。1887年11月與1888年1月，赫茲發表了《論絕緣體中電擾動產生的電磁效應》與《論電磁作用傳播的有限速度》這兩篇文章闡述兩個發現[42]。

此時的赫茲幾乎已經發現了電磁波，他準備進一步驗證電磁作用在空氣中的傳播。這是赫茲發現電磁波最為重要的階段，也是他在這段“發現電磁波”歷程中最為艱難的時刻。

在驗證位移電流與導線波的過程中，赫茲對于如何調整電容與電感，操控火花間隙S處產生光弧已經爐火純青[42]。這套裝置即為圖1?22的左半部分，相當于電磁波發生器。

在實驗中，赫茲將感應線圈的兩端與兩個銅棒相連，當感應線圈的電流突然中斷時，由感應所產生的高電壓將使火花間隙S產生火花，之后電荷經由火花間隙在鋅板C間振蕩。由麥克斯韋理論，這種火花將產生電磁波。

在赫茲實驗中，最為艱難的是如何設計接收裝置即檢波器，來發現在空氣中傳播的電磁波。檢波器的英文是Detector，主要功能從無線電信號中獲得有用信息的裝置，是無線電接收系統中最重要的一環。

受時代制約，赫茲只能設計出一個非常簡陋的檢波器。他將一小段導線彎成圓形，線的兩端留有小電火花隙。如果電磁波能夠從空氣中傳播到這個小線圈時，將產生感應電壓，并在火花間隙M處產生電弧。

這次實驗進行得異常艱苦。赫茲的發射裝置確實能夠產生電磁波，但是這次實驗的檢波器過于簡陋。赫茲花費了大量的時間，調整發送裝置與檢波器，具體的工作是鉆孔，繞線圈，調整電容大小與火花間隙的距離，調整檢波器的位置等一系列瑣碎的事務型工作。直到某一天，赫茲在一間昏暗的實驗室中，發現了火花間隙M中的火花。

1888年3月，赫茲與亥姆霍茲分享了這個結果，并在同月的31日，將《空氣中的電動波及其反射》這篇文章抄送至《物理年鑒》。這是人類歷史上，第一次觀測到電磁波在空中的傳遞。

赫茲通過實驗數據計算出電磁波在空氣中的傳播速度。雖然這個傳播速度與光速之間有較大的誤差，但至少在一個數量級中。

英國人洛奇與這個巨大的榮譽插肩而過，但他的注意力沒有放在被赫茲搶了頭功這件事情上，相反赫茲實驗的完備使其深受鼓舞。來自英倫三島的另外兩位科學家菲茲杰拉德與亥維賽對赫茲實驗也產生了濃厚的興趣。此后的時間，四人頻繁交流，增加了赫茲對電磁波的認識。

1888年12月，赫茲發表《論電磁輻射》[42]，論述了電磁波的偏振、反射和折射現象的研究方法，并提供了實驗結果。在這篇文章的最后，赫茲非常自信地認為，電磁波具有與光相同的屬性。這些屬性既能通過光學的角度推演出來，也能通過電磁學的角度進行推演。

至此麥克斯韋通過理論推導得出的光與電磁波的同一性獲得了充分的實驗依據。赫茲實驗之后，只有時間能夠阻擋無線通信的出現。在科學家、企業家、工程師與無數普通人的合力之下，這個時間被無限縮短。

不同的人懷著不同的目的，駛入了這片由法拉第、麥克斯韋與赫茲等人開辟的藍海。這片藍海所蘊含的巨大能量，扭曲了這段歷史，使許多參與者只能擁有身后榮譽。

原文標題：半導體簡史-電與磁--電磁波的發現

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責任編輯：haq