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从“无用”理论到“有用”技术,无线电怎样成为文明标志?

在信息化年代,地球被无线电的海洋包围着,现代人居于其间,但常常“用而不知”,其背面的理论研讨,以及后人加以运用和开发的眼光,一起构成了20世纪的文明之光。

撰文 | 流熵

今天(2月13日)是国际无线电日[1]。无线电在现在已深化咱们日子的每一个旮旯,但大多数人对它“用而不知”。除了咱们熟知的播送、对讲机、手机、WIFI、蓝牙运用了无线电,许多人不知道的是,身份证、公交卡、银行卡,这些卡片也运用了无线电技能。它们用到了根据无线电原理的射频辨认 和近场通讯 技能。每刷一次卡,便是一次无线电通讯的进程。此外,飞机、轮船和高铁也离不开无线电。不论航天器飞出地球多远,经过无线电就能对它进行操控和通讯。运用射电天文望远镜乃至可以接纳到国际边际的信息!

掐指算来,无线电技能诞生至今已有120多年,培养了许多的工业形状,深化改变了人类的日子方法,拓宽了人类的科学视界,成为20世纪文明的标志之一。而无线电通讯技能的代表性前驱、意大利人马可尼(Guglielmo Marconi,1874-1937)也因而被世人敬仰,并取得了诺贝尔物理学奖。但是,美国一位闻名教育家却说:“不管咱们从播送取得怎样的高兴,不管无线电和播送为人类日子带来了什么,马可尼的奉献简直可以忽略不计。”这话从何说起呢?

无线电终究是什么?怎样用?

咱们先来看看无线电终究是什么?

说终究,无线电是一种运用电磁波传递信息或能量的技能,由于摆脱了导线的捆绑,被叫做无线电。它以非触摸的方法,传递信息和能量,协助人们突破了间隔的隔绝。只需有无线电信号,多远的间隔都可以交流联络。航天勘探器的信号收发原理和咱们的手机是相同的:都是在发射端由电磁振荡发生无线电波,在接纳端经过天线耦合到无线电波的能量,继而转为电路信号再进行剖析处理。

电磁波速度公式和示意图

电磁波是由电和磁的彼此感应发生的,速度为光速,大约是每秒30万千米,等于频率和波长的乘积。电磁波波长越短,频率越高,能量越强。电磁波的来历分两种:一种是天然的,比方雷电、太阳和国际射线;一种是人工的,比方高压电线、雷达、播送和WIFI。电磁波按频率从低到高,可分为无线电波(它波长最长)、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线(它波长最短,能量最强)。无线电波的频率在3000GHz以内[2],所以,它是电磁波我们族中的一员。

电磁波谱我们族

除了运用无线电波的动摇特性来传递信息,人们还可以运用无线电波的反射特性完成目标勘探,比方雷达、遥测遥感和导航。无线电波还具有传输能量的特性,运用它造出微波炉、电磁炉等设备加热物体。综合运用无线电波的这些特性,人们研制出各式各样的医疗器械来治疗疾病。

鹊桥号中继星为嫦娥四号和玉兔二号供给无线电信号的中继服务

现在,在咱们的信息化年代,可以说地球是被无线电的海洋包围着。无线电漫山遍野的实践运用,咱们就不过多枚举了,无线电技能的全部原理都可由麦克斯韦方程推演而来。

无线电频谱:看不见摸不到的珍稀资源

假如把信息比作货品,无线电波便是运货的轿车,那么无线电频谱在移动通讯中便是信息运送的公路。就像开车要各行其道相同,不同的无线电事务,要运用不同的频率。把频率按凹凸次序,像曲谱相同摆放起来,便是无线电频谱,它是完成移动通讯不可或缺的中心资源。无线电频谱作为一种特别的天然资源,具有严重的经济、社会和战略价值,是人类近百年来新发现的一座巨大瑰宝。

和石油、水、矿藏、森林等天然资源不同,无线电频谱资源不会被消耗掉。人们用它或不必它,它都在那里,不增不减,不生不灭。但在特定的技能条件下,频谱资源的可用规模是有限的。在必定的区域、时刻和频域内,某段频率一旦被运用,其他设备便不能再用,不然就会发生搅扰。所以,对其科学运用就能取得价值。若闲置不必,就会形成糟蹋。

无线电频谱资源尽管由人类同享,但关于一个主权国家来说,却是归于国家一切的稀缺战略资源和经济资源,其开发运用关系到国民经济和社会展开,也关系到国家主权和安全,在国内应由专门的政府机关进行分配和办理[3]。在国际上,国际各国须根据国际电信联盟[4]拟定的《无线电规矩》(Radio Regulation)施行无线电频谱资源的规划和办理。

无线电办理部分根据频率区分规则及区分图为各行各业区分频率

诺贝尔经济学奖得主,“频率方针变革之父”——科斯(Ronald H. Coase,1910-2013年),在大学任教期间经过对无线电等公共资源分配方法的研讨,于1959年宣布了《联邦通讯委员会》一文[5]。同年,他提出了大名鼎鼎的“科斯规律”。其间心思维便是:产权是商场交流的条件。“科斯规律”为无线电频谱的商场化买卖,打下了理论根底。

“频率方针变革之父”——科斯

跟着移动通讯的鼓起,无线电频谱资源变得非常抢手。1989年,新西兰初次对无线电频谱实行了拍卖。1994年,美国进行了第一次无线电频谱拍卖。随后,许多欧美国家也开端对无线电频谱的商场化分配进行了测验,全球电信工业随之进入了一个新的展开阶段,各类无线事务愈加快捷、深化地服务于群众。

2000年,德国的第三代移动通讯频谱单笔拍卖成交价高达510亿欧元。在1994年至2015年间,美国共安排了96场频谱拍卖。其间2015年的拍卖,为美国政府带来了450亿美元的净收入。

无线电频谱当然也给我国带来了巨大的经济增加。相关安排经过研讨国内1999至2005年出产要素对经济增加的奉献率,测算得出其时频谱资源的奉献率为4.61%,现已超过了人力资本对经济增加的奉献率[6]。但是,我国政府并没有狠抽频谱资源的税,大大降低了我国三大移动通讯运营商的本钱,这也是国内的手机信号掩盖远远优于欧美国家的主要原因之一。许多欧美国家的通讯网还没有开端制作,运营商就由于取得频谱资源而背上了巨额债款。

马可尼:无线电通讯技能的前驱

无线电远间隔通讯的成功是20世纪文明的标志之一,它让国际的间隔史无前例地缩小了。横越大西洋的无线电通讯的成功,则被前史学家当作具有国际前史意义的技能事情,而马可尼正是无线电通讯技能的代表性前驱。

马可尼出世在意大利博洛尼亚一个赋有的家庭。他虽没有承受完好的学历教育,但承受了杰出的家长教育。家里不光设有私家图书馆和试验室,在他十几岁时,更是聘请到博洛尼亚大学的物理学教授奥古斯托·里吉(Augusto Righi)当家庭教师。

马可尼(Guglielmo Marconi)| 图片来历:Wikipedia

德国物理学家赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)在1886至1889年间用试验证明了电磁波的存在。赫兹发现的电磁波引起了马可尼的爱好。1895年马可尼在家中开端了试验,完成了无线电波的发送与接纳,并逐步把收发间隔扩展。但是向意大利政府恳求赞助未果,所以马可尼和母亲去英国寻求时机。

1896年2月,马可尼到了伦敦,并幸运地得到了英国邮政局总工程师威廉·普利斯的欣赏与协助。他在英国继续试验,改进了配备的功用,扩展了传输的有用规模,大大增强了通讯的运用价值,并得到了英国水兵和陆军部分的注重和支撑,为他在次年建立公司打下了根底。

1899年3月,马可尼初次跨域英吉利海峡,完成了英国与法国之间国际性的无线电通讯。1901年12月12日,马可尼成功地用摩尔斯电码传输无线电信号,把字母“S” (摩斯码为“嘀-嘀-嘀”)从英国康沃尔郡的波特休发送到加拿大纽芬兰的圣约翰斯,初次跨过了大西洋,间隔远达2100英里(3381km),轰动了国际。1907年10月,马可尼进一步拓荒了英国和加拿大之间横跨大西洋的商业无线电报通讯事务。

马可尼制作的第一个无线电发射器,可以经过摩尔斯电码传输无线电信号。

1909年,因对无线电报展开所做的奉献,马可尼和德国物理学家布劳恩(Karl Braun,1850-1918)共享了当年的诺贝尔物理学奖。

1914年,第一次国际大战迸发后,马可尼回到意大利为戎行效能,1916年升任水兵司令部中校。从这一年起,马可尼开端了波长10米以下的无线电技能研讨,然后奠定了现代远间隔无线电通讯的根底。1919年,马可尼在我国上海建立公司,运营电子管、整流器及其他无线电产品。

1922年,马可尼的公司做为出资方之一,参加组建了英国播送公司,即BBC。

1929年,马可尼被封为侯爵,担任意大利皇家学院院长。

1333年,马可尼在其全球游览途中曾到访我国,所到之处遭到军政界与学术团体的热烈欢迎。[7]

1937年7月20日,马可尼因心脏病在罗马逝世,意大利政府为他举行了国葬。

值得一提的是,简直和马可尼一起展开无线电运用的还有波波夫(Александр Степанович Попов,1859-1906)、特斯拉(Nikola Tesla,1856-1943)和洛奇(Oliver Joseph Lodge,1851-1940)等人。

从无用的理论到有用的无线电

上世纪20年代的一天,美国闻名教育家弗莱克斯纳 遇到了七十多岁的老绅士伊士曼 ,后者是举世公认的群众拍摄之父、柯达公司创始人。那时,伊士曼正准备把一生积储的一大部分投入到美国高级教育事业,用于推进“有用学科”的展开。

弗莱克斯纳问伊士曼:“在您心目中,谁是当今最‘有用’的科学家呢?”

伊士曼一挥而就地说:“马可尼。”在伊士曼看来,马可尼的创造从根本上改变了人类的交流方法,推进了整个人类文明的展开。

没想到的是,弗莱克斯纳却语出惊人:“亲爱的伊士曼先生,在我看来,不管咱们从播送取得怎样的高兴,不管无线电和播送为人类日子带来了什么,马可尼的奉献简直可以忽略不计。”

面临老绅士震动的目光,这位普林斯顿高级研讨院[8]的创始人解说道:“伊士曼先生,马可尼的出现是必定的,由于在此之前,现已有一位巨人为无线电的创造静静铺好了一切台阶,只待有人登上台阶去摘取桂冠,此人便是麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879)”。正是他在1865年对电磁场展开了数学研讨,并在1873年出书了《论电和磁》。[9]

麦克斯韦(James Clerk Maxwell)| 图片来历:Wikipedia

1931年,爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)在留念麦克斯韦诞辰100周年的庆典中,提出了“麦氏纲要”:用场来描绘物理真实,用偏微分方程来解说场,经典的场理论应当作为量子规律的起点,没有它就没有量子论。正是麦克斯韦的这些思维,启发了爱因斯坦的创意。[10]

与弗莱克斯纳这段闻名的“有用和无用之论”类似,还有个故事值得一提。

固然,麦克斯韦是电磁场理论的提出者和集大成者,为人类了解天然界做出了无以伦比的奉献,而他的理论研讨是建立在法拉第(Michael Faraday,1791-1867)的根底之上。

法拉第家境贫寒,未承受过学历教育,凭仗吃苦自学和勤劳才智在电磁学和化学等范畴做出了杰出奉献。他为人质朴,不图功利,不光抛弃有丰盛酬劳的商业性作业,还谢绝了英国皇家学会会长职位和爵士封号,以布衣身份终生在皇家学院试验室作业,只为探求科学真理。

法拉第(Michael Faraday)| 图片来历:Wikipedia

1837年,法拉第引入了电场和磁场的概念,指出电和磁的周围都有场的存在,这打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。1838年,他提出了电力线这一新概念来解说电、磁现象,这是物理学理论上的一次严重突破。1843年,法拉第用有名的“冰桶试验”,证明了电荷守恒规律。1845年,他发现了“磁光效应”,用试验证明了光和磁的彼此作用,为电、磁和光的一致理论奠定了根底。法拉第和他的前辈相同,研讨电和磁是为了了解天然,是为了追求真理,而不是有用。

十九世纪50年代的一天,新就任的财务大臣格莱斯顿[11]到英国皇家学院听法拉第的电磁学演说,临走时他问道:“但是法拉利先生,这终究有什么用呢?”法拉第答复:“部长先生,说不定过不了多久,你可以收它的税呢!”几十年后,电果然成了有用的东西,英国政府果然收起电税来。[12]

科学家法拉第和政治家格莱斯顿其时恐怕幻想不到,一百多年后,由电磁学展开出来的技能运用,还让政府收了一大笔数额愈加可观的“税”——便是上文提到的无线电频谱资源运用费。

结语

确实,理论研讨是运用和开发的条件,假如没有理论做为根底,就没有后边的技能完成、工程运用、商场转化和价值分配了。1864年,麦克斯韦从理论上猜测了电磁波和电磁场的存在,核算推导出电磁波与光具有相同的速度。这些预言在20多年后被赫兹的试验完美证明,赫兹验证了真理,却没有想着去运用。又过了20年,马可尼和波波夫们才开端真实地把无线电用起来。到了20世纪末,无线电频谱资源的商场化分配及其经济价值的表现,也由科斯规律作为理论根底,在几十年前预见了。无线电便是这样一步步走来的。期望诸位能愈加注重根底理论研讨,经过返朴于厚实的根底理论,往往能引导出不穷的立异实践。

人类对火的知道、运用和把握,是知道和改造天然的第一次实践,人类从此告别了茹毛饮血的蒙昧年代,拉开了文明的前奏。关于无线电波和电磁场这种看不见摸不着的特别物质,从其孕育(理论预见),到出世落地(试验证明),再到健壮成年(广泛运用),历经几代人百余年的薪火相传,现在已燃就熊熊大火。咱们不得不说,这是人类知道和改造天然的又一次巨大腾跃!

文末,引荐《返朴》今天三条文章给我们——《麦克斯韦方程进化史》(The Long Road to Maxwell’s Equations), 作者詹姆斯·劳提奥(James C. Rautio)是Sonnet Software公司的创始人,这篇文章对电磁学做了愈加深化和详细的介绍。我刊总编辑文小刚教授也曾于2016年4月引荐此文。

注释及参考文献

[1] 2013年1月14日,联合国大会同意联合国教科文安排的提议,将2月13日(联合国电台于1946年这一天建立)作为国际无线电日。

[2]根据《中华人民共和国无线电频率区分规则》(2018年版)1.1.4 无线电波是指频率规则在3000GHz以下,不必人工波导而在空间传达的电磁波。

[3]龙卫球,夏春丽,《无线电法国别研讨》,法令出书社,2014年8月第一版,P2

[4] 国际电信联盟(International Telecommunication Union,简称ITU,国际电联)其前身为国际电报条约安排,是联合国安排中前史最长的一个国际安排。

[5] The Federal Communications Commission Journal of Law and Economics 2 (October 1959): 1-40

[6] 杨伟峰,《无线电频谱资源的巨大价值》,《无线电》杂志,人民邮电出书社,2019年5月刊,P61

[7]刘博杰,李艳平,《马可尼1933 年的我国之行》,广西民族大学学报,2008年8月

[8]普林斯顿高级研讨院(Institute for Advanced Study),简称IAS,1930年建立于美国新泽西州普林斯顿市,是国际闻名理论研讨安排,但并不是普林斯顿大学的一部分。普林斯顿高级研讨院是各个范畴的最一流学者做最朴实的顶级研讨,而不受任何教育使命、科研资金或许赞助商压力的研讨安排。前期闻名学者有爱因斯坦、冯·诺依曼、哥德尔、奥本海默。

[9] Abraham Flexner:1939.“The Usefulness of Useless Knowledge”. Harper's Magazine.

[10] 许良英等译:《爱因斯坦文集》第一卷,商务印书馆,1976年,P292

[11]格莱斯顿是英国闻名的政治家,1853年任财务大臣,这以后曾四次出任英国首相。格莱斯顿是美国总统伍德罗·威尔逊的偶像,被学者排名为最巨大的英国首相之一。

[12]秦关根著:《法拉第》,我国青年出书社,2010年,P286

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原标题:《从「无用」的理论到「有用」的技能,无线电是怎样成为文明标志的?|无线电日专稿》

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