01
電磁波的發現
「成功了，這就是電磁波！」
滋......滋......滋.....，一束微弱而美麗的藍色電火花在兩個銅球間之間穿梭躍動，伴隨著一個年輕人興奮地喊聲。
這個年輕人就是赫茲，彼時的他正在為發現了電磁波而興奮不已。
這看似平常的一瞬，卻奠定了他在電磁學的地位，多年以後，頻率的單位 (Hz )也以他為名，他的實驗成果甚至為人類的通信方式打開了一扇新的大門。
在此之前，英國人麥克斯韋曾經提出了大名鼎鼎的麥克斯韋方程組，並預言了電磁波的存在。可是，電磁波這東西畢竟是看不見摸不著，當時是沒有多少人相信的。
赫茲對此興趣濃厚，詳細研究了麥克斯韋的理論，並立志通過實驗的方式來證明電磁波的存在。
依照麥克斯韋理論，變化的電流能輻射電磁波。於是赫茲根據電容器經由電火花會產生電流振蕩的原理，設計了一套電磁波發生器。
赫茲將兩個大的銅球作為電容，並通過銅棒連接在相隔很近的兩個小銅球上。兩個小銅球連出兩根導線，接到一個感應線圈和一個電源之上。
通電之後，兩個小銅球之間就會產生電火花，電荷便經由電火花在兩個大銅球之間來回穿梭，每秒能達到數百萬次。這樣就形成了變化的電流，會如麥克斯韋的預言的那樣，會源源不斷地往外輻射電磁波嗎？
為了接收可能存在的電磁波，赫茲設計了一個圓形導線，開了個缺口，同樣焊上了兩個離的很近的小銅球。這就相當於一個原始的天線了。
赫茲把這個接收器放在了離電磁波生成器10米遠的地方，如果真有電磁波的話，導線接收之後將會產生電流，並在這兩個小銅球之間也產生電火花。
他關掉燈，並拉上了所有的窗簾，形成了一個暗室，目不轉睛地觀察著接收器上的兩個小銅球。結果本文開頭的一幕發生了，他發現檢波器上確實有小火花產生。
電磁波就這樣被發現了！
赫茲後來又通過多次試驗，成功測出了電磁波的波長，再把波長乘以電流變化的頻率，得出了電磁波傳播的速度，數值恰好是30萬公裡/秒，也就是光速。
至此，麥克斯韋那驚人的預言得到了證實：電磁波不僅存在，而且無處不在，我們司空見慣的可見光就是電磁波的一種。
02
電磁波的秘密
1. 原子的秘密
其實，赫茲也是站在居然的肩膀上。
早在古希臘時代，就有學者提出，組成物質的最小單位是不可再細分的原子。雖然這個說法不是那麼準確，但這樣的思想卻是現代科學的起源。
原子是由原子核和繞原子核高速運轉的電子組成的，其中原子核帶正電，電子帶等量的負電。我們把帶正電或者負電的粒子稱為電荷。
電荷異性相吸，原子核能帶多份正電，而每個電子只能帶一份負電，這樣每個原子都是由一個原子核加上在各自軌道上圍繞著原子核高速運轉多個電子組成的。
原子核的正電和電子帶的負電中和起來，就像正數和負數加起來等於零一樣，原子核跟電子結合在一起形成了對外不表現電性的原子。
這個系統像極了我們熟知的太陽系，太陽相當於原子核，繞著太陽轉的八大行星就相當於是繞著原子核轉的8個電子。
2. 電流的磁效應
電是自然中最基礎的現象之一，其蘊含的巨大能量就這樣沉默地被囚禁在原子之內。
然而事情總有例外。有一類叫做金屬的物質，最外層軌道上的電子數很少，因為離原子核太遠，受到的引力也小，這些電子就能夠從原子的外層脫離出來，成為自由電子，在整條金屬線中自由穿梭。
如果給金屬線的一段端的加上一個強大的帶正電的物體，這些帶負電的自由電子就會因為被正電吸引，齊刷刷地奔向帶正電的物體，像精子爭奪卵子一樣爭先恐後地向前運動，於是這些定向移動的電子就形成了電流。
電荷之所以能在沒有接觸的情況下同性相斥，異性相吸，是因為它們的周邊散布著一種被稱為「電場」的神秘物質。這種物質看不見摸不著，沒有氣味也沒有重量，卻像一雙無形的手一樣，沿著電力線的軌跡發力，把正電荷負電拖拽到一起，把同樣性質的電荷推地遠遠的。
當電流產生時，這些散步在電荷周圍的電場也開始了定向運動。根據相對論效應，運動的物質會導致時空的扭曲，於是科學家就檢測到了另外一種看不見摸不著，並且沒有重量和氣味的物質：磁場。
這種電生磁的現象叫做電流的磁效應。
上圖展示了電流的磁效應，導線通電之後，周圍產生的磁場使磁針發生了偏轉。
3. 磁場也能產生電場
磁場這種物質我們從小就已經很熟悉了，拆卸喇叭裡的磁鐵玩也曾經是蜉蝣君小時候最大的樂趣。
磁鐵似乎有種神奇的力量，可以隔空發力把鐵吸引過去，現在這種力量的來源已經呼之欲出：
這就是磁場的作用。磁場沿著磁力線發力，對磁場中的鐵或者另一塊磁鐵施加力的作用。
剛才說到變化的電場產生磁場，實驗證明，變化的磁場也能產生電場。
磁生電是法拉第發現的。
其原理是：閉合電路的一部分導體做切割磁力線運動時，在導體上就會產生電場和電流。這個現象被叫作電磁感應現象。
電場和磁場這一對好基友就這樣電生磁，磁生電，你生我，我生你，循環往復，相互依存，互為因果，不分彼此，於是統稱為電磁場。
4. 電磁波的產生
電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產生電場，這個電場又以力作用於其他電荷。磁體和電流在其周圍產生磁場，而這個磁場又以力作用於其他磁體和內部有電流的物體。
電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它瀰漫於整個空間。
根據麥克斯韋的預言：電磁場就這樣在電生磁，磁生電的過程中以光速在空間上不斷傳播開來，像潮水一樣一波一波地向前湧動，形成了電磁波。
上圖中紅色的線表示電場，藍色的線表示磁場，橫軸表示電磁波的傳播方向。可以看出，電磁波在電池和磁場不斷變化中向前傳播，方向同時跟電場和磁場的方向垂直。
03
無線通信的奇蹟
赫茲發現了電磁波，但他還沒有來得及思考這種神秘力量背後的價值，一場突如其來的疾病，讓這位才華橫溢的科學巨星驟然隕落，年僅37歲。
接下來，一個來自義大利的年輕人接過了赫茲點燃的烽火。
這個年輕人僅20歲就造出了世界上第一臺無線電發報機，隨後還發明了定向天線和雷達等設備。而且他從來沒有受過正統的教育，幾乎完全靠的是自學。
後來，他還成為了第一個以工程獎貢獻獲得諾貝爾物理獎的發明家。
他，被譽為「無線通信之父」。
他，就是馬可尼。
看下面這照片，一臉深情地擺弄著他的發明，簡直是英氣逼人。
1874年，馬可尼出生在義大利的一個貴族家庭裡，是個名副其實的「富二代」。
一次偶然，馬可尼接觸到了赫茲著名的電火花實驗。
那一刻，他的頭腦就完全被這奇妙事物完全佔據了，並敏銳地感覺到了這裡面蘊藏著巨大商業的價值。
他想到：赫茲既然能在幾米外測出電磁波，那麼只要有足夠靈敏的檢波器，也一定能在更遠的地方測出電磁波。那是否能用這個電磁波傳遞有用的信息，並在遠處復現這些信息呢？
自此，他進行了一次次的實驗，電磁波傳輸的距離也越來越遠：從0.3、1.2擴充到3.7公裡。
後來，馬可尼的跨海實驗成功，將無線電通信距離擴大到了15公裡。
在1897年7月，他開始著手將自己的這些無線電研究商業化，並且在英國倫敦成立了無線電報通信公司。
此時的電報採用摩爾斯電碼。這是一種早期的數字通信形式，但是它不同於現代只使用0和1兩種狀態的二進位編碼，它的編碼包括五種： 點、劃、點和劃之間的停頓、每個詞之間中等的停頓以及句子之間長的停頓。
這是最早的對字母的編碼表。
在20世紀初，僅27歲的馬可尼再次創造新的奇蹟。電磁波攜帶的莫爾斯電碼順利越過大西洋，從英國到達美國，足足穿越了近3千公裡！
馬可尼的一生，見證了無線通信的發展史。在他20歲發明無線電報的時候，無線通信事業還處在搖籃之中；而當他滿載榮譽離開的時候，無線通信已經讓我們的生活方式發生了翻天覆地的變化。
1968年，為紀念馬可尼對無線通信的貢獻，並且感謝馬可尼無線電報公司於1962年協助香港發展超短波廣播， 香港政府把一條路命名為「馬可尼道」 以作紀念。
今天，我們繼續沿著馬可尼開拓的道路，正在向5G飛奔而去。