无线电是怎样成为文明标志的?

 

《无线电是怎样成为文明标志的?》

 

本文来自:返朴(ID:fanpu2019),作者:流熵

 

今天(2月13日)是世界无线电日[1]

 

无线电在如今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、Wi-Fi、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。

 

掐指算来,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。而无线电通信技术的代表性先驱、意大利人马可尼(Guglielmo Marconi,1874-1937)也因此被世人敬仰,并获得了诺贝尔物理学奖。然而,美国一位著名教育家却说:“无论我们从广播获得怎样的快乐,无论无线电和广播为人类生活带来了什么,马可尼的贡献几乎可以忽略不计。”这话从何说起呢?

 

无线电到底是什么,怎么用?

 

我们先来看看无线电究竟是什么?

 

说到底,无线电是一种利用电磁波传递信息或能量的技术,由于摆脱了导线的束缚,被叫做无线电。它以非接触的形式,传递信息和能量,帮助人们突破了距离的阻隔。只要有无线电信号,多远的距离都可以沟通联络。航天探测器的信号收发原理和我们的手机是一样的:都是在发射端由电磁振荡产生无线电波,在接收端通过天线耦合到无线电波的能量,继而转为电路信号再进行分析处理。

 

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电磁波速度公式和示意图

 

电磁波是由电和磁的相互感应产生的,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。电磁波的来源分两种:一种是天然的,比如雷电、太阳和宇宙射线;一种是人工的,比如高压电线、雷达、广播和Wi-Fi。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,它是电磁波大家族中的一员。

 

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电磁波谱大家族

 

除了利用无线电波的波动特性来传递信息,人们还可以利用无线电波的反射特性实现目标探测,比如雷达、遥测遥感和导航。无线电波还具有传输能量的特性,利用它造出微波炉、电磁炉等设备加热物体。综合利用无线电波的这些特性,人们研制出各种各样的医疗器械来诊疗疾病。

 

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鹊桥号中继星为嫦娥四号和玉兔二号提供无线电信号的中继服务

 

如今,在我们的信息化时代,可以说地球是被无线电的海洋包围着。无线电铺天盖地的实际应用,我们就不过多枚举了,无线电技术的一切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

 

如果把信息比作货物,无线电波就是运货的汽车,那么无线电频谱在移动通信中就是信息运送的公路。就像开车要各行其道一样,不同的无线电业务,要使用不同的频率。把频率按高低顺序,像乐谱一样排列起来,就是无线电频谱,它是实现移动通信不可或缺的核心资源。无线电频谱作为一种特殊的自然资源,具有重大的经济、社会和战略价值,是人类近百年来新发现的一座巨大宝藏。

 

和石油、水、矿产、森林等自然资源不同,无线电频谱资源不会被消耗掉。人们用它或不用它,它都在那里,不增不减,不生不灭。但在特定的技术条件下,频谱资源的可用范围是有限的。在一定的区域、时间和频域内,某段频率一旦被使用,其他设备便不能再用,否则就会产生干扰。所以,对其科学利用就能获得价值。若闲置不用,就会造成浪费。

 

无线电频谱资源虽然由人类共享,但对于一个主权国家来说,却是属于国家所有的稀缺战略资源和经济资源,其开发利用关系到国民经济和社会发展,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管理[3]。在国际上,世界各国须依据国际电信联盟[4]制定的《无线电规则》(Radio Regulation)实施无线电频谱资源的规划和管理。

 

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无线电管理部门依据频率划分规定及划分图为各行各业划分频率

 

诺贝尔经济学奖得主,“频率政策改革之父”——科斯(Ronald H. Coase,1910-2013年),在大学任教期间通过对无线电等公共资源分配方式的研究,于1959年发表了《联邦通讯委员会》一文[5]。同年,他提出了大名鼎鼎的“科斯定律”。其核心思想就是:产权是市场交换的前提“科斯定律”为无线电频谱的市场化交易,打下了理论基础。

 

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“频率政策改革之父”——科斯

 

随着移动通信的兴起,无线电频谱资源变得十分抢手。1989年,新西兰首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,众多欧美国家也开始对无线电频谱的市场化分配进行了尝试,全球电信产业随之进入了一个新的发展阶段,各类无线业务更加便捷、深入地服务于大众。

 

2000年,德国的第三代移动通信频谱单笔拍卖成交价高达510亿欧元。在1994年至2015年间,美国共组织了96场频谱拍卖。其中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长。相关机构通过研究国内1999至2005年生产要素对经济增长的贡献率,测算得出当时频谱资源的贡献率为4.61%,已经超过了人力资本对经济增长的贡献率[6]。然而,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信运营商的成本,这也是国内的手机信号覆盖远远优于欧美国家的主要原因之一。很多欧美国家的通信网还没有开始建设,运营商就因为获得频谱资源而背上了巨额债务。

马可尼:无线电通信技术的先驱

 

无线电远距离通信的成功是20世纪文明的标志之一,它让世界的距离前所未有地缩小了。横越大西洋的无线电通信的成功,则被历史学家看成具有世界历史意义的技术事件,而马可尼正是无线电通信技术的代表性先驱。

 

马可尼出生在意大利博洛尼亚一个富有的家庭。他虽没有接受完整的学历教育,但接受了良好的家庭教育。家里不但设有私人图书馆和实验室,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。

 

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

 

德国物理学家赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)在1886至1889年间用实验证实了电磁波的存在。赫兹发现的电磁波引起了马可尼的兴趣。1895年马可尼在家中开始了实验,实现了无线电波的发送与接收,并逐渐把收发距离扩大。但是向意大利政府请求资助未果,于是马可尼和母亲去英国寻求机会。

 

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(William Preece)的赏识与帮助。他在英国持续实验,改进了装备的性能,扩大了传输的有效范围,大大增强了通讯的应用价值,并得到了英国海军和陆军部门的关注和支持,为他在次年成立公司打下了基础。

 

1899年3月,马可尼首次跨域英吉利海峡,完成了英国与法国之间国际性的无线电通信。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,首次跨越了大西洋,距离远达2100英里(3381km),轰动了世界。1907年10月,马可尼进一步开辟了英国和加拿大之间横跨大西洋的商业无线电报通讯业务。

 

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马可尼建造的第一个无线电发射器,可以通过摩尔斯电码传输无线电信号。

 

1909年,因对无线电报发展所做的贡献,马可尼和德国物理学家布劳恩(Karl Braun,1850-1918)分享了当年的诺贝尔物理学奖。

 

1914年,第一次世界大战爆发后,马可尼回到意大利为军队效力,1916年升任海军司令部中校。从这一年起,马可尼开始了波长10米以下的无线电技术研究,从而奠定了现代远距离无线电通信的基础。1919年,马可尼在中国上海设立公司,经营电子管、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与组建了英国广播公司,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,马可尼在其全球旅行途中曾到访中国,所到之处受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去世,意大利政府为他举行了国葬。

 

值得一提的是,几乎和马可尼同时开展无线电应用的还有波波夫(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,美国著名教育家弗莱克斯纳 (Abraham Flexner,1866-1959) 遇到了七十多岁的老绅士伊士曼 (George Eastman,1854-1932),后者是举世公认的大众摄影之父、柯达公司创始人。那时,伊士曼正准备把毕生积蓄的一大部分投入到美国高等教育事业,用于推动“有用学科”的发展。

 

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?”

 

伊士曼不假思索地说:“马可尼。”在伊士曼看来,马可尼的发明从根本上改变了人类的沟通方式,推动了整个人类文明的发展。

 

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,无论我们从广播获得怎样的快乐,无论无线电和广播为人类生活带来了什么,马可尼的贡献几乎可以忽略不计。”

 

面对老绅士震惊的目光,这位普林斯顿高等研究院[8]的创始人解释道:“伊士曼先生,马可尼的出现是必然的,因为在此之前,已经有一位巨人为无线电的发明默默铺好了所有台阶,只待有人登上台阶去摘取桂冠,此人就是麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879)”。正是他在1865年对电磁场展开了数学研究,并在1873年出版了《论电和磁》。[9]

 

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

 

1931年,爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)在纪念麦克斯韦诞辰100周年的庆典中,提出了“麦氏纲领”:用场来描述物理实在,用偏微分方程来解释场,经典的场理论应当作为量子法则的出发点,没有它就没有量子论。正是麦克斯韦的这些思想,启发了爱因斯坦的灵感。[10]

 

与弗莱克斯纳这段著名的“有用和无用之论”相似,还有个故事值得一提。

 

诚然,麦克斯韦是电磁场理论的提出者和集大成者,为人类理解自然界做出了无以伦比的贡献,而他的理论研究是建立在法拉第(Michael Faraday,1791-1867)的基础之上。

 

法拉第家境贫寒,未接受过学历教育,凭借刻苦自学和勤劳智慧在电磁学和化学等领域做出了杰出贡献。他为人质朴,不图名利,不但放弃有丰厚报酬的商业性工作,还谢绝了英国皇家学会会长职位和爵士封号,以平民身份终生在皇家学院实验室工作,只为探究科学真理。

 

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法拉第(Michael Faraday)| 图片来源: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释电、磁现象,这是物理学理论上的一次重大突破。1843年,法拉第用有名的“冰桶实验”,证明了电荷守恒定律。1845年,他发现了“磁光效应”,用实验证实了光和磁的相互作用,为电、磁和光的统一理论奠定了基础。法拉第和他的先辈一样,研究电和磁是为了了解自然,是为了追求真理,而不是实用。

 

十九世纪50年代的一天,新上任的财政大臣格莱斯顿(William Ewart Gladstone 1809-1898)[11]到英国皇家学院听法拉第的电磁学讲演,临走时他问道:“可是法拉利先生,这到底有什么用呢?”法拉第回答:“部长先生,说不定过不了多久,你能够收它的税呢!”几十年后,电果真成了实用的东西,英国政府果真收起电税来。[12]

 

科学家法拉第和政治家格莱斯顿当时恐怕想象不到,一百多年后,由电磁学发展出来的技术应用,还让政府收了一大笔数额更加可观的“税”——就是上文说到的无线电频谱资源使用费。

 

结语

 

的确,理论研究是应用和开发的前提,如果没有理论做为基础,就没有后面的技术实现、工程应用、市场转化和价值分配了。1864年,麦克斯韦从理论上预测了电磁波和电磁场的存在,计算推导出电磁波与光具有同样的速度。

 

这些预言在20多年后被赫兹的实验完美证明,赫兹验证了真理,却没有想着去应用。又过了20年,马可尼和波波夫们才开始真正地把无线电用起来。到了20世纪末,无线电频谱资源的市场化分配及其经济价值的体现,也由科斯定律作为理论基础,在几十年前预见了。无线电就是这样一步步走来的。希望诸位能更加重视基础理论研究,通过返朴于扎实的基础理论,往往能引导出不穷的创新实践。

 

人类对火的认识、使用和掌握,是认识和改造自然的第一次实践,人类从此告别了茹毛饮血的蒙昧时代,拉开了文明的序幕。对于无线电波和电磁场这种看不见摸不着的特殊物质,从其孕育(理论预见),到出生落地(实验证实),再到茁壮成年(广泛应用),历经几代人百余年的薪火相传,如今已燃就熊熊大火。我们不得不说,这是人类认识和改造自然的又一次巨大飞跃!

 

注释及参考文献:

[1] 2013年1月14日,联合国大会批准联合国教科文组织的提议,将2月13日(联合国电台于1946年这一天成立)作为世界无线电日。

[2]依据《中华人民共和国无线电频率划分规定》(2018年版)1.1.4 无线电波是指频率规定在3000GHz以下,不用人造波导而在空间传播的电磁波。

[3]龙卫球,夏春丽,《无线电法国别研究》,法律出版社,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)其前身为国际电报公约组织,是联合国机构中历史最长的一个国际组织。

[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,人民邮电出版社,2019年5月刊,P61

[7]刘博杰,李艳平,《马可尼1933 年的中国之行》,广西民族大学学报( 自然科学版),2008年8月

[8]普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study),简称IAS,1930年成立于美国新泽西州普林斯顿市,是世界著名理论研究机构,但并不是普林斯顿大学的一部分。普林斯顿高等研究院是各个领域的最一流学者做最纯粹的尖端研究,而不受任何教学任务、科研资金或者赞助商压力的研究机构。早期著名学者有爱因斯坦、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]格莱斯顿是英国著名的政治家,1853年任财政大臣,其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,被学者排名为最伟大的英国首相之一。

[12]秦关根著:《法拉第》,中国青年出版社,2010年,P286

 

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