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电磁时代的到来,人类终于摸到了光到底是什么的门槛。

光的故事(七

前情提要

泊松亮斑实验,让波动说势如破竹。菲涅尔一鼓作气,彻底推翻了微粒王朝。

如果说18世纪是牛顿力学的世纪,让科学得到了长足的发展。

那么19世纪就是电磁世纪,人类从开始接触电,用了匪夷所思的速度迅速的发展了电磁学,世界也爆发了第二次工业革命,一个无与伦比的电气时代到来了。

电气时代

这个电磁王国是由两个人奠定的,这两位科学家在我们之前的文章里都介绍过。他们就是电磁学双子星座——法拉第和麦克斯韦。

我们知道,法拉第靠着天才的物理直觉发现了电与磁的关系,缔造了电磁王国的基础。1846年,法拉第发现在磁场之中光的振动面有偏转,这说明光和电磁现象有关。很多科学家也开始发现,光与电磁现象之间有很大的关系,但是需要一个数学天才来给出结论。

法拉第

到了1864年,麦克斯韦用他高超的数学能力,发展了法拉第的电磁理论,发表了著名论文《电磁场的动力理论》,给出了优美的麦克斯韦方程,同时提出了电磁波的概念。

他通过计算,发现电磁波的速度和光速一样,于是提出了“光是一种电磁波”的理论。

麦克斯韦

当然,这是理论计算,没有人看过电磁波。所以直到麦克斯韦去世,人们还在争论麦克斯韦的理论。

当时科学界有两种观点,一种是韦伯的观点,认为电磁力是瞬时传播的,不受时空限制,另一种就是麦克斯韦的理论,认为电磁力是靠电磁波传递,是有速度的。

电磁波

德国小城卡尔斯鲁厄,奔驰汽车的创始人卡尔·弗里特立奇·本茨就出生在这里。而这座城市,有一个比奔驰还有名的人,他的名字叫赫兹。赫兹现在是物理学上频率的单位,这个单位在电气时代到处出现,比如我们电脑的刷新率,用的就是赫兹为单位。

海因里希·鲁道夫·赫兹

1887年,刚刚结婚的赫兹,在实验室里专心致志的做着一个实验,这个实验将让他闻名于世,并且永远的被记录在人类历史中。

赫兹设计了一个电磁发生器,会产生电火花。根据麦克斯韦的理论,这个火花会产生电磁波。他又设计了一个接收器,如果电磁波传过来,那么接收器会产生火花。

赫兹的工作就是观察这个火花,这一看就是近两年的时间。

1888年的一天,赫兹看到了理论中的那个小火花。

终于,人类第一次在实验室,检测到了电磁波。

赫兹检测电磁波实验装置

同时,这也证明了麦克斯韦理论的正确性,那个优美的方程组开始在物理学史上绽放光芒,影响后世直到今天。

经典物理大厦的另一座丰碑建立起来了,这个由法拉第打下地基,麦克斯韦建造主体,最终由赫兹封顶的丰碑,影响如此深远。

在赫兹宣布发现电磁波六年后,马可尼发出了第一封无线电报,从无线电报到如今我们用的手机通讯,全部都依赖电磁波的应用。

如果没有电磁波,我们这个世界很难如此便利的远距离通讯,地球也不会真正成为一个地球村。

互联互通的地球村

赫兹通过实验数据,经过数学处理,得出了电磁波的速度。与麦克斯韦的预言惊人的一致,电磁波的速度与光速相等。

原来光并不神秘,它就是一种电磁波。只不过,光刚好落在我们可以看到的频率,能够被人类的眼睛观察到。而其他的电磁波,人类看不到。

其后,人们通过各种实验,进一步验证了电磁波和光一样拥有反射,衍射,干涉等特性,这些实验进一步证实了电磁波和光的一致性。

随后,从微波到X射线,从紫外线到红外线,从伽马射线到无线电波,整个电磁大厦变的金碧辉煌。而之前的主角,光,也只是电磁帝国下面的一个小小分支。

电磁波家族

至此,光是一种波的结论已经变的牢不可破。

只不过,有一个小小的阴影,隐藏在黑暗中。在电磁波实验中,赫兹发现了一个奇怪的现象,在后世被称为光电效应。当然那会还不叫这个名字,因为人们还没有发现电子,赫兹忠实的记录了这个现象。

但是他已经没有时间去研究了。宣布发现电磁波五年之后,赫兹因为败血症英年早逝。

谁也没想到这个小小的阴影将带来下一个世纪物理学革命的到来,赫兹为经典电磁理论封顶,同时又埋下了推翻这座丰碑的种子。

光电效应

下周我们会去了解光电效应,以及它所开启的物理新世纪。

下一期晨晨爸爸要将带来实验

召唤法老之蛇

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