无线电通信诞生记：赫兹证实电磁波存在

2012年2月22日，是德国物理学家赫兹诞辰155周年。赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，而有了电磁波，无线电通信才有了可能。

无线电通信还和许多发明家的名字联系在一起：马可尼、波波夫、弗莱铭……在今天的信息社会中，他们发明的意义随着时间的流逝而愈显珍贵。

给瞬间传递的电流“编码”，打开了人类信息传递的新思路

在讲这个无线电通信的故事之前，我们必须简略地回顾一下有线通信的历史。

信息的传递，是自古以来人类在生产生活中迫切需要解决的问题。人类通信的革命性变化，是从把电作为信息载体后发生的。

1729年，英国科学家史蒂芬·格雷发现，电能够从长铜线的一端传递到另一端，而且极为迅速几乎不需要时间。1753年2月17日，在《苏格兰人》杂志上发表了一封署名C·M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线传到与它相连接的小球时，便将挂在小球下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到了远距离传递信息的作用。

这个想法虽然并不成熟，但它确实指出了利用电流远距离迅速传递信息的可能性。

19世纪的前30年，人类的科学技术取得了许多重大进展。利用电流传递信息也成了很多人热心关注的问题，并提出了各种各样的解决方法。其中，美国画家莫尔斯提出的方案最终脱颖而出。

电报、电话，叩开远距离信息传递之门

1834年，莫尔斯发明了用电流的“通”和“断”来编制代表数字和字母的电码（即莫尔斯电码），同时在伙伴的帮助下于1837年制作成了莫尔斯电报机。1843年，莫尔斯经竭力争取，终于获得了3万美元的资助。他用这笔款修建成了从华盛顿到巴尔的摩的电报线路，全长64.4千米。1844年5月24日，在座无虚席的国会大厦里，莫尔斯用他那激动得有些颤抖的双手，操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报：“上帝创造了何等奇迹！”

电报传送的是符号。发送一份电报，得先将报文译成电码，再用电报机发送出去；在收报一方，要经过相反的过程，即将收到的电码译成报文，然后，送到收报人的手里。这不仅手续麻烦，而且也不能进行即时的双向信息交流。因此，人们开始探索一种能直接传送人类声音的通信方式，这就是现在无人不晓的“电话”。

在众多的电话发明家中，最有成就的要算是贝尔了。有一次，他在做电报实验时，偶然发现一块铁片在磁铁前振动而发出微弱的音响。这个声音通过导线传到了远处。这件事给了贝尔以很大的启发。他想，如果对着铁片讲话，让铁片振动，而在铁片后面放着绕有导线的磁铁，导线中的电流就会发生时大时小的变化；变化着的电流传到对方后，又驱动电磁铁前的铁片作同样的振动，不就可以把声音从一处传到另一处了吗？这就是当年贝尔制作电话机的最初构想。

1876年3月10日，贝尔在做实验时不小心把硫酸溅到自己的腿上，他疼痛地叫了起来：“沃森先生，快来帮我啊!”没有想到，这句话通过他实验中的电话，传到了在另一个房间工作的沃森先生的耳朵里。这句极普通的话，却不料成了人类第一句通过电话传送的话音而记入史册。

19世纪30年代和70年代，电报和电话的相继发明，使人类获得了远距离传送信息的重要手段。

电磁波的发现，让无线电通信成为了可能

当初，电信号都是通过金属线传送的。线路架设到哪里，信息也只能传到哪里，这就大大限制了信息的传播范围。

而就在这段时间里，一种新的可能承载信息的载体——电磁波，正在逐渐被人们发现。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，当金属导线中有电流通过时，放在它附近的磁针便会发生偏转。接着，学徒出身的英国物理学家法拉第明确指出，奥斯特的实验证明了“电能生磁”。他还通过艰苦的实验，发现了导线在磁场中运动时会有电流产生的现象，此即所谓的“电磁感应”现象。

麦克斯韦进一步用数学公式表达了法拉第等人的研究成果，并把电磁感应理论推广到了空间。他认为，在变化的磁场周围会产生变化的电场，在变化的电场周围又将产生变化的磁场，如此一层层地像水波一样推开去，便可把交替的电磁场传得很远。1864年，麦氏发表了电磁场理论，成为人类历史上预言电磁波存在的第一人。

在实验中证实电磁波存在的第一人是赫兹。赫兹按照麦克斯韦的理论，精心设计了“振荡偶极子”(最原始的无线电发射机)和“共振偶极子”(最原始的无线电接收机)。经过几年的努力，在1887年，赫兹应用上述方法，终于成功地探测到电磁波的存在——在离振荡偶极子3米远的地方，在共振偶极子的两个小铜球的隙缝中，观察到了跳跃的电火花。这种微弱的电火花证实了麦克斯韦所预言的电磁波的存在。

电磁波的存在被证实以后，很快就有人提出以电磁波而不是以导线为工具来传递信号的设想。然而，大多数人对此持否定意见，包括赫兹本人在内，他说：“若要利用电磁波进行不用导线的通信，得有一面和欧洲大陆面积差不多的巨型反射镜才行。”

传递比赛胜负，无线电通信第一次实际应用

然而，一些年轻的发明家，思想上没有那么多条条框框。他们很快投入到利用电磁波进行无线通信的探索之中。年轻的意大利发明家马可尼是其中的佼佼者。

赫兹发现电磁波的那年，马可尼才14岁。大学读书期间，受到他的老师奥古斯特·里奇的影响，马可尼对无线电进行了大胆的研究。马可尼不受权威偏见的束缚，立志把电磁波用于通信。他曾说：“当我利用赫兹波开始做第一批实验时，我简直不能想象，一些著名的科学家竟忽略了应用这些理论。”

马可尼在他父母的别墅顶层建立起无线电收发实验装置，专心地做起实验来。1894年的一天，马可尼把母亲请到实验室来，小长桌是他的实验台，上面摆着一台简陋的收发报装置。马可尼一按电钮，就从楼下的客厅里传来一阵铃声，而楼上和楼下并没有导线相连。这就是马可尼第一次实现无线电信号传送的情景。

为了把通信距离进一步扩大，马可尼不断开动脑筋。他将赫兹振荡器悬挂在高柱子上，并且在一端连接一块金属板做天线，在另一端连接一埋入地下的金属板做地线，他根据观察，得出了天线越高，装置的灵敏度也越高的结论。这样，早期的无线电天线就出现了。1895年夏天，马可尼在别墅的三楼实验室和2.7公里远处的山丘之间成功地实现了无线电报通信。

1896年，22岁的马可尼告别故乡，偕同父亲到达英国。在英国邮政部门的支持和帮助下，马可尼进行了多次无线电收发表演，还在公开场合做了10公里至20公里的无线电报通信演示，并获得了成功。

1897年，在伦敦成立了由英国政府代办的马可尼无线电报公司，马可尼亲自兼任董事长。有了资金的支持，马可尼开始把无线电通信向商业化发展。1898年，英国举行游艇赛，终点是距海岸20英里的海上。《都柏林快报》特聘马可尼用无线电传递消息，游艇一到终点，他便通过无线电波，使岸上的人们立即知道胜负结果，观众为之欣喜若狂。可以说，这是无线电通信的第一次实际应用。

1899年3月3日发生的意外事故，使人们认识到无线电通信的重要性。那天，一艘名为“东谷德文”的灯船不幸被一艘轮船撞毁下沉。呼救的无线电码向各邻近海岸和海港频频飞去。于是，救生艇纷纷奔赴出事地点，遇险的船员全部获救。

1899年10月，马可尼在怀特岛上播发了第一封收费电报。电码飞越英国和法国之间的英吉利海峡，通信距离达45公里。后来人们将这作为无线电诞生的标志。

事实上，无线电的发明者并不是马可尼一人。比如俄国同样只有二十几岁的波波夫，差不多和马可尼同时，也独立地完成了无线电报通信的发明。而对于无线电通信技术的贡献，更是集中了那个时代很多人的智慧。

直线传播的电磁波为何能绕过地球？

当时一些有名的学者断言，马可尼的跨越英吉利海峡的无线电报已接近无线电通信的极限距离了。理由是，电磁波和光线一样是直线传播的，而地球是圆的。根据地球的直径和天线高度，可以计算出无线电波只能在60公里左右的直视距离内传播。

然而，作为发明家的马可尼，总是愿意把实践放在理论的前面。1901年12月12日，他亲自前往北美洲纽芬兰海岸的圣约翰城，等待接收他的助手从英国康沃尔发射台使用60米高天线发射的无线电波。马可尼把接收天线挂在风筝上升入121米的高空。突然，耳机中传来了三响微弱而清晰的“滴答”声，这正是他们事先约定的字母“S”的电码。无线电波越过了3600公里的大西洋，马可尼用实验证明了无线电远距离通信的可能性。

但是，很长一段时期里，人们对无线电波为何能绕过地球的曲面一直没有理论上的认识。1902年，一位英国物理学家和一位美国电气工程师曾大胆推测，马可尼的无线电信号可能是被高层大气层中一个带电粒子层从天上反射回来传播到北美洲的，他们还提出，这个带电粒子层是由于太阳紫外线对大气层中空气的电离作用而形成的。这是一个难能可贵的猜想，但当时并没有引起足够的重视。

那时候，人们普遍认为长波（波长为1000米至10000米的无线电波）是进行远距离无线电通信的唯一波段。因为人们发现，波长越长，波强度随距离的衰减就越小。然而，波长越长，发射和接收天线的几何尺寸越大，通信用的天线装置也越来越庞大和笨重。

然而在1921年，欧洲和美国的一些无线电爱好者相继发现，功率只有几十瓦的简易短波无线电台所发射的信号，却能被千里以外的业余电台接收到。有一次，意大利罗马城郊发生了一场大火，一台功率很小的业余短波电台发出了求救信号，但出乎意料，遥远的丹麦哥本哈根的一些接收机都收到了这个求救信号。

新发现促使更多人进行类似的试验，结果证明短波比长波更适合于远距离通信。前人关于大气中带电粒子层的猜想再次引起了人们的重视。1925年，英国物理学家阿普尔顿向高空连续发射无线电波，用实验证明了大气层中带电粒子层的存在，并证实它具有反射无线电波的能力。这时人们才明白，长波主要是沿着地面传播的，射向空中的长波大部分被电离层所吸收。而短波的传输特性刚好和长波相反，沿地面的传输衰减很严重，但电离层却将大部分短波反射回来，这就是短波能实现远距离无线电通信的秘密。

小小电子管，让无线电话和广播具有生命力

20世纪的第一个十年间，无线电通信并未获得普及应用，多半局限于在船舶等移动物体上使用。其中最主要的原因是，作为一门新技术它还没有达到真正成熟的程度。无线电报的通信距离是很有限的，而且通信的可靠性较差。与之相比，早在1866年就建成了横贯大西洋的海底通信电缆。到19世纪末，世界上许多重要城市都由规模巨大的海底电缆或地下电缆连接在一起，全世界电报线路总长已达到900万公里。

电磁波在向空间传输过程中，随着传输距离的增加，信号强度急剧减弱。显然，要扩大无线电报通信距离，就要增大发射机的发射功率和提高接收机的灵敏度。

第一代电子器件的发明改变了有线通信独占通信领域的局面。1904年，英国弗莱铭发明了真空二极管。真空二极管应用于无线电接收装置后，接收机的灵敏度和可靠性大为提高。1906年到1907年，美国德福雷斯特发明真空三极管，此后经过不断改进，在无线电通信中得到了广泛应用。

也正是电子管的发明，使得无线电话、无线广播真正可以获得实用。早在1906年，美国发明家费辛敦就成功地进行了人类历史上第一次不用导线而用电磁波传送语言和音乐的试验，但声音作用于送话器所变换成的音频电信号十分微弱，不能有效地对需要发送出去的高频无线电波进行调制，影响了通话的距离和声音传输的质量。只有当电子管进入实用阶段后，人们才可以借助电子管对送话器输出的微弱音频电信号进行放大，然后对强高频无线电波进行调制，无线电话才真正具有生命力。

1914年，第一次世界大战爆发，刚刚登上通信舞台的无线电话为交战双方的军事目的服务，在前线首次出现了应用无线电话——报话机指挥部队的新场面。