從「無用」的理論到「有用」的技術，無線電是怎樣成為文明標誌的？_風聞

在信息化時代，地球被無線電的海洋包圍着，現代人居於其中，但經常“用而不知”，其背後的理論研究，以及後人加以應用和開發的眼光，共同構成了20世紀的文明之光。

撰文 | 流熵

今天（2月13日）是世界無線電日**[1****]**。無線電在如今已深入我們生活的每一個角落，但大多數人對它“用而不知”。除了我們熟知的廣播、對講機、手機、WIFI、藍牙運用了無線電，很多人不知道的是，身份證、公交卡、銀行卡，這些卡片也運用了無線電技術。它們用到了基於無線電原理的射頻識別 (RFID, Radio Frequency Identification) 和近場通信 (NFC, Near Field Communication) 技術。每刷一次卡，就是一次無線電通信的過程。此外，飛機、輪船和高鐵也離不開無線電。不管航天器飛出地球多遠，通過無線電就能對它進行控制和通信。利用射電天文望遠鏡甚至可以接收到宇宙邊緣的信息！

掐指算來，無線電技術誕生至今已有120多年，培育了眾多的產業形態，深刻改變了人類的生活方式，拓展了人類的科學視野，成為20世紀文明的標誌之一。而無線電通信技術的代表性先驅、意大利人馬可尼（Guglielmo Marconi，1874-1937）也因此被世人敬仰，並獲得了諾貝爾物理學獎。然而，美國一位著名教育家卻説：“無論我們從廣播獲得怎樣的快樂，無論無線電和廣播為人類生活帶來了什麼，馬可尼的貢獻幾乎可以忽略不計。”這話從何説起呢？

無線電到底是什麼？怎麼用？

我們先來看看無線電究竟是什麼？

説到底，無線電是一種利用電磁波傳遞信息或能量的技術，由於擺脱了導線的束縛，被叫做無線電。它以非接觸的形式，傳遞信息和能量，幫助人們突破了距離的阻隔。只要有無線電信號，多遠的距離都可以溝通聯絡。航天探測器的信號收發原理和我們的手機是一樣的：都是在發射端由電磁振盪產生無線電波，在接收端通過天線耦合到無線電波的能量，繼而轉為電路信號再進行分析處理。

電磁波速度公式和示意圖

電磁波是由電和磁的相互感應產生的，速度為光速，大約是每秒30萬千米，等於頻率和波長的乘積。電磁波波長越短，頻率越高，能量越強。電磁波的來源分兩種：一種是天然的，比如雷電、太陽和宇宙射線；一種是人工的，比如高壓電線、雷達、廣播和WIFI。電磁波按頻率從低到高，可分為無線電波（它波長最長）、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線（它波長最短，能量最強）。無線電波的頻率在3000GHz以內**[2****]**，所以，它是電磁波大家族中的一員。

電磁波譜大家族

除了利用無線電波的波動特性來傳遞信息，人們還可以利用無線電波的反射特性實現目標探測，比如雷達、遙測遙感和導航。無線電波還具有傳輸能量的特性，利用它造出微波爐、電磁爐等設備加熱物體。綜合利用無線電波的這些特性，人們研製出各種各樣的醫療器械來診療疾病。

鵲橋號中繼星為嫦娥四號和玉兔二號提供無線電信號的中繼服務

如今，在我們的信息化時代，可以説地球是被無線電的海洋包圍着。無線電鋪天蓋地的實際應用，我們就不過多枚舉了，無線電技術的一切原理都可由麥克斯韋方程推演而來。

無線電頻譜：看不見摸不到的珍稀資源

如果把信息比作貨物，無線電波就是運貨的汽車，那麼無線電頻譜在移動通信中就是信息運送的公路。就像開車要各行其道一樣，不同的無線電業務，要使用不同的頻率。把頻率按高低順序，像樂譜一樣排列起來，就是無線電頻譜，它是實現移動通信不可或缺的核心資源。無線電頻譜作為一種特殊的自然資源，具有重大的經濟、社會和戰略價值，是人類近百年來新發現的一座巨大寶藏。

和石油、水、礦產、森林等自然資源不同，無線電頻譜資源不會被消耗掉。人們用它或不用它，它都在那裏，不增不減，不生不滅。但在特定的技術條件下，頻譜資源的可用範圍是有限的。在一定的區域、時間和頻域內，某段頻率一旦被使用，其他設備便不能再用，否則就會產生干擾。所以，對其科學利用就能獲得價值。若閒置不用，就會造成浪費。

無線電頻譜資源雖然由人類共享，但對於一個主權國家來説，卻是屬於國家所有的稀缺戰略資源和經濟資源，其開發利用關係到國民經濟和社會發展，也關係到國家主權和安全，在國內應由專門的政府機關進行分配和管理**[3****]。在國際上，世界各國須依據國際電信聯盟[4****]**制定的《無線電規則》（Radio Regulation）實施無線電頻譜資源的規劃和管理。

無線電管理部門依據頻率劃分規定及劃分圖為各行各業劃分頻率

諾貝爾經濟學獎得主，“頻率政策改革之父”——科斯（Ronald H. Coase，1910-2013年），在大學任教期間通過對無線電等公共資源分配方式的研究，於1959年發表了《聯邦通訊委員會》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：產權是市場交換的前提。“科斯定律”為無線電頻譜的市場化交易，打下了理論基礎。

“頻率政策改革之父”——科斯

隨着移動通信的興起，無線電頻譜資源變得十分搶手。1989年，新西蘭首次對無線電頻譜實行了拍賣。1994年，美國進行了第一次無線電頻譜拍賣。隨後，眾多歐美國家也開始對無線電頻譜的市場化分配進行了嘗試，全球電信產業隨之進入了一個新的發展階段，各類無線業務更加便捷、深入地服務於大眾。

2000年，德國的第三代移動通信頻譜單筆拍賣成交價高達510億歐元。在1994年至2015年間，美國共組織了96場頻譜拍賣。其中2015年的拍賣，為美國政府帶來了450億美元的淨收入。

無線電頻譜當然也給我國帶來了巨大的經濟增長。相關機構通過研究國內1999至2005年生產要素對經濟增長的貢獻率，測算得出當時頻譜資源的貢獻率為4.61%，已經超過了人力資本對經濟增長的貢獻率**[6****]**。然而，我國政府並沒有狠抽頻譜資源的税，大大降低了我國三大移動通信運營商的成本，這也是國內的手機信號覆蓋遠遠優於歐美國家的主要原因之一。很多歐美國家的通信網還沒有開始建設，運營商就因為獲得頻譜資源而背上了鉅額債務。

馬可尼：無線電通信技術的先驅

無線電遠距離通信的成功是20世紀文明的標誌之一，它讓世界的距離前所未有地縮小了。橫越大西洋的無線電通信的成功，則被歷史學家看成具有世界歷史意義的技術事件，而馬可尼正是無線電通信技術的代表性先驅。

馬可尼出生在意大利博洛尼亞一個富有的家庭。他雖沒有接受完整的學歷教育，但接受了良好的家庭教育。家裏不但設有私人圖書館和實驗室，在他十幾歲時，更是聘請到博洛尼亞大學的物理學教授奧古斯托·裏吉（Augusto Righi）當家庭教師。

馬可尼（Guglielmo Marconi）| 圖片來源：Wikipedia

德國物理學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）在1886至1889年間用實驗證實了電磁波的存在。赫茲發現的電磁波引起了馬可尼的興趣。1895年馬可尼在家中開始了實驗，實現了無線電波的發送與接收，並逐漸把收發距離擴大。但是向意大利政府請求資助未果，於是馬可尼和母親去英國尋求機會。

1896年2月，馬可尼到了倫敦，並幸運地得到了英國郵政局總工程師威廉·普利斯(William Preece)的賞識與幫助。他在英國持續實驗，改進了裝備的性能，擴大了傳輸的有效範圍，大大增強了通訊的應用價值，並得到了英國海軍和陸軍部門的關注和支持，為他在次年成立公司打下了基礎。

1899年3月，馬可尼首次跨域英吉利海峽，完成了英國與法國之間國際性的無線電通信。1901年12月12日，馬可尼成功地用摩爾斯電碼傳輸無線電信號，把字母“S” （摩斯碼為“嘀-嘀-嘀”）從英國康沃爾郡的波特休發送到加拿大紐芬蘭的聖約翰斯，首次跨越了大西洋，距離遠達2100英里（3381km），轟動了世界。1907年10月，馬可尼進一步開闢了英國和加拿大之間橫跨大西洋的商業無線電報通訊業務。

馬可尼建造的第一個無線電發射器，可以通過摩爾斯電碼傳輸無線電信號。

1909年，因對無線電報發展所做的貢獻，馬可尼和德國物理學家布勞恩（Karl Braun，1850-1918）分享了當年的諾貝爾物理學獎。

1914年，第一次世界大戰爆發後，馬可尼回到意大利為軍隊效力，1916年升任海軍司令部中校。從這一年起，馬可尼開始了波長10米以下的無線電技術研究，從而奠定了現代遠距離無線電通信的基礎。1919年，馬可尼在中國上海設立公司，經營電子管、整流器及其他無線電產品。

1922年，馬可尼的公司做為出資方之一，參與組建了英國廣播公司，即BBC。

1929年，馬可尼被封為侯爵，擔任意大利皇家學院院長。

1933年，馬可尼在其全球旅行途中曾到訪中國，所到之處受到軍政界與學術團體的熱烈歡迎。[7****]

1937年7月20日，馬可尼因心臟病在羅馬去世，意大利政府為他舉行了國葬。

值得一提的是，幾乎和馬可尼同時開展無線電應用的還有波波夫（Александр Степанович Попов，1859-1906）、特斯拉（Nikola Tesla，1856-1943）和洛奇（Oliver Joseph Lodge，1851-1940）等人。

從無用的理論到有用的無線電

上世紀20年代的一天，美國著名教育家弗萊克斯納 (Abraham Flexner，1866-1959) 遇到了七十多歲的老紳士伊士曼 (George Eastman，1854-1932)，後者是舉世公認的大眾攝影之父、柯達公司創始人。那時，伊士曼正準備把畢生積蓄的一大部分投入到美國高等教育事業，用於推動“有用學科”的發展。

弗萊克斯納問伊士曼：“在您心目中，誰是當今最‘有用’的科學家呢？”

伊士曼不假思索地説：“馬可尼。”在伊士曼看來，馬可尼的發明從根本上改變了人類的溝通方式，推動了整個人類文明的發展。

沒想到的是，弗萊克斯納卻語出驚人：“親愛的伊士曼先生，在我看來，無論我們從廣播獲得怎樣的快樂，無論無線電和廣播為人類生活帶來了什麼，馬可尼的貢獻幾乎可以忽略不計。”

面對老紳士震驚的目光，這位普林斯頓高等研究院**[8****]的創始人解釋道：“伊士曼先生，馬可尼的出現是必然的，因為在此之前，已經有一位巨人為無線電的發明默默鋪好了所有台階，只待有人登上台階去摘取桂冠，此人就是麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）”。正是他在1865年對電磁場展開了數學研究，並在1873年出版了《論電和磁》。[9****]**

麥克斯韋（James Clerk Maxwell）| 圖片來源：Wikipedia

1931年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）在紀念麥克斯韋誕辰100週年的慶典中，提出了“麥氏綱領”：用場來描述物理實在，用偏微分方程來解釋場，經典的場理論應當作為量子法則的出發點，沒有它就沒有量子論。正是麥克斯韋的這些思想，啓發了愛因斯坦的靈感。[10****]

與弗萊克斯納這段著名的“有用和無用之論”相似，還有個故事值得一提。

誠然，麥克斯韋是電磁場理論的提出者和集大成者，為人類理解自然界做出了無以倫比的貢獻，而他的理論研究是建立在法拉第（Michael Faraday，1791-1867）的基礎之上。

法拉第家境貧寒，未接受過學歷教育，憑藉刻苦自學和勤勞智慧在電磁學和化學等領域做出了傑出貢獻。他為人質樸，不圖名利，不但放棄有豐厚報酬的商業性工作，還謝絕了英國皇家學會會長職位和爵士封號，以平民身份終生在皇家學院實驗室工作，只為探究科學真理。

法拉第（Michael Faraday）| 圖片來源：Wikipedia

1837年，法拉第引入了電場和磁場的概念，指出電和磁的周圍都有場的存在，這打破了牛頓力學“超距作用”的傳統觀念。1838年，他提出了電力線這一新概念來解釋電、磁現象，這是物理學理論上的一次重大突破。1843年，法拉第用有名的“冰桶實驗”，證明了電荷守恆定律。1845年，他發現了“磁光效應”，用實驗證實了光和磁的相互作用，為電、磁和光的統一理論奠定了基礎。法拉第和他的先輩一樣，研究電和磁是為了瞭解自然，是為了追求真理，而不是實用。

十九世紀50年代的一天，新上任的財政大臣格萊斯頓(William Ewart Gladstone 1809-1898)[11****]到英國皇家學院聽法拉第的電磁學講演，臨走時他問道：“可是法拉利先生，這到底有什麼用呢？”法拉第回答：“部長先生，説不定過不了多久，你能夠收它的税呢！”幾十年後，電果真成了實用的東西，英國政府果真收起電税來。[12****]

科學家法拉第和政治家格萊斯頓當時恐怕想象不到，一百多年後，由電磁學發展出來的技術應用，還讓政府收了一大筆數額更加可觀的“税”——就是上文説到的無線電頻譜資源使用費。

結語

的確，理論研究是應用和開發的前提，如果沒有理論做為基礎，就沒有後面的技術實現、工程應用、市場轉化和價值分配了。1864年，麥克斯韋從理論上預測了電磁波和電磁場的存在，計算推導出電磁波與光具有同樣的速度。這些預言在20多年後被赫茲的實驗完美證明，赫茲驗證了真理，卻沒有想着去應用。又過了20年，馬可尼和波波夫們才開始真正地把無線電用起來。到了20世紀末，無線電頻譜資源的市場化分配及其經濟價值的體現，也由科斯定律作為理論基礎，在幾十年前預見了。無線電就是這樣一步步走來的。希望諸位能更加重視基礎理論研究，通過返樸於紮實的基礎理論，往往能引導出不窮的創新實踐。

人類對火的認識、使用和掌握，是認識和改造自然的第一次實踐，人類從此告別了茹毛飲血的矇昧時代，拉開了文明的序幕。對於無線電波和電磁場這種看不見摸不着的特殊物質，從其孕育（理論預見），到出生落地（實驗證實），再到茁壯成年（廣泛應用），歷經幾代人百餘年的薪火相傳，如今已燃就熊熊大火。我們不得不説，這是人類認識和改造自然的又一次巨大飛躍！

文末，推薦《返樸》今日三條文章給大家——《麥克斯韋方程進化史》（The Long Road to Maxwell’s Equations）, 作者詹姆斯·勞提奧（James C. Rautio）是Sonnet Software公司的創始人，這篇文章對電磁學做了更加深入和具體的介紹。我刊總編輯文小剛教授也曾於2016年4月推薦此文。

註釋及參考文獻

[1] 2013年1月14日，聯合國大會批准聯合國教科文組織的提議，將2月13日（聯合國電台於1946年這一天成立）作為世界無線電日。

[2]依據《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》（2018年版）1.1.4 無線電波是指頻率規定在3000GHz以下，不用人造波導而在空間傳播的電磁波。

[3]龍衞球，夏春麗，《無線電法國別研究》，法律出版社，2014年8月第一版，P2

[4] 國際電信聯盟（International Telecommunication Union，簡稱ITU，國際電聯）其前身為國際電報公約組織，是聯合國機構中歷史最長的一個國際組織。

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

[6] 楊偉峯，《無線電頻譜資源的巨大價值》，《無線電》雜誌，人民郵電出版社，2019年5月刊，P61

[7]劉博傑，李豔平，《馬可尼1933 年的中國之行》，廣西民族大學學報( 自然科學版)，2008年8月

[8]普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study），簡稱IAS，1930年成立於美國新澤西州普林斯頓市，是世界著名理論研究機構，但並不是普林斯頓大學的一部分。普林斯頓高等研究院是各個領域的最一流學者做最純粹的尖端研究，而不受任何教學任務、科研資金或者贊助商壓力的研究機構。早期著名學者有愛因斯坦、馮·諾依曼、哥德爾、奧本海默。

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

[10] 許良英等譯：《愛因斯坦文集》第一卷，商務印書館，1976年，P292

[11]格萊斯頓是英國著名的政治家，1853年任財政大臣，其後曾四次出任英國首相。格萊斯頓是美國總統伍德羅·威爾遜的偶像，被學者排名為最偉大的英國首相之一。

[12]秦關根著：《法拉第》，中國青年出版社，2010年，P286

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權説明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯繫後台。

相關閲讀

1  天才般的直覺：法拉第怎麼發現電磁感應的？| 展卷

2  見證奇蹟的時刻：如何從麥克斯韋方程組推出電磁波？| 眾妙之門

3  新技術帶來新物理：超導-鐵磁絕緣態相變的電場調控（附文小剛導讀）| 眾妙之門 

4  最美公式：你也能懂的麥克斯韋方程組（微分篇）| 眾妙之門

5  最美公式：你也能懂的麥克斯韋方程組（積分篇）| 眾妙之門