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电磁波与健康
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电磁辐射危害人体的机理主要是热效应
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电磁辐射对人体的伤害
电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和积累效应等。
热效应：人体内70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。
非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破坏。
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电磁波发现收藏
电磁波的发现1820 年4 月，奥斯特(H．C．Oersted，)发现了电流的磁效应，标志着电磁学的开始。接着，安培(A．M．Ampére，1775 年～1836 年)在 年间创立了超距论的电动力学。1831，法拉弟(M.Faraday，)发现了电磁感应定律，对超距论电动力学提出了第一次批判； 年间，他又初步提出场论的概念；至1851年， 他正式提出了电磁场论的思想。1845 ～ 1846 年间， 诺埃曼(F．E．Neumann，)和韦伯(W．Weber，)发展了安培电动力学，创立起德国电动力学体系，在欧洲大陆风靡一时。1861 年，英国19 世纪伟大物理学家、电磁波预言者麦克斯韦(J．C．Maxwell，)提出电位移和位移电流的概念，对超距论电动力学提出了第二次严肃的批判； 年间，他又从理论上预言电磁波的存在，建立了著名的麦克斯韦方程组。他的理论最后在 年间为赫兹(H．Hertz，)的实验所证明，历史用光彩夺目的大字写下：电磁波发现了。超距论不可能预言电磁波的存在伏打电池的发明(1800 年）宣告了第二类电源（相对于第一类电源——静电摩擦电源而言）时代的开始。恒稳持续的电流为化学家开辟了新领域，电化学随即诞生了；它同样为电磁学创立提供了条件。然而，在整整二十年中几乎没人考虑利用这种条件去寻找电和磁的联系。他们受到一种思想的约束：电和磁是完全不相同的物理实体——这是库仑(C．A．deCoulomb，)在创立他的定律后不久提出的论断。完全超脱于这种思想的奥斯特根据康德的自然力都有一个共同的根源的哲学原理，始终坚持认为电和磁不是互相独立的，它们必然存在一种尚未发现的关系。经过长期探索后，他终于发现电流可以将磁针推向与电流垂直的位置。他用“电碰撞”(conflictuselectri)的概念来解释电流磁效应。所谓“电碰撞”，是指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，一旦撞上磁体就会发生撞击，致使磁体的轴转到与电流相垂直的方向。这里蕴含有最原始的场的思想。奥斯特的发现很快被法国物理学家接受下来，但是他的解释却被法国人所拒绝。自从库仑时代以来，他们一反其祖辈笛卡尔将一切自然力归化为物质涡旋运动的作法， 跟随拉普拉斯(P．S．Laplace，)的简略纲领，将一切物理现象都简化为粒子间的吸引或排斥的力学现象，使超距论红极一时。被誉为“电学中的牛顿”的安培带着超距论者的一切特征走进了电磁学。他引进了术语“电动力”，意指由电流产生的动力。他像牛顿把质量分解为无数质点那样，把一个电流视为无数电流元ids 的集合，进而推导出类似于质点引力公式的安培公式①。安培还用实验证明，两个螺线管如通有电流，它们将跟两根磁棒那样产生相互作用。他由此认为，磁体之听以会相互作用，并不是因为他们有什么磁性粒子，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，便产生了磁棒之间的吸引力或排斥力。这样就产生了安培的“磁就是运动中的电或电流”的思想。安培在电流的基础上统一了电和磁，或者更确切地说，他取消了磁的实体。其优点在于可将复杂的电磁现象或纯的磁现象化为可付诸数学分析的电流元形式，其做法与牛顿在处理万有引力时将奇形怪状的物体化为质点的集合的方法如出一辙。安培在这个基础上创立了电动力学。尽管安培电动力学具有数学上的美及内含着的实体高度统一的优点，但由于它强调超距的电动力作用，忽视了电流周围的空间——场的作用，因此不能解释诸如电磁感应这类现象。早在1822 年，阿喇戈(D．F．Arago，)和洪堡(A．vonHumboldt，)在格
林维治山用磁针振荡法测量地磁强度时就发现，金属可以阻尼磁针的振荡，这是物理学界发现的第一个电磁感应现象，但当时谁也无法解释。阿喇戈还为此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。安培对此作了这样的解释：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。然而，他却回答不了为什么磁针先行转动而铜圆盘也跟着旋转的原因，这就暴露出超距论电动力学的弱点。这个弱点正在于缺乏对电流周围的空间或介质即场的考虑。这个现象直到1831 年才由法拉第给予了正确解释。法拉第不受各种特设的电和磁的实体的限制，放眼于电和磁的各种可能的关系，当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基本内容时，他则根据对称性这个普遍的自然法则，判断必然存在逆奥斯特效应，即磁感生电流的效应。阿喇戈的发现和实验正体现了这样一种效应。至于产生这种效应的条件，则是他要寻找的东西。1831 年底，他通过大量的实验认识到，在电流和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。就拿阿喇戈圆盘实验来说，由于铜盘的运动扰动了磁针建立的空间稳定力态，使它自身感生出电流，这种电流与磁针的相互作用便形成了带动磁针运动的力；反过来讲，如果磁针先行运动，它产生的空间力态不断地变化，也能使铜盘产生电流，从而带动圆盘旋转。法拉第把这种力态称为“电致紧张态”(eleetro-tonicstate)。为了定量描述“电致紧张态”，他又引进了磁力线概念，据此总结出电磁感应定律。这是安培无法完成的业绩。我们清楚地看到，法拉第在处理电磁感应现象时已初步用到了场的概念。康德关于“我们只有通过空间力才知道这个空间中的物质”的思想，对法拉第电磁场论的思想形成起了重要的作用。及至年间，法拉第在研究静电感应现象时，又提出用介质中的粒子间的相邻作用代替泊松(S．D．Poisson，)等人的静电超距作用，提出① “内能”(intrinsicenergy)一词是威廉·汤姆孙在1851 年提出的。了电力线的概念，将场引入了介质，初步确立了场论的方法。1850 年11月，他在伦敦皇家学会宣读了题为《磁导力》的论文，提出了磁导率的概念，他根据物质的磁导率，即物质能让磁力线通过的能力，将物质区分为顺磁体和抗磁体。翌年12 月，他又宣读了《论磁力线》，明确指出磁力线是真实存在的实体，是场的表象。1852 年，他在《论磁力线的物理特征》和《论磁力线》两篇论文中分析了电力线、磁力线、电流力线、光线、热力线及引力线的共性和特性，在各种力线或场的基础上统一解释了各类自然力的现象。其中颇为新颖的观点是：物体的相互联系的桥梁是力线的振动，例如电流与磁体的作用是通过磁力线的振动来实现的。这里就具有关于电磁波的最原始的设想。这种设想深深地吸引年青的麦克斯韦，在他刚从剑桥大学三一学院毕业后，就开始用数学的方法总结法拉第场论思想，最后从理论上预言了电磁波的存在。麦克斯韦的贡献麦克斯韦在剑桥大学时就熟读了法拉第发表的各辑《电学实验研究》。使他感到惊奇的是，法拉第虽然不是数学家，但他提出的电磁学概念（特别是磁力线和电致紧张态的概念）含有丰富的数学思想。在他看来，如果用数学符号和公式将法拉第的成果总结出来，就得到一种处理电磁场的动力学方法。正如他所说：“当我开始研究法拉第时，我发觉他考虑现象的方法也是一种数学方法，虽然他不是用通用的数学符号
的形式来表示；我也发现，这些数学方法能够表示为一般的数学形式，而且可以与职业数学家的形式相比美”。麦克斯韦在下述三篇论文中奠定了电磁场数学理论的基础：(Ⅰ)《论法拉第力线》(OnFaraday’sLinesOfForce，)；(Ⅱ）《论物理力线》(OnPhysicalLinesOfForce，)；( Ⅲ ) 《电磁场的一个动力学理论》(ADynamicalTheorrOfElectromagneticField，1864)。麦克斯韦理论预言电磁波的存在也经历了三个阶段。第一阶段：通过电场和热流场、流体力场的几何类比，使力线动力学化和使电致紧张态动量化，进而在电磁场能动性基础上建立各种电学量和磁学量的定量关系。第二阶段：通过特设的电磁场模型。提出位移电流和电位移的概念，联系电扰动和磁扰动，形象地将电磁波运动表示出来，并提出了电磁场运动学方程和动力学方程。第三阶段：运用拉格朗日的分析数学方法，从电磁场的势能和动能着手推导出电磁场方程组，进而预言电磁波与光波的同一性。现在让我们循着上述三个阶段的轨迹，来分析麦克斯韦电磁波理论的成因。早在1842 年，W．汤姆孙(WilliamThomson，)在《论均匀固体中的热的匀速运动及其与电学数学理论的联系》一文中，把拉普拉斯的势函数的二阶微分方程普遍用于热、电和磁的运动中，建立了这三种相似现象的数学联系。1847 年，他又在不可压缩流体的流线连续性基础上，论述了电磁现象和流体力学现象的共同性。麦克斯韦在研究法拉第力线时吸收了汤姆孙这种类比方法，把它发展成研究各种力线的重要公式。例如，在一块各向同性的无限大的均匀介质中镶有一块流体源，根据不可压缩流体的性质，介质中任意一点的流体的压力为P(r)＝kQ4pr式中Q 表示单位时间内通过包围流体源的任意封闭曲面的总流量，r 表示由源到所求点的距离，k 是与介质性质有关的系数。这个现象是大家熟悉的，但只有从几何学的角度才能挖掘出蕴含在这个公式中更广泛的意义。麦克斯韦素有从几何图形分析问题的习惯。同样一道题，其他人只用一连串的分析数学加以解决，而麦克斯韦却要花许多时间来画几何图形，看来有点笨拙，实际这种做法却有一种很少为人所知的优点，它可以帮助分析者用最经济的办法找到那些具有共同数学关系的相似物理现象。麦克斯韦正是这样发现了电场与流体力场的相似性。试想想，在上述流体情况下，如果流体源是一点，以它为圆心作同心球，那么每一个球面上的压力是相等的，这样的圆球面就是等压面。在静电情况中，这些球面便是等势面，正如麦克斯韦所说：“在电学中势对于电，在流体力学中压力对于流体和在热力学中温度对于热，有着共同的关系。电、流体和热全都趋向于由一个地方流到另一个地方，只要势、压力或温度在第一个地方高于第二个地方，这种情况就能发生”。这样，电学中的势等效于流体中的压力，麦克斯韦便推导出电场强度：E = -ÑV(r) = -ÑP(r) = rkQ4 r p 3只需要将Q 定义为电量。如令D=Q/4πr2（D 在这里表示通过球面上单位面积的电通量），就得到一个一般公式：E＝kD对于磁场和电流的情况，类似关系有H = ，和＝ρ1B E jm麦克斯韦深刻地看出，在这些关系中，有两类性质不同的物理量，一类为强度量（E，H），另一类属于非广延的通量（D、B 和j）；强度量与对应的非广延的通量总存在着一种线性关系。超距论电动力学是绝对做不到这一点的。麦克斯韦完成静电学和静磁学的场论化的工作后，就在论文（Ⅰ）的第二部分着手确立电磁学的动力学场的基础。这方面关键的一步是，将法拉第的“电致紧张态”定义为电磁场的动量。这样一来，电磁场就
物质化和运动化了，就像一个定型的力学实体，具有了这种实体的一切特征。正如他所说：“电致紧张态”是电磁场的一种运动性质，它具有确定的量，物理学家应当“把它当作一个物理真理接受下来，从它出发推导出能够用实验检验的定律”。麦克斯韦以电磁场动量A 为基本量，重新总结了前人已发现的六条电磁学定律：(1)Φ=∮A·ds(2)B=μH(3)∮H·ds＝∑I(4)j=σE(5)W=∮j·Ads（W 表示载流线圈在电磁场中能势能）；(6)E = -dAdt定律(1)和(3)说明矢量场中的广延通量可以表示对应强度量的环路积分。这样，麦克斯韦又为我们提供了一个崭新的概念，即力的环路积分不再是力，而是一个广延通量。应当指出的是，超距论电动力学也能推导出上面六个定律，不过他们的A 不是电磁场动量，而是矢量势；在他们的理论中必须有电流或磁体存在，而在麦克斯韦理论中无需考虑它们，只要有电磁场就足够了。在麦克斯韦提出电位移和位移电流后，这个问题就变得明显了。式(3)、(4)和(5)中都含有电流的项。按照通常的概念，电流是带电粒子在导体中的运动。按照动力学，物体既然有动量，就必然有速度；按照麦克斯韦的电磁学，电磁场既然有动量，它必然具有速度。麦克斯韦按照电磁学与动力学的平行关系，发现电磁场的速度应当是电流。这样一来，如果仍然将电流仅限于导体，电磁场就失去了意义。因此，麦克斯韦不可避免地要引入位移电流的概念。为了在电磁场中形象地勾勒出位移电流的形状，必须给它塑造一个模型。要做到这一点，最起码的条件是要根据已有的实验事实确定电运动和磁运动的方式。我们知道，不论在导体中还是在电解质溶液中，电都是处于平动状态，而磁的运动只能是旋转运动，因为电流产生的磁场是圆形的，况且法拉第发现的磁致光旋转现象也说明磁对偏振光作用显现一种旋进状态。麦克斯韦说：“电解质被电流带动在固定方向上的迁移和偏振光受到磁力作用在固定方向上旋转，就是曾经启发我把磁考虑为一种旋转现象而把电流当作平移现象的事实”。麦克斯韦根据这两个基本条件，假设电磁场介质中充满着涡旋分子（在真空中则是涡旋以太），在这些涡旋分子之间夹着许多小的电粒子。涡旋轴代表磁力线的方向，涡旋旋转速度表示磁场强度的大小。在两个同向旋转的分子中间的电粒子起着惰性轮的作用，这些电粒子只会转动而不产生平移；在两个旋转方向相反的分子间，电粒子不发生转动而产生平动，从而形成电流。这是麦克斯韦用几何方法分析问题的一个表现，是他用以建立电磁场运动学方程和动力学方程的直观工具。他在这里再次运用了动力学的方法，从亥姆霍兹(H．vonHelmholtz，)的涡旋流体方程平行地推导出电磁场的运动学方程j＝ ×H14pÑ和动力学方程Ñ×E＝ - μdHdt上述方程表明磁扰动可以产生电场，而且磁场中有电流流动，不论电磁场中是否存在导体都应如此。这是传统观念所不能接受的，但它正是麦克斯韦动力学介质假说的必然结果。这两个方程，已把电磁场的波动性质勾画了出来。麦克斯韦在论文（Ⅱ）中的另一项重要贡献，是从电磁场属于一种动力学介质的假设出发推导出电磁波速等于光速。他的思路是耐人寻味的。自从菲涅耳时代起，光被认为是一种特设的弹性流体——以太的横向振动，其振动的传播速度为v =kr此处k 为光弹介质的弹性模量，ρ为其密度。麦克斯韦根据这种理论假说电磁波亦即为电磁场介质的横向振动，其波速自然取上述形式，不过电磁场介质的密度为4πμ，μ为磁导率。至于它的弹性模量，已由电位移公式E＝kD给出。此处k又可由D =
Q4 r p 2（Q为电量）及E = C 得到，为p ，这样就得到电磁波Qr2 k = 4 C22的速度为：V = c / m在真空条件下，μ=1，所以V=C。C是怎样一个数值呢？根据E＝C2 ，我们知道c是电量的静电单Qr 2位对电磁单位的比值。柯尔劳施（R．Kohlrausch）和韦伯在1856 年已测得这个单位比值等于310，740，000 米/秒。这使麦克斯韦立刻想到，这个比值与布拉德雷(T．Bradley)用光行差的方法和菲索(A．Fizeau)用齿轮法及傅科(L．Foucaulr)用旋转镜面法测得的光速极为接近。他由此得到这个划时代的结论：电磁波在真空中的速度等于光速！这个事实说明科学思想的潜流作用：从光弹介质到电磁介质发生了一整套思想及公式的平移。另外，它还说明，各专门领域的实验发现一经巧妙地结合起来，也能在它们的边沿科学中提出新的理论见解。麦克斯韦在预言电磁波速等于光速过程中运用过的“电磁波速=电学单位的比值=光速”的关系，不正是说明了这个问题吗？1864 年，麦克斯韦在他的论文（Ⅲ）中抛弃了在论文（Ⅱ）中提出的电磁场的动力学介质的模型，而从拉格朗日的分析力学入手推导出了电磁场方程组，它们由二十分量方程（或八个矢量方程而不简单是今日教科书上的四个方程）组成。他由这个方程组推导出电磁波动方程：kÑ2B＝4πμ(d 2B / dt 2 )式中k＝4πc2。显然，电磁波速：v = k / 4pmm＝c与论文（Ⅱ）的结论完全一致。1873 年，麦克斯韦在《电学和磁学专论》一书中预言光压存在，第一次用电磁波理论解释了光压，并算出不光在大小上等于电磁场的能量密度。1901 年，列别捷夫(P．Lebedew，)的光压实验证实了麦克斯韦的理论预言。1879 年柏林科学院悬奖如果说从17 世纪末到18 世纪初欧洲大陆盛行着笛卡尔的涡旋理论而英国人信奉着牛顿学派的超力学的话，那么到了18 世纪末情况就完全颠倒过来了。法国大文豪伏尔泰曾经生动描绘过涡旋论与超距论的这种对峙状态，他说：“你在巴黎看见由充满着稀薄物质的涡旋构成的宇宙；而这些东西在伦敦却荡然无存，我们什么也看不到，在你周围只有引起海潮的月亮的引力”。自从1785 年库仑定律创立后，法国人抛弃了涡旋理论，至及 年，安培就在超距论基础上创立了电动力学，成为超距论电磁学派的一代宗师；相反，英国人却把超距论从电磁学中驱逐了出去，出现了麦克斯韦电磁场论的电磁学派。法拉第在批判安培超距电动力学基础上发现电磁感应定律后，在超距论者中引起了震惊，他们不得不作些修改，以便能够解释他们原来不能解释的现象。1845 年，德国物理学家诺埃曼将安培分子电流假说推广到宏观电流情况，给产生磁作用和电磁作用的电流定义了一个位置函数——矢量势A：A＝F( )jr此处j 为电流密度，r 为由电流到所求点的距离。他在此基础上总结出法拉第电磁感应定律：式中εi 表示感生电动势，dA/dt 为矢量势对时间的微商，ds 表示封闭的导线回路上的线元。这样一来，似乎超距论电动力学与法拉第的电磁学统一了。但其实不然，诺埃曼的理论仍然处处体现安培电动力学的特点，他的矢量势必须由闭合电流产生，他所求的感生电动势也是针对闭合导体而言的。如果回路中有一电容，他就无能为力了。显然，诺埃曼的电动力学仍然缺乏场或介质的概念。由于他着眼点是产生作用的电流和被作用的电流，他就无法处理在两个电流之间的动力学空间，因而也无法预言在这个空间中最活跃、最本质的现象——电磁波。1846 年，德国另一位著名物理学家韦伯提出一种假说，认为导线中的电流是由正、负电粒子的两个方向运动构成的，并在牛顿引力公式基
础上建立了韦伯电作用公式：F = [1- ]e er cdrdtrcd rdt1 22 222221 2( ) + ( )F 表示电粒子之间的作用力，r 表示电粒子e1 和e2 之间的距离。韦伯认为他的公式将库仑的静电力（第一项）、安培的电动力（第二项）和法拉第的电磁感应力（第三项）全部统一起来了。按其言，他的电动力学可以推导出安培电动力学推导不出的现象——电磁感应现象，因此比安培的理论具有更广泛的代表性。不幸的是，他跟诺埃曼一样，没有考虑电磁场空间或介质的作用，这种力仍然属于沿直线传播的中心力，且其传播是不需时间的。韦伯公式中虽然有一个c，但它在韦伯思想中不是电力传递的速度，而仅仅是电量的静电单位对电磁单位的比值而已。除了安培、诺埃曼和韦伯的超距论电动力学外，还有一种准超距论电动力学。这两类电动力学的共同点是，只承认中心力的作用，而不考虑场的作用；不同的是，准超距电动力学承认电力的传递是需要时间的。1858 年德国的黎曼(G．F.B．Riemann，)，以及1867 年丹麦的洛仑茨(L．Lorenz，)所提出的推迟势理论属于准超距论电动力。综上所述，19 世纪中叶的电磁学处于百花齐放的时代，还没形成统一的理论。亥姆霍兹(H．vonHelmholtz，)把这个时期的电磁学领域称为“无路的荒原”。从1870 年开始，亥姆霍兹着手统一诺埃曼、韦伯和麦克斯韦的理论。但他很快就发现，韦伯的电作用定律与能量守恒定律相矛盾，因为在韦伯的电荷系统中，势能不仅与相对距离有关，而且与相对速度有关。韦伯坚持认为，他的理论在微观条件下与能量原理相符合。论战达到了白炽化程度，严重损害了个人感情，以致在1881 年的巴黎第一届国际电气工程师会议上，亥姆霍兹极力反对用“韦伯”命名电工学实用单位。这场论争破坏了大陆电学家们对韦伯的信任，相反使他们逐步熟悉了麦克斯韦。亥姆霍兹又认识到，如果麦克斯韦电磁场理论正确的话，诺埃曼的电动力学可以作为麦克斯韦理论的一个特殊情况，即是说把闭合电路的振荡当作有电容器的电路的振荡的一个特例。这样就得证明麦克斯韦的位移电流的存在。于是，他是1879 年以“用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系”为题，设置了柏林科学院奖。这个命题建立在如下三条假设的基础上：(1)如果位移电流存在，必定会产生磁效应；(2)变化的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流；(3)在空气和真空中，上述两个假设同样成立。亥姆霍兹后来考虑到第三条假设的证明太难，就把它删掉了。这次悬奖便成了赫兹的电磁波实验的先导。不过他当时认为困难太多，没有接受亥姆霍兹交给他的攻关任务，以致白白耽搁了数年的时间。仅有发明家还是不够的科学技术史上曾有过许多偶然的发现，有些产生过重要作用，而有些却未给人们留下深刻的印象。究其原因，成功者在于有较好的思想基础和科学背景。这类“偶然”发现则可以认为是科学思想发展的必然结果或历史必然的不可缺少的先导。例如，奥斯特在1820 年“偶然”地发现电流的磁效应是他长期怀抱着自然力统一的思想的成果，结果必然地导致了电磁学的诞生。又如，19 世纪中下叶在电的原子论处于萌芽阶段时发现的阴极射线现象，导致了电子的发现。但是，有些偶然发现由于发现者缺乏必要的思想准备或者发现者不能从理论的高度预言它们的未来、甚至不能确认它们在当时科学技术中的地位，那么它们就很快被人们遗忘，只好等待另一些人从新的高度再次将它们发掘出来。赫兹以前的一些发明家偶然触到电磁波的事实便是最好的说明。1871 年E.汤姆孙(E．Thomson)就曾发现，当一个具有初、次级的线
圈通有脉动电流时，他可以用一把小刀在附近铁桌的边角、水管、甚至三十英尺外的蒸气机上引出电火花来。后来，他又把这个振荡线圈放在一个房间里，用一个由一对碳极做成的“接收器”，在隔壁的房间、地下室里、甚至在那座六层楼房的顶楼，都能发现“接收器”的间隙中有电火花产生。这是一个十分强大的电磁波产生的效应，然而E．汤姆孙却不能由此形成电磁波的概念。1875 年爱迪生也发现过类似现象。他曾观察到继电器工作时衔铁之间会产生电火花。当时新闻界报道他的发现时说：爱迪生发现了至今还埋藏在人类无知深渊里的新原理。其实大谬不然，这个原理早在1861年就为麦克斯韦所提出，只不过爱迪生和那些新闻专家们一无所知罢了。等到赫兹在1888 年实验证明电磁波存在消息公布后，爱迪生悔之莫及了。诚如他后来披露的那样：“使我感到迷离的是，为什么我没有想到利用这些成果”。现在被列为无线电先驱之一的美国发明家多尔贝尔(A．E．Dolbear)早在1882 年就实验过无线电话，并获美国专利（第350299 号和355149号）。本来，他完全有权声称发现了电磁波并去申请柏林科学院1879年的悬奖。可是他毕竟是位发明家，发明家不去关心科学界的发现而科学理论家不去理会技术的发明的这种科学与技术脱节现象似不少见。因此，多尔贝尔的发现在历史上又被列为一种“早产”的知识，实为憾事！再让我们看看一位英国人——休斯(D．E．Hughes)在1879 年做过的一个实验。他将电池通过一个自动开关接于振荡线圈上，当开关有节奏地打开和关闭时，线圈产生了间歇振荡，引起接在次级线圈上的麦克风“咔喳”作响。休斯把麦克风拿到500 码外的地方都还能听到这种声音，当他站在墙边时，这种声音会更大。这就是当时还不理解的电磁波反射现象。剑桥大学的教授、麦克斯韦的老师斯托克斯（G．G．Stokes）看完他的表演后无动于衷；只是冷冰冰地说了这样一句话：“它完全可用已有的理论加以解释。”话虽没说错，但这对还没有任何电磁波概念的休斯来说却像一瓢冷水。休斯得此一言，心情不言而喻，遂决意不再发表他的实验报告。上述事例说明，电磁波的发现不可能属于技术方面的发现，在这方面仅有发明家是不行的。麦克斯韦的位移电流、运动的电磁场及电磁波同光波的同一性等项概念，在当时对许多物理学家来说尚且是一些十分深奥的问题，这些发明家更是无法将麦克斯韦的理论用来解释他们的这些意外发现了。因此，对电磁波的实验证明就历史地落在深刻理解麦克斯韦理论的赫兹身上了。赫兹实验证明位移电流存在自从1879 年柏林科学院悬奖以后，赫兹一直在思考采用什么样可行的方法证明位移电流的存在。问题难就难在长期来就形成了的一种凝固不变的思想，即认为电流只限于导体中电粒子的运动，充其量只能是自由电荷在真空或空气中的流动。这种思想束缚的严重性从现在的一些学生的言谈中仍可找到一斑，因为有些学生学过麦克斯韦方程组后虽然能从理论上接受位移电流的观点，但他们却认为这仅仅是麦克斯韦理论的一个数学模型而已。位移电流既然是一种电流，那么除了它产生的场所与传导电流不同外，它应具有传导电流的一切特点，如能产生热效应、电动力学效应和电流的磁效应等等。其中以磁效应作为检验位移电流存在的标准最为可行。1879 年科学院奖悬文中业已指出这一点，这是由于亥姆霍兹联想到美国物理学家罗兰（H．A．Rowland，）的一个实验而得出的结论。这个实验就是罗兰在1876 年做的十分著名的运动电荷磁效应实验。他将一粒子电荷镶在一个绝缘圆盘的边上，让盘快速旋转，结果使附近的一根磁针扰动了。亥姆霍兹由此得到了启发：从相
对运动的观点来看，运动的电荷就好像介质中的位移电流，既然运动电荷能产生磁效应，位移电流也应当能够产生磁效应。方向既已指明，剩下的问题就是寻找具体的方法来观察位移电流的磁效应了。路子虽然很多，未必条条可行。例如，我们可以设想用一迅变电场或磁场使一块介质交变极化，同时观察这块介质是否产生出作用于磁针的力。这种方法诚然经济，但过于直接而难以实现，因为磁针在迅变位移电流作用下是无动于衷的，正如一种极速的交流电不能使磁针运动那样。赫兹自然不会采取这种方法。1885 年，赫兹到卡尔斯鲁高等工业学校担任实验物理学教授，有幸发现该校实验室里有种名为黎斯（Riess）线管的振荡线圈。这种线圈具有初级和次级，若给初级绕组输入一脉动电流，在次级线圈两端的狭缝中间便会产生电火花。赫兹断定这是初级线圈中电流振荡感应的结果。他又发现，如果调整初级与次级的相对位置，火花会有明显的变化，而且当次级线圈在某些位置上时，根本不会产生电火花。敏捷的赫兹立即想到，既然初级线圈中的振荡电流能激起次级线圈的电火花，那么它应当具有使介质产生位移电流的能力，根据麦克斯韦的理论，这种位移电流也应是迅变或振荡的，它反过来又影响次级线圈，使它产生的电火花发生明显的强弱变化。赫兹抓住了这个思路，认为解决柏林科学院的问题的时机到了。他说：“在变化的条件下我偶然发现了次级火花现象，⋯⋯起初，我以为电扰动可能是紊乱的和无规律的，但是当我发现次级导体中存在一个中性点时，⋯⋯我就信心百倍地相信柏林科学院的问题能够解决了”。1886 年赫兹设计了一种直线型开放振荡器来代替黎斯线圈中的初级线圈。做法是：将一根短而直的导线截为两段，截口处形成火花隙，两个外端各焊上一个金属球或一块金属板，以增加振子的电容。虽然这种振子的频率需要用现代的理论来计算，特别在赫兹的时代还没有分布电容和分布电感的概念，但是赫兹还是根据开耳芬的振荡周期公式对振子的频率作了粗略的估计。赫兹计算后发现，该振荡器的频率极高，足以使次级线圈产生电火花并使附近的介质极化。1886 年12 月他给亥姆霍兹的一封信上说道：“我已成功地、毫无差错地显示一个直线电流的感应作用。我冒昧地希望用这种方法将会解决与这个现象有关的一两个问题”。1887 年，赫兹在直线型振荡器的基础上设计了一台“感应平衡器”（induction=balance），它由一个直线型开口振子和一个圆圈形带火花隙的感应检验器组成。实验时给振子输入脉动电流，使之起振，同时调整检验器的位置，直至它的火花隙不产生火花时为止（这个位置即为赫兹所说的“中性点”位置）。如果这时将一块金属挪近“感应平衡器”，由于金属中感应出变化的电流（即涡流电流），从而产生一个附加电磁场作用于感应器，使它重新发射出电火花。这种感生电流又发射出一种附加电磁波，致使感应器的“平衡”状态被破坏，因而产生出电火花。同时，“感应平衡器”中的直线振荡器的振荡不仅能使金属产生迅变的感生电流，也应当能使附近的介质块产生极速的交替极化，从而导致迅变的位移电流。如果麦克斯韦的理论预言正确的话，这种位移电流非但能够产生，而且必定要反过来影响“感应平衡器”的平衡状态。赫兹先后将制成厚板的沥青、人造沥青、纸、干木、砂石、硫磺、石蜡、以及用橡皮槽盛好的45 公升汽油挪近“感应平衡器”，预料中的现象果然发生了。赫兹就是这样证明了麦克斯韦关于位移电流的预言，获得了柏林科学院1879 年悬奖。赫兹这次实验构成了他的电磁波实验的第一步。他的这项实验成果载于他所写的《论绝缘体中电扰动产生的电磁效应》。
电磁波和光波同一性的证明赫兹上述实验只解决了1879 年悬奖课题的前面两条假设，至于第三条假设——空气中或真空中同样存在极化和位移电流，还没有解决。由于这个问题很难，亥姆霍兹将它删掉了，而赫兹却认为这正是体现麦克斯韦电磁场理论的最关键问题。赫兹说：“使我惊奇的是，新理论（即麦克斯韦理论的关键不在于这两条假设，⋯⋯我觉得第三条假设包含着法拉第的，因而也就是麦克斯韦的观点的宗旨和特殊意义，在我看来，更应该把目标放在它的上面”。任何困难的问题都不能用简单的实验来证明，如果能用比较直接的方法来观察到问题的真象，那么这个问题就不成为难题了。在受因果律约束的物理现象中，许多难于发现的实质不是从原因推出结果，而是由结果来推导原因。电磁波与光波的同一性，是麦克斯韦电磁场理论的必然结果，而空间的位移电流又是他的理论的不可缺少的前提。赫兹因此认为：要证明电磁波就是光波，首先就得确定电磁波速度是否等于光速。在讨论赫兹如何测量电磁波的速度之前，不妨回顾一下赫兹以前其他物理学家在这方面所走过的道路。随着有线电报在19 世纪30 年代的兴起，人们就开始考虑电流的速度问题。1834 年，惠斯通（C．Wheatstone， 年）用旋转镜面法来测量电流的速度。其做法是，在一根数英里长的导线上每隔半英里截出一个火花隙，在导线两端加上高电压的电源，结果各火花隙相继产生电火花，用旋转镜测出相邻的两个火花隙产生火花的时间间隔，便能求出电流的速度。他测得的电流速度为每秒283，000 英里，比光速还大！这是根本不可能的。1850 年，菲索（A．Fizeau， 年）根据同样的原理，利用旋转齿轮的方法测得电流速度为1.12×105 英里／秒。随着惠斯通电报公司在1846 年的成立，欧洲各国相继架设了许多电报线，电流的速度问题显得特别重要了，实验测定电流速度的人也就多了起来，但是他们均未得到统一的结果。鉴于这种情况，开耳芬作了错误的判断：导线中的电流不可能有确定的速度。麦克斯韦以前的物理学家认为电波只在导体中传播，即便达到这种认识也是付出过许多代价的。最早认识到电流是一种波动形式的是美国物理学家亨利（J．Henry， 年）。他在1837 年就提出载流导线表面存在着一种电流波，并预言，如果在一根导线正中部输入电流，电流波将从导线的两个端面反射回来，以致在导线中形成驻波。33 年后，贝佐尔德（W．vonBe-zold， 年）做了一个电流驻波实验。其实验装置是一个带有火花隙的线圈，火花隙的两端与一长导线相接。实验时用莱顿瓶通过放电的方式给线圈输入电流，由于线圈具有选频作用，它从电火花的宽频谱中选择出一个带宽狭小的电流波，结果又将它传入长导线，在导线中形成电流驻波。贝佐尔德把一块均匀撒布着石松子的玻璃板放在这根导线上，石松子在电流驻波的影响下形成疏密有致的图案。他根据图案测量出电流波长为15 厘米。他所测量的电流驻波实际上是沿导线传播的电磁驻波。其方法对赫兹有一定的影响。法拉第在 年间进行过一次电磁波速度的测量（当然那时他还没有明确的电磁波概念，他认为他是测量电磁力在场中传播的速度）。他在一个很大的房子里平行放置三个线圈，中间那个是施感线圈，两边的是感应线圈。两个感应线圈与一电流计连接，连接的方式要保证从两个线圈流来的感应电流以相反的方向流过电流计。法拉第认为，如果两个感应线圈尺寸相同，并与施感线圈等距，电流计的指针就不会偏转。但如果一个感应线圈与施感线圈的距离要大些，那么电磁波到达两个感应线圈的时间就略有先后之别，电流计指针就应当先向一边偏转而
后向另一边偏转。他希望由此算出电磁波的速度。然而事与愿违，不管他怎样拉大一个线圈的距离，电流计指针始终不会偏转。显然他对电磁波的速度估计不足。这也难怪他没有这点常识，因为麦克斯韦在1861年才第一次预言电磁波速度等于光速。法拉第后来又动用了伦敦皇家研究院一块长度在100 英尺以上的场地，仍然没有成功。在这样一块有限的空间，又是用如此直接的方法，是难以测量得出电磁波的速度的。1871 年，亥姆霍兹为了否定意大利人伯拉塞纳（P．Blaser-na）关于电感应速度极低的观点，做了一个很不精确的实验，他得到的电磁波速仅有42.4 英里／秒，结果与光速相差甚远。1888 年3 月，赫兹终于开始了划时代的测量电磁波速的实验。他吸收了法拉第失败的教训，不去直接测量电磁波的速度，而是用驻波的方法先测出一个驻波波节的间距（半波长），然后根据开耳芬在1853 年建立的振荡器的频率公式计算出电磁驻波频率，最后算出电磁波速。赫兹在一个长、宽、高分别为15 米、14 米、6 米的教室里做了这个实验。沿教室纵向有两排铁柱子，实际可用空间为15×8.6×6 立方米。他在教室纵向的一面墙上钉上一块高4 米宽2 米的锌皮，用来反射电磁波，以形成驻波。为了测量和检查这条驻波，他使用了一个检验器，这个实验器实际相当于感应线圈，其形状与“感应平衡器”中的环形检验线圈大体相同。他用直线型振荡器作为波源，放在离锌皮13 米远的地方。他把检验器装在小车上，使它能随小车沿驻波方向前后移动。检验器在各种位置上对电磁驻波有不同的反应，大体情况是：处于波节处不会产生火花，处于波腹产生最强的火花。赫兹根据这种反应测量出两个波节之间的长度，即半波长，此值为4.8 米。他根据麦克斯韦的电磁波速等于光速的假说，算出该电磁波振动周期为1.55×10-8 秒。他又根据开耳芬的振荡周期公式算出他的电磁波源——直线型开放振荡器的谐振周期为1.4×10-8 秒。这两个周期之差仅为0.15×10-8 秒，他把这个微小的误差归结于测量的精度，从而肯定了电磁波速等于光速。他把这项重要的实验成果总结在《论空气中的电磁波和它们的反射》一文中。完成电磁波速等于光速的证明并不等于完成了电磁波和光波同一性的证明，但它是这种同一性证明中最重要的一步。同一性证明还应当包括在电磁波中显示光波的所有性质。问题十分复杂，路只能一步一步地走。英国著名电磁学家、麦克斯韦理论的追随者洛吉（O．Lodge，1853～1936）曾试图用一种直接的办法一下子就证明电磁波是光波，可是失败了。他在1882 年企图通过级联变压器把电磁能变成光。这种级联变压器的每一级都能从前面一级拾取高频成分，越到后面输出的电磁波的频率就越高。洛吉希望在最后一级输出端之间看见光的产生，然而没有看见，因为最后一级输出的电磁波的最高频率才1 亿周，离释放可见光的最低频率还很远。赫兹在1888 年采用了脚踏实地的办法一步一步地证明电磁波和光波的同一性。他用一根直径为3 厘米，长为26 厘米的偶极振荡器发射电磁彼，经过金属面反射形成了波长只有66 厘米的短波。他用金属面成功地使电磁波作了45 度的反射；他用高2 米、孔径1.2 米的抛物面使电磁波聚焦；他利用金属栅使电磁波偏振；他用一个硬沥青做的大棱镜使电磁波折射；⋯⋯光所具有的一切物理特性电磁波几乎都有。赫兹就这样完成了电磁波和光波的同一性的实验证明，从此宣告人类发现了电磁波。赫兹完成这项工作时年仅31 岁。1889 年维也纳科学院授予他Baumgartner 奖，法国科学院授予他LaCaze 奖：1890 年他又荣获伦敦皇家学会Rumford 奖章；1891 年都灵科学院授予他Bressa 奖。可是，这位功勋卓著的电磁波发现者，在他还没走完第37 个春秋的时候，就因牙疾和血液中毒而与世长逝了。从麦克斯韦预言电磁波的存在到现在，已有一百二十多年的历史；从赫兹实验证明电磁波的存在到现在，历史也已走完了一百个春秋。现在我们已进入超大规模集成电路的时代，人类正按照莫尔定律（Moore’sLaw）——集成电路上的元件数平均每两年翻番的规律——发展着自己的电子工业。历史虽则不堪回首，但却应当回顾。因为我们还能从法拉第、麦克斯韦和赫兹等人身上学习到那种非同凡响的思想，那种无与伦比的原创力。我们应当从科学发展史和科学思想史的角度，找出他们的思想、方法和风格在潜科学和未来学中的地位，为人类今天的精神文明和物质文明的创造性活动奉献一件久经锤炼并将永葆锋芒的锐利武器。（宋德生）
不错，不过公式显示变乱了~~
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