【内容提要】赫兹是19世纪德国杰出的物理学家和敏锐的思想家。本文全面论述了他的早年生活，他对电磁学、阴极射线、X射线、光电效应等当时物理学最前沿领域的不朽贡献及《力学原理》对现代物理学和现代西方哲学的重要影响。
【关键词】电磁学/阴极射线/X射线/光电效应/力学

【正文】
 　 20世纪科学技术的发展可谓突飞猛进、日新月异。但从科学发展的源流来看，不仅电磁学理论的创立与完备要归功于19世纪，相对论、量子力学也早已萌发于19世纪。这一切都与领导当时科学潮流的德国科学家群体密不可分。而本文的主人公海因利希·赫兹则与亥姆霍兹(H.Von.Helmholtz,1821-1894)、基尔霍夫(G.R.Kirchhoff,1824-1887)玻耳兹曼(L.Boltzmann,1844-1906)一起并称为德国物理学界的五大巨星。他以自己高超的理论水平和天才的实验技能活跃于当时的电磁学、阴极射线、X射线、光电效应等研究领域的最前沿，为物理学的发展作出了不朽的贡献。假如他能活到二十世纪，早期诺贝尔物理学奖获得者中必将有他的伟大名字。正如著名物理学家洛伦兹(H.A.Lorentz,1853-1928)在其1902年的诺贝尔演讲中所指出的那样：“在麦克斯韦之后，我提名德国伟大的物理学家赫兹（麦克斯书理论的奠基者之一），如果不是疾病过早地夺去了他的生命，他必定是皇家科学院最先考虑的获奖者之一”([4],p.55)。而德国科学家所特有的哲学气质，又使得赫兹的科学研究体现出深刻的哲学意蕴，特别是他的《力学原理》，堪称科学哲学的经典。因此，认真研究赫兹的丰富而深刻的科学及哲学思想，不仅对于我们的科学工作者、哲学工作者及教育工作者有着重要的启发意义，而且对于加强素质教育，培植科学精神同样具有重要的现实意义。
天才的成长历程
1857年2月22日，海因利希·鲁道夫·赫兹(Heinrich RudolfHertz)出生于德国汉堡的一个有着犹太血统的富裕家庭。父亲G.F.赫兹是位律师和市议员。
6岁时，赫兹进入当地一所要求特别严格的私立小学学习，在母亲的热切关注下，他的学习一直在班上名列前茅。星期天他用于在职业学校学习作图。速写和绘画显示了他的艺术天才，但他对音乐兴趣不大（这与亥姆霍兹、爱因斯坦，普朗克形成鲜明对比）。幼时，赫兹已表现出极强的动手能力，少年时代就利用自己的工作台和车床自制了许多木工工具以及灵敏电流计等物理仪器，这种极强的动手能力在他的整个科学生涯中发挥了非常重要的作用。在现代语言和古典语言方面，赫兹也有着特殊的天赋。15岁时，赫兹进入当地一所高级中学学习，其希腊语是班上最好的，与此同时，他还学习了阿拉伯语。
1875年，中学毕业的赫兹来到法兰克福准备以工程为业，并在当地建工局工作了一年，同时为工程考试积极准备。一年的兵役之后，他进入慕尼黑工学院学习。1877年转入慕尼黑大学，由此转向了自然科学的学习。因为在他看来，工程意味着商业、数据和公式，这种职业并不合自己的兴趣；另一方面，尽管工学院有很好的实验室和导向实际工作的课程，但慕尼黑大学则提供了一个无止境的研究生涯，这正适合赫兹理想中的学者风格和立志为科学真理而献身的宏大志向。
在慕尼黑大学的第一学期，赫兹认真学习了数学，并在导师约里(P.G.Von Jolly)的指导下，深入研读了拉格朗日、拉普拉斯以及泊松的著作，从而使自己的数学水平大为提高。但他认为椭圆函数及数学的新分支过于抽象，因而对物理学不可能有什么用处。尽管赫兹认为自然界这部大书是用数学语言写成的，但在学生时代以至整个生涯中，他主要还是感兴趣于物理学问题，而非纯数学问题。
19世纪后期的德国，典型的物理学家必须在实验和数学两方面都有很深的造诣。于是，第二学期，赫兹进行了大量实验工作，当然，这对于自幼动手能力就特强的赫兹来说并不困难。一年的学习，初步造就了赫兹作为物理学家的气质和才能。
1878年，赫兹来到柏林大学，在名师亥姆霍兹和基尔霍夫的指导下学习，这对他的终生事业产生了决定性的影响。当时，电磁学的理论问题是包括亥姆霍兹在内的科学家所关注的重大问题之一。在奥斯特发现电流的磁效应和法拉第发现电磁感应定律之后很长一段时间内，人们总是力图从力学观点去解释电磁现象并仿照力学去建立电磁理论，从而造成电磁学领域中韦伯理论、诺伊曼理论等多种理论并存的混乱局面。亥姆霍兹把电磁学的这种状况称作“无路的荒原”，他比任何一位物理学家都更多地思考着电磁学的基本原理，旨在为这一无路的荒原指出一条高度统一的光明大道。为此，除了自己的深入研究之外，亥姆霍兹还针对一些关键问题设立奖项，以激起更多学生对这一领域的兴趣。1878年，为论证运动电荷是否有惯性质量而设立的奖项就是其中之一。刚到柏林的赫兹为这一问题所吸引，决心为之而努力。亥姆霍兹极力支持赫兹的想法，特地为他提供了专门的实验室和专题文献指导，并时刻关注着工作的进展。1879年1月，赫兹仅用了3个月就成功地解决了这一问题，并获得了赫奖。作为该项研究的成果，“关于电流之动能上限的实验研究”一文于1880年发表于《Annalen der Physik》。随后，亥姆霍兹继续鼓励赫兹去争取另一项更有价值的大奖。它是亥姆霍兹通过柏林科学院以题为“用实验建立电磁力和绝缘体介质的极化间的关系”而设立的。该论题基于以下三个基本假设：①如果位移电流存在，必定会产生磁效应；②极化电流与自由电流具有同样的电磁效应；③在空气和真空中发生的行为与电介质中发生的行为相同。稍后，亥姆霍兹感到其中的第三个问题太难，于是把它从悬奖项目中取消了。显然，该论题的关键在于非闭合电路的情况。赫兹通过对当时的各种电磁理论的分析，已经认识到麦克斯韦理论是更可取的，不过这时他仍是从超距作用观点看问题的。起初，赫兹准备以该论题作为自己的博士论题，但认真分析之后，他发现，该项研究要费时三年，并且结果尚难预料。于是他暂时放下这一问题（九年后的1888年他才回过头来解决了），选择了“旋转球体的感生效应”作为自己的博士论文。([1],pp.35-126)1880年初，他就出色地完成了自己的学位论文。文中的逻辑推理和数学分析展示了他一流数学物理学家的天才。
亥姆霍兹慧眼识才，随即把赫兹留在自己身边作为助手，并加以精心培养。在柏林大学的三年中，赫兹就电磁学、极化放电和阴极射线等前沿领域进行了开创性研究。
三年的助手之后，赫兹想得到一个正规的职位，而按德国大学的等级制度，第一步应先成为编外讲师。他不想在柏林大学实现这一目标，因为那里的编外讲师太多了。恰在这一时期，数学物理学在德国开始被看作一个独立的学科。吉尔大学正需要一位这方面的编外讲师。于是，在基尔霍夫的推荐下，赫兹去了吉尔大学。他在吉尔大学的讲课非常成功，第二学期就有50人来选课。但令他不满意的是吉尔大学没有物理实验室，由此给研究工作带来了许多不利影响。在吉尔的两年，他只发表了三篇纯理论性论文。其中一篇是关于气象学的，一篇是关于电磁单位的，最重要的一篇是关于麦克斯韦电动力学的。此外，他还深入研究了费希纳(G.T.Fechner,1801-1887)，康德及马赫等人的著作。1885年，吉尔大学准备晋升赫兹为副教授，但他不愿获得一个纯理论物理学家的职位。正在此时，卡尔斯鲁厄工业大学准备给予赫兹物理学教授职位。考虑到该大学有较好的物理研究所，于是他便来到了卡尔斯鲁厄大学。起初赫兹在卡尔斯鲁厄感到有些孤独，并对自己未来的研究没有把握。但在随后的时间里，赫兹完成了两件大事。1886年7月，在经过三个月的求婚之后，赫兹与一位同事的女儿伊利莎白·多尔(Elisabeth Doll)完婚。随后，赫兹着手并最终完成了那个给他带来世界性声誉的电磁波实验。
1888年9月，吉森大学试图把赫兹从卡尔斯鲁厄大学聘到自己学校，但普鲁士文化部要求赫兹拒聘，并考虑他去柏林接替基尔霍夫。但赫兹不愿再回柏林。他认为自己才31岁就走上这一重要位置似乎太年轻，从而使自己过快地离开自己的研究工作。另外，他认为自己还不是柏林所期待的那种数学物理学家。亥姆霍兹非常希望赫兹到柏林工作，但他也很理解赫兹并不愿影响他的选择。12月，文化部在波恩大学为赫兹提供了物理学教授职位，赫兹愉快地接受这一委任，并于1889年春天来到波恩，继任著名物理学家克劳修斯的职位。这样，年仅32岁的赫兹就担任了一般人要到晚年才能得到的职务。比之于在卡尔斯鲁厄，赫兹在波恩不需那么多时间用于教学，从而有更多的时间用于研究。此外，还有闵可夫斯基、勒纳德作为自己的助手。在波恩期间，赫兹除继续电磁理论和阴极射线的研究之外，主要进行了力学的纯理论性研究，旨在赋予力学以绝对的明晰性。鉴于这一研究时值力学自然观与电磁自然观激烈争论的前夕，因而它不仅体现着赫兹深刻的科学美学思想，而且具有更深层的哲学意义。
1894年1月1日，年仅36岁的赫兹因病逝世。尽管他的一生是短暂的，但他的科学伟业却是不朽的和令世人赞叹的。
出色的诺贝尔奖候选者
1880年开始，赫兹作为亥姆霍兹的助手留在柏林大学。尽管他感到繁杂的管理工作是乏味的，却也为自己的研究提供了条件。在这里的三年中，由于其工作领域的多样性，要对赫兹的工作给以简单的概括是困难的。除了电磁感应和电磁质量、弹性体理论、液体蒸发方面的研究之外，他特别在极化放电、阴极射线这些前沿领域进行了大量探索。当时，阴极射线是波还是粒子流大家并不清楚。赫兹利用金泊、银泊做了大量有关阴极射线的穿透能力实验，并用磁场使阴极射线发生了偏转，但用电场时却没有成功（因为他当时所用的真空管的真空性能相当差）。于是，赫兹就在1883年有关阴极射线的两篇论文中指出：阴极射线并不像许多人所认为的那样是带电粒子流，而是一种波或受扰动的以太被气体吸收时的一种效应。为了证明阴极射线是一种波，赫兹利用衍射光栅所进行的实验也未给出阳性证据。此后，赫兹便把主要精力转向电磁学研究。直到1891年才再次回到阴极射线的研究，这时勒纳德(P.E.Lenard,1862-1947)正做赫兹的助手，他紧紧抓住阴极射线穿透金属泊这一特性并按着赫兹的指导，于1892年成功地用带有铅泊窗的真空管使阴极射线透出管外，从而使在放电管外进行不受内部静电干扰的阴极射线实验成为可能。此后，带有“勒纳德窗”的阴极射线管在许多演示实验中颇受人们重视。但阴极射线的本性仍未真正阐明。1905年，勒纳德由于“对阴极射线的研究工作”而获得诺贝尔奖。J.J.汤姆逊则因在“气体导电性的理论和实验方面的研究”，特别是对电子的荷质比的测定而获1906年度诺贝尔奖。而伦琴正是1895年反复试做有关阴极射线的赫兹、勒纳德实验时，发现了X射线。在这些领域，赫兹无疑是位杰出的先驱者，但他的更为重大的科学贡献还在于电磁波的发现。
电磁学研究是赫兹整个科学生涯的最重要课题。继学生时代的研究之后，1881年他相继发表了题为“论运动导体的表面电荷分布”及“运动电荷的动能上限”的论文。1884年，赫兹对麦克斯韦学说进行了深入的理论性研究，以便在当时相互竞争的理论中作出正确选择。他证明，麦克斯韦方程与当时已有的其它理论的物理假设都是相容的，而其它理论则没有这种优势。显然，麦克斯韦理论是更可取的。但囿于超距作用学说，赫兹对于麦克斯韦的场论观点的正确性并无把握。
1885年，赫兹在卡尔斯鲁厄工业大学物理实验室里幸运地找到了一些黎斯(Riess)感应线圈，从而，为他解决亥姆霍兹于1879年提出的悬奖项目创造了条件。这种感应线圈有初次两级，若给初级线圈输入一个脉动电流，螺线管就会产生电磁振荡，次级线圈就受到感应，在其放电环路的间隙便有火花产生。赫兹敏感地认识到，既然初级线圈中的振荡电流能激起次级线圈产生电火花，它应具有使介质产生位移电流的能力。根据麦克斯韦理论，这种位移电流也应是振荡的，并会反过来影响次级线圈，使它产生的电火花有明显的强弱变化。赫兹经过反复实验和不断调整初级线圈的位置和方向，成功地显示了一个开放电路的感应作用。1887年，利用自制的“感应平衡器”，赫兹进一步证实了麦克斯韦关于位移电流的预言，并获得了柏林科学院1879年的悬奖。在这一实验中，赫兹还特别为初级电路的火花对次级电路的火花强度的影响所吸引，并先后在初级火花和次级火花之间插入60多种不同的物质进行了长达半年的反复研究。他断言这种效应——光电效应是紫外线的作用所致，它对于揭示光与电之间的联系将具有重要的理论意义。然而，赫兹没有再继续这方面的研究，因为它与检验麦克斯韦理论的物理假设这一最初目标不相一致。
1888年，在已有的实验基础上，赫兹进一步认识到麦克斯韦理论的关键在于它假定电磁波在空间以有限的速度传播，而这正是以新的方式重新提出了亥姆霍兹在1879年的悬奖中所取消的第三个内容。
赫兹知道，1871年亥姆霍兹曾试图通过发射和吸收间的时间差测定电磁感应在空气中的传播速度，其结果是40英里／秒，但对于菲兹杰惹(G.F.Fitz Gerald,1851-1901)和洛奇(O.J.Lodge,1851-1940)等人关于电磁波的理论和实验研究他并不知道。1888年初，他利用非闭合电路与一个感应线圈相连这一装置产生了电磁波，并利用一个简单的非闭合回路在卡尔斯鲁厄演讲大厅的不同位置测得了电磁波的波长，利用这一数值和谐振子的振动频率，他得出了电磁波的速度。此后，赫兹继续就电磁波与光波间的类似做了大量实验。通过电磁波穿过沥清棱柱及其它实验，他证明电磁波完全按照光的反射、衍射和干涉理论进行反射、衍射和干涉，由此证明了电磁波与光波的统一性。赫兹认为，这是全部研究过程中最令人激动的时刻。亥姆霍兹把这一成果看作19世纪最伟大的物理学发现，是赫兹非凡的理论洞察力和高超的实验能力相结合的产物。此后，马可尼(Marconi)等人通过对赫兹实验的进一步发展和设备改进，促成了今天世界范围内的无线电通讯。
赫兹的天才劳动很快受到了科学界的高度评价和广泛赞誉。1888年、1889年、1890年和1891年，他先后获得了意大利科学家协会的Matteuc-ci奖章、巴黎科学院的La Caze奖和维也纳帝国科学院的Baumgartner奖，英国皇家学会的Rumford勋章、都灵皇家科学院的Bressa奖，并成为多个科学院的院士。如果他能活到20世纪，必定会成为最早获得诺贝尔物理学奖的学者之一。
赫兹的工作有力地确定了麦克斯韦理论在电磁学中的地位，使得原先持超距作用观点的许多物理学家很快转向这一理论。然而麦克斯韦理论的意义是什么这一令人苦恼的问题仍未得到解决。
1890年，在两篇论文中，赫兹着手使内容上完善的麦克斯韦理论在形式上更加完善。其中一篇讨论了静止物体的电动力学，为了得到近距作用理论，赫兹从基本方程中消除了矢势，同时取消了麦克斯韦对自由以太中的极化作用和电作用所作的区分。最终得到了关于电场强度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。
第二篇论文中，赫兹讨论了运动体的电动力学。他认为，要讨论这一问题，首先必须弄清以太是否随物体而动，因为以太是否存在及其特性已成了当时物理学的核心问题之一。正如赫兹1889年在海德堡所作的关于电磁学的讲演中指出的那样：从现在起，以太将是物理学中最基本的问题，这一问题的理解将阐明像电、引力和质量等重要问题的本性。此外，恰当的以太物理学将把“力”这一模糊概念排除于物理学的基本概念之外，这一思想在他的《力学原理》中得到了进一步发展。
麦克斯韦理论的正确性得以确立，但亥姆霍兹提出的统一电磁学的纲领并未真正实现。众所周知，19世纪的最后四分之一里，包括亥姆霍兹、赫兹在内的许多德国物理学家特别关注物理学的统一，他们把力学看作这一统一的最终基础[10]。当时势力学的许多研究就是围绕它的力学基础而进行的[11]。像热力学一样，一旦电动力学的基本原理得以确定，赫兹便转向了对力学基础的研究，以便确定整个物理学统一纲领的牢固基础。他认为已有的力学原理不能描述以太中的接触作用过程，因而必须从那些能为包括电动力学在内的整个物理学提供力学基础的原理出发重建力学。这便是赫兹写作《力学原理》的内在动因，是他的科学美学思想及德国科学家特有的理性精神的集中表现。