无线电与电磁波:通讯的基石
一场跨洋的专利之争,谁才是无线电真正的发明者?

几千年乃至上万年的人类文明中,人和人的通讯一直是制约文明发展的重要因素。尤其是在“交通基本靠走,通讯基本靠吼的年代”,远距离通信的效率和可靠性都得不到保证,“八百里加急”已是那个时代能想到的最快通信方式。饶是如此,长距离通信的时间还是以天来计算的。

18到19世纪的工业革命使得人类的远距离交通得到了革命化的进步。蒸汽轮船,铁路和汽车的出现缩短了人们长距离出行的时间。

马可尼和他的无线电收发报机合影

19世纪60到70年代,英国物理学家麦克斯韦建立了麦克斯韦方程,在这个方程里,麦克斯韦预言了电磁波的存在,并阐明光是电磁波的一种形式。有趣的是,他本人却不能通过实验“证明电磁波确实是存在的”。

这场关于电磁波的接力赛,下一个接棒选手落到了德国物理学家赫兹头上。1887年,赫兹首次用实验证明了电磁波确实存在,并在次年发表了相关论文。在赫兹本人的实验装置中,无线电波的发射装置和接收装置之间相隔很近,通过这个实验装置,赫兹证实了麦克斯韦所说的电磁波确实存在,并说电磁波是以光波速度前进,可以穿透真空、空气、液体和固体。但是,连赫兹本人也表示:“看不出这样的电磁波有任何实际的用途”。

麦克斯韦方程描述的电磁波图示
德国物理学家赫兹,他第一个通过实验证明了电磁波的存在

事实证明,新发现及其应用也可以是完全不同的两回事。赫兹证明了电磁波却不知道怎么使用,而一位来自意大利的年轻人却发现了应用的奥秘。

赫兹的论文被发表后,马可尼在无意中读到了它,然后凭直觉认为,电磁波可以作为传递信息之用。有了想法还只是空中楼阁,他决定通过实验数据来证明电磁波的实用价值。

首先,马可尼先按照赫兹论文中的描述重复了一遍证明电磁波存在的实验,并对赫兹的实验装置进行改良,制成了原始的收发报机。然后,再针对这款收发机进行不断改进,将通信距离增加到隔壁房间,再从楼上到楼下。他甚至直接将这台电报机与莫尔斯电码打印机相连,发现竟然能够将收到的讯息打印出来。

最后,为了验证传递距离到底有多远。马可尼将接收机移至室外,他在阁楼上发,他二哥阿方索则在外面收。然后,测试的距离越来越远,只能打旗号表示收到信号,后来距离远至隔一小山,QSL(收信证实)只得用枪声来表示。

赫兹所用的实验装置,马可尼经过改良之后就变成了无线电最原始的收发报机

不过此时,马可尼也发现自己实验的接收机灵敏度不够。于是,他放弃了先前实验中的线圈,用新发明的“凝聚检波器”代替,改进后的接收器,灵敏度大增。接下来,他又开始寻找接收无线电波效果更好的材料,最终用一根接地的金属线作为接收器,这根“接地的金属线”,就是如今我们熟知的天线起源。

有了巨大的发明成果,普通人的第一反应都是造福祖国,马可尼也是如此。但是,意大利政府给他泼了一盆冷水。当马可尼准备将自己的发明在意大利深入开展下去时,意大利政府对此完全不感兴趣。无奈之下,马可尼只好换一个山头,他跑到了英国继续搞自己的无线电事业。尝到工业革命甜头的英国人对此非常感兴趣,马可尼顺势便在英国将无线电通信注册专利,并成立了马可尼公司,准备大干一场。

马可尼看准了一个时机:在19世纪末20世纪初,跨大西洋电报电缆竞争非常激烈,想要打出名头,他准备研究出一种能穿越大西洋发出信号的方法。

1901年12月12日,马可尼在纽芬兰圣约翰市利用了一根由风筝牵引的长达500英尺(150米)天线,接收到了位于英格兰康沃尔郡波尔图的高功率站发送的信号。第二年的12月17日,新斯科舍省格莱斯湾的马可尼传输站发出了信号,让加拿大成为世界上第一个从北美发出无线电信号,跨越大西洋的国家。

经过多次成功的实验后,1904年,马可尼建立了一个商业服务机构。专门向跨越大西洋的航船提供无线电信号收发服务,此外,无线电信号里还会有新闻摘要等信息。自此,无线电的商业化取得了成功。

不过,“谁是第一个发明无线电的人”的争议又甚嚣尘上。有人认为是美国人尼古拉·特斯拉,因为他在1893年展示过无线电装置;

1895年5月7日他在彼得堡物理和化学协会物理学部年会上演示了他制成的一架无线电接收装置-雷电指示器,俄罗斯人认为他才是无线电的发明人。但无可争议的是,马可尼是第一个将无线电实用化并取得商业成功的人,他也被作为“无线电之父”而被永远铭记。

马可尼在实验跨大西洋无线电通信时,使用风筝拉起电缆。

无线电的运用使世界发生了天翻地覆的改变,即时不依赖电缆的通信成为可能。

1905年的日俄战争中,日本海军装备的马可尼公司无线电收发报机,在协同作战中占尽优势,最终在对马海战中战胜了俄国舰队;

1912年泰坦尼克号船难中,通过无线电发布的CQD信号被北大西洋的其余船只收到,这是泰坦尼克号船难幸存者得以获救的关键。

泰坦尼克号船难时发布的CQD信号被沿途的船只截获

如今,无线电的应用已深入我们生活的每一个角落,但大多数人对它“用而不知”。

除了我们熟知的广播、对讲机、手机、WIFI、蓝牙运用了无线电,很多人不知道的是,身份证、公交卡、银行卡,这些卡片也运用了无线电技术。它们用到了基于无线电原理的射频识别 (RFID, Radio Frequency Identification) 和近场通信 (NFC, Near Field Communication) 技术。每刷一次卡,就是一次无线电通信的过程。此外,飞机、轮船和高铁也离不开无线电。不管航天器飞出地球多远,通过无线电就能对它进行控制和通信。利用射电天文望远镜甚至可以接收到宇宙边缘的信息!

而无线电技术诞生至今已有120多年,培育了众多的产业形态,深刻改变了人类的生活方式,拓展了人类的科学视野,成为20世纪文明的标志之一。

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