无线电波的前世今生：《永不消逝的无线电波探秘》揭开

与水波不同的是，无线电波看不见、摸不着。因此，尽管自古以来无线电波就充斥着宇宙空间，时刻围绕在人们的身边，但真正认识和利用无线电波，却不过百余年的时间。一百多年前，人们认为电和磁是完全孤立的两回事，不知道电与磁还能“纠缠”在一起，对它们的研究也是分别进行的。从发现电磁间相互转化的关系到整个电磁学理论的建立经历了三四十年的时间，而从电磁学理论到无线电波的应用实践又经历了三四十年的时间。当谈及这段历史时，众多先辈们的名字一一呈现在人们眼前：奥斯特、法拉第、麦克斯韦、赫兹、波波夫、马可尼、贝尔……正是由于先贤们的不懈努力，才使无线电波从最初的发现到广泛应用，再到现在的家喻户晓。

奥斯特（Oersted’1777—1851）’丹麦物理学家’化学家’182O年发现了电流的磁效应。其主要成果集中在《奥斯特科学论文》之中。

发现电生磁的奥斯特。1820年4月，奥斯特在讲课时，无意中把一条非常细的铂金导线放在一个用玻璃罩罩着的小磁针上，接通电源的瞬间，他发现磁针跳动了一下。当时，奥斯特激动得甚至在讲台上摔了一跤。受到这个现象的启发，他连续进行了大量不同的实验，都证实了通电导线周围存在着磁场，这也就是“电生磁”的现象。为纪念奥斯特的贡献，国际上于1934年以“奥斯特”命名磁场强度单位。

发现磁生电的法拉第。英国物理学家法拉第，根据奥斯特发现的这一现象，猜想，电既然能够生磁，那么磁也应该能够生电，电与磁应该是一对和谐的对偶现象，并进行了大量的试验。在经过10年的探索，历经多次失败后，法拉第于1831年8月26日获得了成功。他用伏打电池在给一组线圈通电（或断电）的瞬间，在另一组线圈获得了感应电流。经过类似的大量实验后，他终于证实了“磁生电”的效应，并于1831年10月17日进行了磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验。这就是著名的“电磁感应”现象实验。

法拉第（Faraday’1791—1867）’世界著名的自学成才的科学家’英国物理学家、化学家、发明家。1831年法拉第发现的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。

莫尔斯（Morse’1791—1872）’美国画家兼发明家。一生致力于电的实验’并在亨利的帮助下’制造了电报机’电文现称为“莫尔斯电码”。

发明有线电报的莫尔斯。电生磁以及磁生电的现象，引起了诸多科学家的普遍关注。1832年，俄国外交家希林在电磁感应理论的启发下，制作出用电流计指针偏转接收信号的电报机。1833年德国物理学家高斯和韦伯研制出电磁指针电报机。但由于电报机存在用线太多，安装麻烦、发报速度慢、辨读常出现错误等问题，没有得到推广运用。为解决此问题，美国画家莫尔斯在电磁学权威亨利的指导下，对电报机进行改进。1837年设计出著名的“莫尔斯电码”，将在电线中流动的电流在电线突然截止时迸出火花作为一种信号，电流接通而没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以代表全部的字母、数字和文字，并可以通过电流在电线中传到远处。它利用“点”“划”和“间隔”（实际上就是时间长短不一的电脉冲信号）的不同组合来表示字母、数字、标点和符号。1838年1月进行了距离为4800米的收发报试验，获得了成功。1843年莫尔斯得到美国国会3万美元的资助，用此款修建了一条从马里兰州巴尔的摩市到首都华盛顿全长64400米的用“莫尔斯电码”通信的电报线路。1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅，莫尔斯使用莫尔斯电码，亲手向巴尔的摩市发出了“上帝创造了何等奇迹！”这个世界上第一份电报。开创了人类利用电报进行通信的历史。但由于电报传送的只是一种符号，发送一份电报需将报文译成电码，再用电报机发送出去，接收方要将收到的电码译成报文送给收报人。这不仅手续繁琐，而且不能进行双向同时交流，于是人们开始探索能直接传送声音的通信方式。

莫尔斯电码

发明电话的贝尔。把电流与声波联系在一起而实现远距离通信，是由贝尔完成的。1875年6月2日，贝尔和助手沃森特正在美国波士顿法院路的实验室进行电话模型的最后测试，贝尔不小心将硫酸溅到腿上，他疼痛地叫道“沃森特先生，快来帮我啊！”他的呼喊通过实验中的电话传到另一房间工作的沃森特耳朵里。这一天被人们作为电话发明的日子载入史册。1876年3月7日，贝尔正式发明了电话，能够直接将语言信号变为电信号沿导线传送，并获得了电话发明专利。

贝尔（Bell’1847—1922）’美国发明家、企业家。他获得了世界上第一台可用的电话机专利’创建了贝尔电话公司（AT&T公司的前身）’被世界誉为“电话之父”。

有线电报和电话的发明，使人类获得了远距离通信的手段。但电信号是通过金属导线传送信息的，线路架设到的地方，信号才能传到。由于线路架设受高山、大海等地形的制约，限制了通信的范围。为此，人们开始探索不受线路限制的无线电通信方法。

麦克斯韦（Maxwell’1831—1879）’对2O世纪最有影响力的19世纪英国物理学家。他总结了宏观电磁现象的规律’并预言了电磁波的存在’所提出的一组描述电磁现象规律的偏微分方程’即麦克斯韦方程组’是经典电磁学的基本方程。

奠基电磁学理论的麦克斯韦。通过电磁感应现象，人们发现，磁体通过与闭合线圈相对位置的不断变化，在闭合线圈中产生了持久的变化电流。在经过大量的研究后，人们又发现了在随时间变化的电流周围产生磁场的现象。遗憾的是，发现电磁感应现象的法拉第的数学功底不是十分深厚，没能够成功地建立一个电磁互相转化和传播的数学模型。这也是他的相关理论并不能得到完美解释的重要原因。伟大的英国科学家麦克斯韦发展了法拉第的研究，他预言了电磁波的存在，认为电磁波是一种“横波”，并且认为，既然交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会产生交变的电场，那么，这种交变的电磁场就会以波的形式向空中散布开去。1864年，麦克斯韦发表了电磁场理论，在法拉第研究的基础上，总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，创造性地建立了“麦克斯韦方程组”，于1873年出版集电磁学大成的划时代著作《电学和磁学论》，用精确的数学公式描述了电场、磁场的性质及电场、磁场互变的规律，建立了完整的电磁学理论体系。

麦克斯韦方程组

一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程’四个方程分别表示了四个定律：高斯定律、高斯磁定律、麦克斯韦-安培定律和法拉第感应定律。

赫兹（Hertz’1857—1898）’德国物理学家’于1887年实验证实了电磁波的存在’并于1888年初在《论动电效应的传播速度》一文中公布了成果总结。鉴于他对电磁学的贡献’频率的国际单位制单位“赫[兹]”以他的名字命名。(www.xing528.com)

证实电磁波存在的赫兹。麦克斯韦从理论上推测到电磁波的存在后，英年早逝，未能用实验来证明自己推测的重要性，而且其学说也因为没有得到证实而一直未得到重视。德国物理学家赫兹完成了实验这一关键步骤。1884年，赫兹开始攻克如何用实验来证实电磁波的存在。他对这个难题进行了无数次的实验，均未取得成效，但他并不灰心。经过多次实验，1887年赫兹终于用实验证实了电磁波的存在。他精心设计了一个电磁波发生器，用两块长16英寸的正方形锌板，每块锌板接上一个12英寸长的铜棒，铜棒的一端焊上一个金属球，将铜棒与感应圈的电极相连。通电时，如果使两根铜棒上的金属球靠近，便会看到有火花从一个球跳到另一个球。这些火花表明电流在循环不息，在金属球之间产生的这种高频电火花，即电磁波，麦克斯韦的理论认为电磁波便会由此被送到空间去。为了捕捉这些电磁波，赫兹用一根两端带有铜球的铜丝弯成环状，当作检波器。他把这个检波器放到离电磁波发生器10米远的地方，当电磁波发生器通电后，检波器铜丝圈两端的铜球上产生了电火花。这些火花是怎么产生的呢？赫兹认为：这便是电磁波从发射器发出后，被检波器捉住了，电磁波不仅产生了，而且传播了10米远。

捕捉电磁波

波波夫（Popov’1859—19O6）’俄国物理学家和电气工程师’研究电磁波的先驱。

开无线电通信之先河的波波夫和马可尼。赫兹证明了电磁波的存在后，电磁波的应用就摆上了日程，大家分别研制相应的设备，发射和接收电磁波通信信号。俄国的波波夫和意大利的马可尼率先实现了这一壮举。1894年，俄国物理学家波波夫在对电磁波的研究中制成了用于无线电通信的设备，他改进了无线电接收机并为之增加了天线，使无线电接收机灵敏度大大提高，并于次年独立完成了用电磁波传送电报信号的实验。1895年5月人们利用发明的无线电接收机“雷电指示器”，第一次收到由空间传来的无线电波。1896年3月，波波夫在彼得堡成功地用无线电传送莫尔斯电码，距离为250米，这一切都说明，无线电开始走向实用化的历史轨道。1896年，波波夫和雷布金操纵自己制作的无线电收发信机，拍发了“Heinoich Hertz”一词，虽然当时的通信距离只有250米，但这却是世界上最早通过无线电传送的有明确内容的电报。

几乎同时，意大利无线电工程师马可尼经过一年的努力，也于1895年成功地发明了一种工作装置，利用火花放电产生的电磁波，把莫尔斯电码传送到几百米之外，完成了无线电通信的实验。同年马可尼发明无线电电报机，开创了无线电波的实际应用。还是在1895这一年，在马可尼向英国邮政局的人员演示他发明的无线电报后不久，英格兰海岸利用无线电派出救生艇营救海难者，实现了无线电通信的初步应用。1897年5月18日，他在布里斯托尔海峡用无线电将信号传播了12000米。在英吉利海峡两岸使无线电报传输达到45000米。1899年，无线电报的通信距离增加到106千米。

马可尼（Marconi’1874—1937）’意大利无线电工程师’企业家’实用无线电报通信的创始人。1895年成功地发明了无线电报发信机’1896年实验成功’19O1年成功实现跨大西洋无线电通信。

历史性的时刻终于来临，1901年12月12日，在加拿大东南角纽芬兰市（Newfoundland）讯号山（Signal Hill）的马可尼，通过气球和风筝架设接收天线，接收到从2500千米外大西洋彼岸英国西南角的宝窦（Poldhu）普耳杜电台发来的“嘀、嘀、嘀”三声微弱而短促的信号，首次在大西洋两岸实现了远距离“S”字符国际莫尔斯电码传递。这是有史以来人类第一次利用大功率发射电台达成跨越大西洋的无线电通信，从此向世人说明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西，而是一种实用的通信手段，从此向世界宣告了无线电的诞生。这一实验成功的消息轰动了全球，人类开始了利用在空间传输的电磁波进行无线电通信。鉴于马可尼对于无线电通信事业的卓越贡献，他通常被认为拥有世界上第一个无线电技术的专利——英国专利12039号“电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备”。这项发明的重要性在一次事故中戏剧性地显示出来了。那是1909年“共和国”号汽船由于碰撞遭到毁坏而沉入海底，这时无线电信息起了作用，除六个人外所有的人员全部得救。同年，马可尼和卡尔•菲迪南德•布劳恩（Karl Ferdinand Braun）由于“发明无线电报的贡献”获得诺贝尔物理学奖。

提出电离层传播理论的埃克尔斯。虽然马可尼的试验结果令人相当振奋，可是当时一般人认为无线电传播路径类似光波，发射之后，绝对是呈直线前进，从英国到加拿大，再怎么说一定是无法完成直线的无线电通信（因为球表面是弧形的），当时的科学理论更证明，从英国发射后的无线电波一定直驱太空，怎么可能到达加拿大？可是从马可尼用简陋的无线电设备征服长距离通信的试验记录看来，在白天无线电信号可以远达700英里，晚间更远达2000英里以上。这些试验数据，使得以往理论所推理出来的结论，开始发生了动摇。

埃克尔斯（Eccles’1875—1966）’英国科学家’无线电通信的先驱者。1912年发明电离层传播天线’为远距离短波通信创造了条件。

当人们发现，无线电波直线传播理论难以解释一些现象时，英国-美国电机工程师肯涅利（Kennelly）及符号法的创始人亥维赛（Heaviside）不约而同地分别提出了同样的看法：在地球大气层中有电子层的存在，它可以像镜子般，把无线电波反射回地球，而不至于直奔太空，由于这种折射回返的信号，使得远方的电台才得以互相通信，这种对无线电波有如镜子般作用的电子层称作肯涅利-亥维赛层（Kennelly-Heaviside layer），但现今一般称之为电离层（ionosphere），而短波之所以如此传播就是受了电离层之赐。

电磁史上有前贤’近代谋得大发展’二者本自各天地’千里姻缘一线牵’匠心可归法拉第’妙手偏让麦氏拈’功不可没电气化’学用相长福人间。

——摘自徐国强《物理吟》

1912年，英国科学家埃克尔斯提出了无线电波通过电离层传播的理论，这一理论使得一群业余爱好者在1921年实现了短波试验性广播。同年，美国的范信达（Fessenden）和阿姆斯特朗（Armstrong）改进了接收机的工作方式，发明了外差式接收系统，这种形式仍是目前许多无线电接收机的主要工作方式。从1925年开始，许多科学家便开始进行电离层的勘探工作，经由向电离层发射无线电脉冲信号，然后从电离层折返的回波中，可以了解到电离层的自然现象，所得到的结果就是，地球上空的电离层就像是一把大伞覆盖着地球，而且随着白天或夜晚或季节的变化而变动，同时发现某些频率可以穿过电离层，而有些频率则以不同角度折返地表。

无线电技术的诞生虽然只有百余年的历史，但对人类生活、社会生产、科学研究和国防建设产生了巨大的影响。在现代生活的各个领域，在现代信息社会中，无线电技术已经渗透到政治、军事、工业、农业、交通、文化、科技、教育和人们日常生活的各个领域，成为一个国家综合国力和发展水平的标志。这些成就的取得，离不开一代代科学家孜孜不倦的追求和长期努力。