祝贺引力波,致敬电磁波的发现——近代科学史上的一座里程碑

2017-10-09 来源:微波射频网作者:小编 我要评论(0) 字号:

2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三位主要成员:雷纳•韦斯(Rainer Weiss)、基普•索恩(Kip Thorne)和巴里•巴里什(Barry Barish),以表彰他们对引力波探测器LIGO的决定性贡献及其对引力波的观察。

雷纳•韦斯(Rainer Weiss)、基普•索恩(Kip Thorne)和巴里•巴里什(Barry Barish)

在这之前,我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和高能粒子。目前几乎所有的物理测量手段,都是通过电磁相互作用来观察我们的世界。引力波的探测,打开了一个观察世界的全新窗口。看到有人说,真的想再活500年,看看引力波有什么用。小编也有这样的想法,看看引力波可以为人类带来的翻天覆地的变化。

就如当年电磁波的发现,有人说它一文不值,因为,一时找不到在现实中的用途。但此后的事实证明,它的应用难以计数,并彻底改变了这个世界,至今仍受益无穷,人类将继续受益该理论。所以引力波是人类又一里程碑式的重大发现,它可能是人类新一轮前所未有的创新开始,将又一次彻底翻天覆地的改变人类生活方式,其影响力将难以估量。真正的科学创新,要几十年甚至几百年的科学积累,是几代科学家前仆后继,默默无闻工作的结果,是真正的厚积而薄发。

如今引力波被发现并获得诺贝尔物理学奖。让我们回顾一下200年前同样神秘的电磁波的发现及应用历程,看看电磁波是如何开创人类无线电技术的新纪元。电话、电报、电视、网络、手机、导航、雷达等深刻改变人类社会发展进程的发明,精确的折射出了人类掌握和使用电磁波的能力。

电磁波的发现——近代科学史上的一座里程碑

1888年,当赫兹在他的实验室里证实了电磁波的存在后,同样轰动了全世界的科学界。由法拉第开创,麦克斯韦总结的电磁理论,至此才取得决定性的胜利。当年赫兹发现电磁波后,在他发表文章的结语处写道“我不认为我发现的无线电磁波会有任何实际用途”。而当时两位20多岁的年轻人,马可尼和特斯拉,却从赫兹的实验中突生梦想,逐步地计划并实现了将电磁波用于通讯上。

20世纪以来,电磁波的理论和应用不断取得重大成就,使电磁波成为人类传递信息和能量的最重要的形式之一,使通信(包括卫星通信、光纤通信)、广播、电视、遥测、遥控、遥感、雷达、无线电导航、制导等得以实现;并成为探索宇宙空间和研究微观世界的重要途径。

如今,电磁波对当今人类文明的进步和发展之重要性已经毋庸置疑,众人皆知。电磁波的发现具有划时代的意义,开创了人类无线电技术的新纪元,成为了近代科学史上的一座里程碑。

神秘的电磁波发现及应用历程

早期的电磁学研究比较零散,准确的来说是关于电的研究。下面按照时间顺序将电磁学主要事件列出如下:

1650年,德国物理学家格里凯在对静电研究的基础上,制造了第一台摩擦起电机。

1720年,英国牧师格雷研究了电的传导现象,发现了导体与绝缘体的区别,同时也发现了静电感应现象。

1733年,杜菲经过实验区分出两种电荷,称为松脂电和玻璃电,即现在的负电和正电。他还总结出静电相互作用的基本特征,同性排斥,异性相吸。

1752年,美国科学家富兰克林对放电现象进行了研究,他冒着生命危险进行了著名的风筝实验,发明了避雷针。

1785年,法国物理学家库仑测量了电荷之间的作用力,并且从牛顿的万有引力规律得到启发,用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律,后来被称为库仑定律,就是点电荷作用力公式,F=kQ1Q2/r^2,同名相斥,异名相吸。

1820年丹麦科学家奥斯特证明通电导体周围存在磁场,就是著名的奥斯特实验,指南针偏转。这个消息传到巴黎后,启发了法国物理学家安培。

1822年,安培在实验的基础上,以严密数学形式表述了电流产生磁力的基本定律,即安培定律。安培通过研究电流和磁铁的磁力情况,他认为磁铁的磁力在本质上和电流的磁力是一样的,提出了著名的安培分子电流假说。

1831年,法拉第提出电磁感应定律[因磁通量变化产生感应电动势的现象],并且他提出了力线和场的概念。他用实验证明了电不仅可以转化为磁,磁也同样可以转变为电。运动中的电能感应出磁,同样运动中的磁也能感应出电。

1865年,接下来要说的这个人,便是天才的麦克斯韦了。法拉第精于实验研究,而麦克斯韦擅长于理论分析概括,他们相辅相成,导致了科学上的重大突破。麦克斯韦首次提出了号称上帝写出的麦克斯韦方程组!!看过一本书上说爱总当年是受某个著名物理学家刺激,走上了物理学之路,恩,这个某个著名物理学家就是麦克斯韦,他的方程组直接在经典力学的大厦旁边,建立了电磁学的摩天大楼,所有的电磁现象都可以用这组方程描述!号称上帝写下的诗!而且,麦克斯韦直接在方程中预言了电磁波的存在,当时完全没有人知道电磁波是个什么玩意!麦克斯韦直接就给出了预言,而且预言电磁波的传播速度就是光速!

1888年,德国物理学家赫兹(这名字眼熟吧?对,频率的单位就是用他的名字命名的,那个Hz)完成了他一生中最著名的实验,证明了电磁波真实存在。赫兹一辈子活了40岁都不到,甚至可以说,他就是上帝派来为人类完成这个实验的!顺便提一句,这个著名的证明电磁波存在的实验中还暗含了量子力学的伏笔——光电效应,不过咱们这里谈的是电磁学,量子论的东西按下不表,我也不懂,不敢乱扯。

好了,到此为止,电磁波终于被证明真实存在,接下来,就是开始应用了。接下来进入炫丽的电磁波的光辉岁月。

1898年,意大利电气工程师马可尼发了第一封无线电,成为无线电之父。为表彰马可尼对发展无线电报技术的贡献,1909年他被授予诺贝尔物理学奖。

1906年,无线电广播发明,人类开始有了收音机。

1930年代,雷达发明,为大英帝国打赢不列颠空战立下汗马功劳。

1945年,美国工程师斯彭塞研究雷达的时候意外发现了电磁波的热效应,鼓捣出了微波炉,从此人类热饭热菜可以不用点火了。你现在中午在单位热个便当,还得感谢他。

1957年,人类第一颗卫星上天,前苏联的斯普特尼克1号,开启太空时代。

1964年,GPS系统组网成功上线,人类远航的时候,终于可以彻底告别罗盘指南针,不用再担心迷路。

1965年美国贝尔实验室的雷达工程师(又是雷达!)彭奇亚兹和威尔逊在研究雷达噪声的时候意外发现了3k背景辐射,证实了大爆炸理论,谢耳朵研究的就这东西。同时开启了射电天文学时代,以前的望远镜观测的都是可见光频段,从此可以观测无线电波、红外、紫外、x射线、伽马射线频段了。随之而来的射电天文学四大发现,让人类对于宇宙的认识上升到一个新的高度,其中的脉冲星引发的“小绿人”的猜想,还引发了一阵关于地外生命的讨论,外星人真的存在吗?

1969年,阿姆斯特朗登上月球,那句振奋人心的“个人一小步,人类一大步”激励了一代人!至少十亿观众在电视机前看到了这小小的一步,跨越了几千年文明的一步!

1973年,美国的moto罗拉公司工程师马丁•库帕发明手机,移动通信时代开始。

1986年,第一套移动通讯系统在美国芝加哥诞生,代表1G通信时代开始。采用模拟讯号传输,模拟式为代表在无线传输采用模拟式的FM调制,将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。

接下来就是大家熟悉的2G、3G、4G移动通信时代,以及正在到来的5G通信时代。

而今天,你我的生命中,哪里离得开电磁波?你至少此时此刻,用你的手机刷着微信,就得感谢这些科学家,感谢那些默默努力一辈子的科学家,他们是人类的脊梁。

向法拉第、麦克斯韦、赫兹等科学家致敬!

在电磁波历史中有很多人的名字,不应该被忘记,尤其是这些人。富兰克林,库伦,欧姆,奥斯特,安培,法拉第,麦克斯韦,赫兹,致敬他们!

英国实验科学家法拉第在1831年开始一连串重大的实验,并发现了电磁感应。这个重要的发现来自于,当他将两条独立的电线环绕在一个大铁环,固定在椅子上,并在其中一条导线通以电流时,另外一条导线竟也产生电流。他因此进行了另外一项实验,并发现若移动一块磁铁通过导线线圈,则线圈中将有电流产生。同样的现象也发生在移动线圈通过静止的磁铁上方时。

他的展示向世人建立起“磁场的改变产生电场”的观念。此关系由法拉第电磁感应定律建立起数学模型,并成为四条麦克斯韦方程组之一。这个方程组之后则归纳入场论之中。法拉第并依照此定理,发明了早期的发电机,此为现代发电机的始祖。

1839年他成功了一连串的实验带领人类了解电的本质。法拉第使用“静电”、电池以及“生物生电”已产生静电相吸、电解、磁力等现象。在他生涯的晚年,他提出电磁力不仅存在于导体中,更延伸入导体附近的空间里。这个想法被他的同僚排斥,法拉第也终究没有活着看到这个想法被世人所接受。法拉第也提出电磁线的概念:这些流线由带电体或者是磁铁的其中一极中放射出,射向另一电性的带电体或是磁性异极的物体。这个概念帮助世人能够将抽象的电磁场具象化,对于电力机械装置在十九世纪的发展有重大的影响。

法拉第如浩瀚宇宙般深邃的物理思想,强烈地吸引了同在英国的一位年轻人——来自英国苏格兰爱丁堡的麦克斯韦(詹姆斯麦克斯韦,James Clerk Maxwell,1831~1879)。麦克斯韦认为,法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理,他抱着用严格的数学语言来描述法拉第理论的决心闯入了电磁学领域,并成为继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家。

麦克斯韦于1855年左右开始研究电磁学。在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后,他坚信法拉第的新理论包含着真理。他在前人成就的基础上,对整个电磁现象作了系统、全面的研究,凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文:

《论法拉第的力线》(On Faraday’s Lines of Force,1855年12月);
《论物理的力线》(On Physical Lines of Force,1862年);
《电磁场的动力学理论》(Adynamical theory of the electromagnetic field,1864年12月8日)。

这三篇重要的论文对前人和他自己的工作进行了综合概括,将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来,经后人整理和改写,成为经典电动力学主要基础——麦克斯韦方程组。

据此,1865年他预言了电磁波的存在。麦克斯韦经过理论推演,认为电磁波只可能是横向传导波,并计算了电磁波的传播速度等于光速。同时,他的灵感促使自己得出一个重要结论:光是电磁波的一种形式。这揭示了光现象和电磁现象之间的联系。麦克斯韦将这些理论的论证和推导结论整理成册,于1873年出版了科学名著《电磁学通论》(Treatise on electricity and magnetism),系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。

这一名著后来被传到了德国,深深打动了一位德国物理学家的心。他就是赫兹(海因里希赫兹,Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)。赫兹在柏林大学学习物理时,受赫尔姆霍兹的鼓励研究麦克斯韦电磁理论。当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论,因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。1888年,赫兹的实验成功了,验证了电磁波的存在。而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。

赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。通过实验计算,他发现电磁波的传播速度与光速相同,从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。

1888年,赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中,德语原文:

Ueber die Ausbreitungsgeschwindigkeit der electrodynamischen Wirkungen,
H Hertz - Annalen der Physik, 1888
On the finite velocity of propagation of electromagnetic actions,
H Hertz - Electric Waves, 1888
or (On the electric effect of the propagation velocity of moving)。

1894年37岁的赫兹因为败血症在波恩英年早逝。他的侄子古斯塔夫•路德维格•赫兹是诺贝尔奖获得者,古斯塔夫的儿子卡尔•海尔莫斯•赫兹创立了超声影像医学(例如常见的B超)。赫兹对人类文明作出了很大贡献,为了纪念他的功绩,人们用他的名字来命名各种波动频率的单位,简称“赫兹”。

姓名国籍生卒年月日享年家庭出身主要功绩
法拉第英国

1791.9.22-1867.8.25

76父亲为贫苦铁匠物理学家、化学家。发现了法拉第电解定律、电磁场理论,提出电磁感应学说,提出磁场力线的假说,证明电荷守恒定律。
麦克斯韦英国1831.6.13-
1879.11.5
48父亲为机械设计师物理学家、数学家。建立麦克斯韦方程组、创立经典电动力学、
赫兹德国1857.2.22-
1894.1.1
37犹太家庭,父亲是汉堡城的顾问,母亲是医生的女儿物理学家,证明了电磁波的存在。

再次向那些改变人类的一流科学家们致敬!

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