肉眼看不见的 “隐形光”，却是手机、卫星、雷达的根基

19世纪以前的人大概很难相信：后世的人们只需要对着一台机器说话，声音就能像插上翅膀一样翻山越岭抵达千里之外。实现这一“神迹”的正是电磁波：成千上万道电磁波在基站、路由器、手机、家用电器之间来回穿梭，承载了构筑现代社会的信息洪流，使我们得以摆脱那个依靠驿站送信、飞鸽传书的信息闭塞的时代。本文将带你穿越历史的长河，见证电磁波是如何从实验室里的火花一步步成长为全球信息的载体。

赫兹对电磁波的科学探索和马可尼的工程实践

1864年，英国物理学家麦克斯韦在他的论文《电磁场的动力学理论》中提出，电场和磁场能够以波的形式在空间中传递，并在理论上预测了电磁波的存在。为验证这一理论，科学家们开展了大量的实验，希望可以捕捉到这种神秘波动的踪迹。

1887年，德国物理学家赫兹偶然发现高压放电可以远程激发电火花，并设计实验加以复现。整个实验装置由发射器和接收器两部分组成。发射器由一个高压放电电路和一个开口金属环连接而成，瞬间释放的高压电可以在金属环的开口处激发电火花；接收器则是另一个类似的开口金属环，放置在距离发射器几米之外的位置。赫兹观察到：在发射器激发电火花的同时，接收器的开口处也同时产生了电火花，这就说明两者之间存在某种能量传递。

这种能量是不是麦克斯韦预言的电磁波呢？如果它具有波动的特性，就一定能被反射，那反射波和入射波相遇时就能出现叠加特性：波峰与波峰叠加时幅值会提高、波峰与波谷叠加时幅值会下降。赫兹在发射器前搭建了反射装置，并拿着接收器沿着波的传播方向缓慢移动，果然观察到接收器的电火花一会儿变强、一会儿变弱，这就证明了电磁波的存在。

赫兹后来持续对电磁波进行了深入的科学研究，而意大利的马可尼等则将电磁波实现了工程化应用，完成了世界上第一次远距离的无线电通信。

为了尽可能拉长发射器和接收器之间“交流”的距离，马可尼做了两项关键改进。

第一项改进是开发出了天线。马可尼把发射器和接收器都接上了长长的金属导线，一端挂在树梢或风筝上，另一端埋入大地。这套“天地线系统”提高了发射器发射电磁波的强度和接收器接收电磁波的灵敏度。

第二项改进引入了粉末检波器和电铃，在提高接收灵敏度的同时还实现了信息的自动接收。粉末检波器是装着镍银粉末的玻璃管，平时粉末颗粒松散、电阻极高，电路无法导通。接收到电磁波信号后，粉末瞬间粘连在一起、电阻骤降，电路变为导通状态，电源驱动线圈吸住电铃的铃锤。电磁波信号结束后，粉末电阻升高、线圈释放铃锤，铃锤落下敲击检波器，使粉末重新恢复松散状态。

如此一来，通过电磁波信号就可以控制接收器电路的通断，而利用电路通断时间的长短便可以传递摩尔斯电码，实现信息的远距离传输了！

1987年，马可尼在英国怀特岛建立了一个无线电台，开始提供英国国内的近距离无线电报服务；1901年，马可尼在加拿大纽芬兰省用风筝将一根150米长的天线升上高空，成功接收到了来自英国的无线电信号。自此，无线通信时代的大门轰然打开。

“调制解调”的技术之手丰富了电磁波的内涵

马可尼的无线电报通过电磁波信号的有无及时间长度来表示摩尔斯电码，所传递的信息极其有限。如何让电磁波承载人声、音乐等更丰富的信息？声音本质上是质点的振动以波的形式向外扩散，声波的速度比光速慢得多，且容易被障碍物遮挡、耗散，因此无法直接利用天线远距离传送。

科学家们想到了一个办法：在发射器一端将声波和电磁波叠加在一起，通过电磁波的振幅或频率变化传递声波信息，这个过程叫做“调制”，承载声音信号的电磁波又被称为“载波”。相对应的，耳机、音响等接收器内部的振动膜无法直接识别接收到的高频载波信号，需要对其进行“解调”操作，才能将声音信号分离出来。如今，调制解调技术已经非常成熟，音频和视频均可通过电磁波传递。

从调制解调过程可以看出，其中的关键在于：发射器应能持续稳定地发射高频电磁波，而接收器则应能借助单向导通材料对电磁波进行整流。

1906年，加拿大发明家费森登完成了人类历史上第一次语音无线电广播。他用一台高速旋转的交流发电机产生了稳定高频电磁波，再用一只碳晶话筒将声音信号“刻”在了电磁波变化的振幅当中，然后用安装了电解液检波器的接收器对检测到的电磁波信号进行整流处理，由此听到了声音信号。电解液检波器是费森登的发明专利，可以通过电解质的极化效应实现电流的单向导通。

收发设备的技术跨越

为了实现高度还原的信号传输，电磁波的发射器和接收器开始迈入技术革新之路。

在发射器方面，电弧发射机和高频交流发电机曾是发射电磁波的主力，但真空管振荡器出现后，发射器得以发出频率极其稳定的正弦波信号，真空管发射机统治了整个20世纪中期的广播电台。

在接收器方面，比电解液检波器更为灵敏的检波器开始诞生，从“猫须”矿物检波器（用一根细金属丝轻触方铅矿等晶体,即形成天然的单向导通半导体）到真空二极管（真空玻璃管中装有电热丝和冷电极，电流只能从电热丝流向冷电极），再到真空三极管（电热丝和冷电极之间增加一道栅极，用于放大信号），技术的进步使收音设备体积不断缩小，真空管收音机在上世纪初更是风靡一时。

二战期间，雷达等设备需要能在极高频率下工作的检波器，真空管检波器力不从心。1947年，贝尔实验室基于矿物检波器原理陆续研制出点接触式晶体管和更稳定的结型晶体管，大量晶体管的应用使电子设备体积越来越小，收发的信号也不再局限于模拟信号，更多地传递由“0”和“1”组成的数字信号。

数字传输技术催生了移动通信的迅猛进化，从1G到5G的通信技术代际进化使通信速率越来越高，让高清视频、物联网、自动驾驶等陆续成为可能，卫星通讯更是让电磁波联通了地球上任何一个角落。

电磁波照亮文明的进程

电磁波可以看作是一种频率超出人眼可视范围的光。从工业革命开始，电磁波便伴随于人类左右，照亮了人类文明前进的道路。如今，全球各地有许多观测站在持续监测着来自太空的信号。许多人相信，如果宇宙某处存在外星文明，他们也一定会向宇宙发射携带信息的电磁波，那将犹如黑夜中的明灯一般耀眼。

如果你对相关知识比较感兴趣，还可以到中国电信博物馆看看，深入了解一下我国电信事业的百年发展历史。

作者：流火

审核专家：罗会仟，中国科学院物理研究所研究员

参考文献：

[1]Marconi's  Wireless  Telegraph, McClure's Magazine, June, 1899, pages 99-112.

[2] The  Early  Days  of  Radio  in  America, The Electrical Experimenter, April, 1917, pages 893, 911.