海因里希·鲁道夫·赫兹

德国物理学家

海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857年2月22日~1894年1月1日),出生于 德国 汉堡, 德国 物理学家。

赫兹从小表现出较强的动手能力和特殊的语言天赋,在中学时已经学会 希腊语 和 阿拉伯语 。 1877年,赫兹转入 慕尼黑大学 接受高等教育,开始学习物理学科。1878年,赫兹转到 柏林洪堡大学 学习物理,并于两年后获得博士学位,成为 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 (Hermann von Helmholtz)的助手。1885年,赫兹担任 卡尔斯鲁厄理工学院 物理学教授。1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在,并于1888年发表了论文,同时赫兹在电磁波实验过程还发现了 光电导效应 。 1889年,赫兹前往 波恩大学 任教,在病痛折磨下,他转向力学理论研究。1893年12月,赫兹已完成绝大部分《力学原理》。 1894年1月1日,赫兹在 波恩 病逝,享年37岁。

赫兹首次发表电磁波的发生和接收的实验论文,为无线电通信创造了条件。并从电磁波的传播规律,确定电磁波与光的同一性,验证了 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell)的理论。同时他还首先发现光电效应现象。1933年10月,国际电工技术委员会提出采用“赫兹”为频率单位,1960年第11届国际计量大会正式通过提案。

人物生平

早年经历

1857年2月22日, 赫兹 出生在德国汉堡一个有着犹太血统的富裕家庭。父亲古斯塔夫·费南迪德·赫兹(Gustav Ferdinand Hertz)是一位律师和市议员,母亲安娜·伊丽莎白·普费弗科恩(Anna Elisabeth Pfefferkorn)是一名医生的女儿。 赫兹 从小便展现出动手能力的天赋,少年时代他利用空余时间学习木工手艺和车工技术。在语言方面, 赫兹 也有特殊的天赋,除 英语 、 法语 和 意大利语 外,他还学会阿拉伯语等非必修语言。

中学毕业后, 赫兹 进入 德累斯顿 工程院学习。之后他进入军队服役一年,转入 慕尼黑 工学院,很快又在1877年转入 慕尼黑大学 开始 自然科学 的学习。在这期间,赫兹的兴趣由工程转向物理。

为学习自己更感兴趣的物理学, 赫兹 在1878年来到 柏林洪堡大学 ,在 古斯塔夫·基尔霍夫 (Gustav Robert Kirchhoff)和 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 的指导下进行学习,开始自己的科研生活。在亥姆霍兹的支持下, 赫兹 开始研究论证运动电荷是否具有 惯性 质量,仅用3个月便成功解决问题,并在1880年发表《关于电流之动能上限的实验研究》的论文,引起轰动。同年 赫兹 完成自己的 学位论文 《旋转球体的感生效应》,取得博士学位。此后,赫兹留在亥姆霍兹身边作为助手,对 电磁学 、 极化 放电和 阴极射线 等前沿领域进行研究。

工作经历

1883年, 赫兹 前往 英国基尔大学 担任讲师。赫兹在基尔大学的讲课很受欢迎,许多学生选择赫兹的讲课。但是基尔大学没有物理实验室, 赫兹 无法开展物理实验。赫兹并不愿成为一个纯理论物理学家,而当时 卡尔斯鲁厄理工学院 有一个物理实验室,并且邀请他担任物理学教授。于是在1885年, 赫兹 前往 卡尔斯鲁厄 大学教授物理学。 第二年,赫兹与卡尔斯鲁厄大学讲师马克斯·多尔(Max Doll)的女儿伊丽莎白·多尔(Elisabeth Doll)结婚。他们有两个女儿:1887年10月20日出生的约翰娜和1891年1月14日出生的玛蒂尔德,后者后来成为著名的生物学家。

赫兹于1887年首先用实验证实了 电磁波 的存在,并于1888年发表了论文,同时赫兹在电磁波实验过程还发现了 光电导效应 。 多家大学邀请赫兹能前往自己的学校任教。1888年, 吉森大学 试图从卡尔斯鲁厄大学聘用赫兹,而普鲁士文化部要求赫兹去 柏林洪堡大学 接替基尔霍夫的职位。但赫兹更希望从事研究工作,于是他在第二年前往 波恩大学 ,接替 德国 物理学家鲁道夫· 克劳修斯 (Rudolf Julius Emanuel Clausius)的职位。在波恩大学,他得以将大部分精力投入实验当中。

患病逝世

在 卡尔斯鲁厄足球俱乐部 期间, 赫兹 就饱受牙病的折磨。1888年年初,赫兹做了牙科手术,但病情并无根本好转。1889年4月3日,赫兹在 波恩 担任物理学教授和物理研究所所长,直至去世。 1892年病情进一步恶化,他不得不因鼻子、 喉咙 的剧痛停止实验工作,转向力学理论研究。1893年12月, 赫兹 已完成绝大部分《力学原理》,并在1894年出版。1894年1月1日,年仅37岁的赫兹因为败血症在 波恩 去世,并被埋葬在 汉堡市 的奥斯多夫公墓。 1937年,他的妻子和女儿为逃离 纳粹德国 ,移居英国剑桥。

主要成果

对电磁波的研究

理论物理学家 詹姆斯·麦克斯韦 在当时已经从理论 预言 光是一种电磁波,但一直没有实验可以证明他的说法。1887年, 赫兹 用他自己设计的实验装置证实电磁波的存在,并根据 实验数据 得出的波长以及电路的振荡频率算出电磁波的传播速度,从而揭开电磁波的真相。后来他又继续深入他的研究,用实验的方法观察到电磁波的折射、 偏振 、 衍射 等原本属于光的性质。1888年1月 赫兹 在他的论文《论动电效应的传播速度》中总结了他的实验发现。

光电效应

1887年,赫兹在做 电磁波 实验时,为便于观察,有时用 暗箱 罩着接受回路。他注意到,接受器 电极 间的也有间歇的火花。于是 赫兹 对该现象进入深入研究。经过几个月的工作,赫兹发现该现象产生的原因不是电磁的屏蔽效果,也与 可见光 无关,而与 紫外线 有关。紫外线的照射让电极间的放电变得更容易。赫兹将自己对光电效应的研究成果写成论文《紫外线对放电的影响》发表在《 物理年鉴 》上。1888年, 德国 物理学家霍尔瓦克斯用另外的实验验证 赫兹 的结论,从而推广赫兹在 光电效应 方面的研究成果。

阴极射线

赫兹还在阴极射线领域进行了大量探索。赫兹利用金箔、银箔做了大量有关阴极射线的穿透能力试验,并用 磁场 使阴极射线发生偏转,但用 电场 时却没有成功。于是 赫兹 在1883年有关阴极射线的两篇论文中指出阴极射线是一种波或受扰动的 以太 被 气体吸收 时的一种效应。赫兹的学生菲利普·伦纳德在赫兹的研究上进一步研究,并因此在1905年获得 诺贝尔奖 。

推导麦克斯韦理论

1890年, 赫兹 着手使内容上完善的麦克斯韦理论在形式上更加完美,发表了两篇论述电磁场理论的文章,其中一篇讨论关于静止物体的电动力学。为得到近距作用理论, 赫兹 从基本 方程 中消除矢势,同时取消麦克斯韦理论中对自由 以太 中的 极化 作用和电作用所作的区分。最终 赫兹 得到关于电场强度E和磁场强度H间的对称方程,从而使麦克斯韦理论更加清晰和易于掌握。赫兹的成果使物理学家们逐渐接受麦克斯韦理论。

接触力学

赫兹在1882年发表论文《关于弹性固体的接触》,论文中推导两任意 曲面 的弹性接触 解析解 。他提出以下假设:接触表面都是连续并且非协调,即接触面积远小于接触体的轮廓;小应变;每个物体都可以看成一个弹性半空间;表面无摩擦。符合这些假设的接触称为 赫兹 接触。赫兹接触理论产生后,在此基础上产生了黏着接触理论、微滑微动接触理论和滚动接触理论等。这些 接触力学 理论进一步帮助人们深入了解接触的力学和物理特性。

赫兹振子

1887年,赫兹进行一系列实验,成功证实 电磁波 的存在,以及光波和电磁波的统一性。为实验顺利进行, 赫兹 发明出一套原始辐射系统,后被称为赫兹振子。赫兹振子主要部分是两根平行且相对放置的金属杆,用 导线 与感应 线圈 相连接以供给 高压电 ,依靠振子自身的 电感 和 电容 产生 衰减 的高频振荡而发射电磁波。为探测到 振荡器 发射出的电磁波, 赫兹 采用 偶极子 谐振器 作为接受器,每当振荡器的间隙有火花跳过,则谐振器的间隙也有火花跳过。 赫兹 利用这套装置多次观察到电磁波在空间的传播。之后赫兹多次进行实验,不仅证明 电磁波 的传播速度与光波一样,还证明电磁波与光波一样具有反射、折射、干涉和 衍射 等特点。 赫兹 的实验促使波动光学理论的建立和完善,开启 无线电 、电视和雷达的新时代。

气象学

赫兹在气象学方面也有所研究。在 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 身边当助手时,赫兹在气象学领域发表了几篇小文章,包括关于液体蒸发的研究、一种新型 湿度计 和一种确定潮湿空气在绝热变化时特性的图形方法。

主要论文与著作

个人荣誉

人物评价

德国 物理学家 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 为《力学原理》所作的序言中写道:“凡是认为人类的进步取决于人类智慧的最大限度的发展、取决于才智战胜情感和大自然的力量的人,一定都为失去这个才智非凡的天才而陷入极大的悲痛之中。他以自己非凡的智力和个性,在其一生中(可惜这一生是如此短暂)取得了丰硕的成果,这些成果是本世纪很多最有天赋的探索者都为之奋斗而未能取得的。”

奥地利 物理学家 路德维希·玻尔兹曼 在给 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 的信中指出:“在寻找一种对自然界的整体性理解时, 赫兹 的发现具有十分重要的意义:毫无疑问,他已为未来的研究指明了唯一正确的方向。”

诺贝尔物理学奖 阿尔伯特·爱因斯坦 评价赫兹:“尽管 詹姆斯·麦克斯韦 和赫兹都始终坚信力学是物理学的可靠基础,而我们在回顾中可以公道地把他们看成是动摇了以力学作为一切物理学思想的最终基础这一信念的人。”

后世纪念

频率单位

为纪念赫兹在 电磁学 领域的贡献,人们把频率的单位命名为赫兹,简称“赫”,符号为Hz。1933年10月,国际电工技术委员会提出采用“ 赫兹 ”为频率单位,1960年第11届国际计量大会正式通过为SI导出单位。

海因里希赫兹研究所

1928 年,海因里希-赫兹振荡研究所在柏林成立。今天称为弗劳恩霍夫电信研究所、海因里希赫兹研究所(HHI)。

海因里希赫兹亚毫米望远镜

1992年建造于 亚利桑那州 格雷厄姆山的亚毫米射电望远镜以赫兹的名字命名。

赫兹环形山

赫兹环形山位于月球背面赤道区的一座大型撞击坑,约形成于39.2-38.5亿年前。为纪念 赫兹 在科学领域的贡献,1961年 国际天文学联合会 批准以赫兹的名字命名这座环形山。

谷歌涂鸦

2012年2月22日,谷歌为纪念赫兹155周年诞辰,推出动态涂鸦纪念赫兹的工作。

赫兹奖章

赫兹奖章是为纪念赫兹,于1986年由电气电子工程师学会颁发给在电磁领域做出贡献的人。该奖章于1988年首次颁发,每年颁发一次,直到2001年。它于2009年11月正式停产。

人物关系

参考资料

  1. 赫兹,H.R. - 《中国大百科全书》第三版网络版 《中国大百科全书》第三版网络版 2024-04-11
  2. 赫兹接触理论 - 《中国大百科全书》第三版网络版 《中国大百科全书》第三版网络版 2024-04-12
  3. Heinrich Hertz (1857 - 1894) - Biography - MacTutor History of Mathematics MacTutor Index - MacTutor History of Mathematics 2024-05-06
  4. Prominente Hamburger Friedhöfe 2024-05-22
  5. 赫兹振子 - 《中国大百科全书》第三版网络版 《中国大百科全书》第三版网络版 2024-04-12
  6. Schriften vermischten Inhalts BEIC 2024-05-06
  7. History of HHI Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut - Fraunhofer HHI 2024-05-22
  8. Home Mount Graham International Observatory 2024-05-22
  9. Planetary Names USGS 2024-05-06
  10. Heinrich Rudolf Hertz's 155th Birthday Google Doodles 2024-05-22
  11. IEEE Heinrich Hertz Medal ETHW 2024-05-06
  12. Gustav Hertz – Facts - NobelPrize.org The official website of the Nobel Prize - NobelPrize.org 2024-04-11