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(gè)角落，但大多數(shù)人對它“用而不知”。除了我們熟知的廣播、對講機(jī)、手機(jī)、WIFI、藍(lán)牙運(yùn)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(yùn)用了無線電技術(shù)。它們用到了基于無線電原理的射頻識(shí)別 (RFID, Radio Frequency Identification) 和近場通信 (NFC, Near Field Communication) 技術(shù)。每刷一次卡，就是一次無線電通信的過程。此外，飛機(jī)、輪船和高鐵也離不開無線電。不管航天器飛出地球多遠(yuǎn)，通過無線電就能對它進(jìn)行控制和通信。利用射電天文望遠(yuǎn)鏡甚至可以接收到宇宙邊緣的信息！

掐指算來，無線電技術(shù)誕生至今已有120多年，培育了眾多的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，深刻改變了人類的生活方式，拓展了人類的科學(xué)視野，成為20世紀(jì)文明的標(biāo)志之一。而無線電通信技術(shù)的代表性先驅(qū)、意大利人馬可尼（Guglielmo Marconi，1874-1937）也因此被世人敬仰，并獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，美國一位著名教育家卻說：“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么，馬可尼的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)。”這話從何說起呢？

我們先來看看無線電究竟是什么？

說到底，無線電是一種利用電磁波傳遞信息或能量的技術(shù)，由于擺脫了導(dǎo)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(hào)，多遠(yuǎn)的距離都可以溝通聯(lián)絡(luò)。航天探測器的信號(hào)收發(fā)原理和我們的手機(jī)是一樣的：都是在發(fā)射端由電磁振蕩產(chǎn)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(zhuǎn)為電路信號(hào)再進(jìn)行分析處理。

電磁波是由電和磁的相互感應(yīng)產(chǎn)生的，速度為光速，大約是每秒30萬千米，等于頻率和波長的乘積。電磁波波長越短，頻率越高，能量越強(qiáng)。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(dá)、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(qiáng)）。無線電波的頻率在3000GHz以內(nèi)^[2]，所以，它是電磁波大家族中的一員。

除了利用無線電波的波動(dòng)特性來傳遞信息，人們還可以利用無線電波的反射特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測，比如雷達(dá)、遙測遙感和導(dǎo)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(shè)備加熱物體。綜合利用無線電波的這些特性，人們研制出各種各樣的醫(yī)療器械來診療疾病。

如今，在我們的信息化時(shí)代，可以說地球是被無線電的海洋包圍著。無線電鋪天蓋地的實(shí)際應(yīng)用，我們就不過多枚舉了，無線電技術(shù)的一切原理都可由麥克斯韋方程推演而來。

如果把信息比作貨物，無線電波就是運(yùn)貨的汽車，那么無線電頻譜在移動(dòng)通信中就是信息運(yùn)送的公路。就像開車要各行其道一樣，不同的無線電業(yè)務(wù)，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(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(jīng)濟(jì)、社會(huì)和戰(zhàn)略價(jià)值，是人類近百年來新發(fā)現(xiàn)的一座巨大寶藏。

和石油、水、礦產(chǎn)、森林等自然資源不同，無線電頻譜資源不會(huì)被消耗掉。人們用它或不用它，它都在那里，不增不減，不生不滅。但在特定的技術(shù)條件下，頻譜資源的可用范圍是有限的。在一定的區(qū)域、時(shí)間和頻域內(nèi)，某段頻率一旦被使用，其他設(shè)備便不能再用，否則就會(huì)產(chǎn)生干擾。所以，對其科學(xué)利用就能獲得價(jià)值。若閑置不用，就會(huì)造成浪費(fèi)。

無線電頻譜資源雖然由人類共享，但對于一個(gè)主權(quán)國家來說，卻是屬于國家所有的稀缺戰(zhàn)略資源和經(jīng)濟(jì)資源，其開發(fā)利用關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，也關(guān)系到國家主權(quán)和安全，在國內(nèi)應(yīng)由專門的政府機(jī)關(guān)進(jìn)行分配和管理^[3]。在國際上，世界各國須依據(jù)國際電信聯(lián)盟^[4]制定的《無線電規(guī)則》（Radio Regulation）實(shí)施無線電頻譜資源的規(guī)劃和管理。

諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主，“頻率政策改革之父”——科斯（Ronald H. Coase，1910-2013年），在大學(xué)任教期間通過對無線電等公共資源分配方式的研究，于1959年發(fā)表了《聯(lián)邦通訊委員會(huì)》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(chǎn)權(quán)是市場交換的前提?！翱扑苟伞睘闊o線電頻譜的市場化交易，打下了理論基礎(chǔ)。

隨著移動(dòng)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(shí)行了拍賣。1994年，美國進(jìn)行了第一次無線電頻譜拍賣。隨后，眾多歐美國家也開始對無線電頻譜的市場化分配進(jìn)行了嘗試，全球電信產(chǎn)業(yè)隨之進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，各類無線業(yè)務(wù)更加便捷、深入地服務(wù)于大眾。

2000年，德國的第三代移動(dòng)通信頻譜單筆拍賣成交價(jià)高達(dá)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450億美元的凈收入。

無線電頻譜當(dāng)然也給我國帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)增長。相關(guān)機(jī)構(gòu)通過研究國內(nèi)1999至2005年生產(chǎn)要素對經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率，測算得出當(dāng)時(shí)頻譜資源的貢獻(xiàn)率為4.61%，已經(jīng)超過了人力資本對經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率^[6]。然而，我國政府并沒有狠抽頻譜資源的稅，大大降低了我國三大移動(dòng)通信運(yùn)營商的成本，這也是國內(nèi)的手機(jī)信號(hào)覆蓋遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于歐美國家的主要原因之一。很多歐美國家的通信網(wǎng)還沒有開始建設(shè)，運(yùn)營商就因?yàn)楂@得頻譜資源而背上了巨額債務(wù)。

無線電遠(yuǎn)距離通信的成功是20世紀(jì)文明的標(biāo)志之一，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(xué)家看成具有世界歷史意義的技術(shù)事件，而馬可尼正是無線電通信技術(shù)的代表性先驅(qū)。

馬可尼出生在意大利博洛尼亞一個(gè)富有的家庭。他雖沒有接受完整的學(xué)歷教育，但接受了良好的家庭教育。家里不但設(shè)有私人圖書館和實(shí)驗(yàn)室，在他十幾歲時(shí)，更是聘請到博洛尼亞大學(xué)的物理學(xué)教授奧古斯托·里吉（Augusto Righi）當(dāng)家庭教師。

德國物理學(xué)家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）在1886至1889年間用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。赫茲發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了無線電波的發(fā)送與接收，并逐漸把收發(fā)距離擴(kuò)大。但是向意大利政府請求資助未果，于是馬可尼和母親去英國尋求機(jī)會(huì)。

1896年2月，馬可尼到了倫敦，并幸運(yùn)地得到了英國郵政局總工程師威廉·普利斯(William Preece)的賞識(shí)與幫助。他在英國持續(xù)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了裝備的性能，擴(kuò)大了傳輸?shù)挠行Х秶?，大大增?qiáng)了通訊的應(yīng)用價(jià)值，并得到了英國海軍和陸軍部門的關(guān)注和支持，為他在次年成立公司打下了基礎(chǔ)。

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(hào)，把字母“S” （摩斯碼為“嘀-嘀-嘀”）從英國康沃爾郡的波特休發(fā)送到加拿大紐芬蘭的圣約翰斯，首次跨越了大西洋，距離遠(yuǎn)達(dá)2100英里（3381km），轟動(dòng)了世界。1907年10月，馬可尼進(jìn)一步開辟了英國和加拿大之間橫跨大西洋的商業(yè)無線電報(bào)通訊業(yè)務(wù)。

1909年，因?qū)o線電報(bào)發(fā)展所做的貢獻(xiàn)，馬可尼和德國物理學(xué)家布勞恩（Karl Braun，1850-1918）分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，馬可尼回到意大利為軍隊(duì)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(shù)研究，從而奠定了現(xiàn)代遠(yuǎn)距離無線電通信的基礎(chǔ)。1919年，馬可尼在中國上海設(shè)立公司，經(jīng)營電子管、整流器及其他無線電產(chǎn)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(dān)任意大利皇家學(xué)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(xué)術(shù)團(tuán)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(shí)開展無線電應(yīng)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。

上世紀(jì)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)，后者是舉世公認(rèn)的大眾攝影之父、柯達(dá)公司創(chuàng)始人。那時(shí)，伊士曼正準(zhǔn)備把畢生積蓄的一大部分投入到美國高等教育事業(yè)，用于推動(dòng)“有用學(xué)科”的發(fā)展。

弗萊克斯納問伊士曼：“在您心目中，誰是當(dāng)今最‘有用’的科學(xué)家呢？”

伊士曼不假思索地說：“馬可尼?！痹谝潦柯磥?，馬可尼的發(fā)明從根本上改變了人類的溝通方式，推動(dòng)了整個(gè)人類文明的發(fā)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么，馬可尼的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)?！?/span>

面對老紳士震驚的目光，這位普林斯頓高等研究院^[8]的創(chuàng)始人解釋道：“伊士曼先生，馬可尼的出現(xiàn)是必然的，因?yàn)樵诖酥?，已?jīng)有一位巨人為無線電的發(fā)明默默鋪好了所有臺(tái)階，只待有人登上臺(tái)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(shù)學(xué)研究，并在1873年出版了《論電和磁》。^[9]

1931年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）在紀(jì)念麥克斯韋誕辰100周年的慶典中，提出了“麥?zhǔn)暇V領(lǐng)”：用場來描述物理實(shí)在，用偏微分方程來解釋場，經(jīng)典的場理論應(yīng)當(dāng)作為量子法則的出發(fā)點(diǎn)，沒有它就沒有量子論。正是麥克斯韋的這些思想，啟發(fā)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(gè)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(xiàn)，而他的理論研究是建立在法拉第（Michael Faraday，1791-1867）的基礎(chǔ)之上。

法拉第家境貧寒，未接受過學(xué)歷教育，憑借刻苦自學(xué)和勤勞智慧在電磁學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)。他為人質(zhì)樸，不圖名利，不但放棄有豐厚報(bào)酬的商業(yè)性工作，還謝絕了英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)長職位和爵士封號(hào)，以平民身份終生在皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室工作，只為探究科學(xué)真理。

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(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1838年，他提出了電力線這一新概念來解釋電、磁現(xiàn)象，這是物理學(xué)理論上的一次重大突破。1843年，法拉第用有名的“冰桶實(shí)驗(yàn)”，證明了電荷守恒定律。1845年，他發(fā)現(xiàn)了“磁光效應(yīng)”，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光和磁的相互作用，為電、磁和光的統(tǒng)一理論奠定了基礎(chǔ)。法拉第和他的先輩一樣，研究電和磁是為了了解自然，是為了追求真理，而不是實(shí)用。

十九世紀(jì)50年代的一天，新上任的財(cái)政大臣格萊斯頓(William Ewart Gladstone 1809-1898)^[11]到英國皇家學(xué)院聽法拉第的電磁學(xué)講演，臨走時(shí)他問道：“可是法拉利先生，這到底有什么用呢？”法拉第回答：“部長先生，說不定過不了多久，你能夠收它的稅呢！”幾十年后，電果真成了實(shí)用的東西，英國政府果真收起電稅來。^[12]

科學(xué)家法拉第和政治家格萊斯頓當(dāng)時(shí)恐怕想象不到，一百多年后，由電磁學(xué)發(fā)展出來的技術(shù)應(yīng)用，還讓政府收了一大筆數(shù)額更加可觀的“稅”——就是上文說到的無線電頻譜資源使用費(fèi)。

的確，理論研究是應(yīng)用和開發(fā)的前提，如果沒有理論做為基礎(chǔ)，就沒有后面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)、工程應(yīng)用、市場轉(zhuǎn)化和價(jià)值分配了。1864年，麥克斯韋從理論上預(yù)測了電磁波和電磁場的存在，計(jì)算推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的速度。這些預(yù)言在20多年后被赫茲的實(shí)驗(yàn)完美證明，赫茲驗(yàn)證了真理，卻沒有想著去應(yīng)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(jì)末，無線電頻譜資源的市場化分配及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的體現(xiàn)，也由科斯定律作為理論基礎(chǔ)，在幾十年前預(yù)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(chǔ)理論研究，通過返樸于扎實(shí)的基礎(chǔ)理論，往往能引導(dǎo)出不窮的創(chuàng)新實(shí)踐。

人類對火的認(rèn)識(shí)、使用和掌握，是認(rèn)識(shí)和改造自然的第一次實(shí)踐，人類從此告別了茹毛飲血的蒙昧?xí)r代，拉開了文明的序幕。對于無線電波和電磁場這種看不見摸不著的特殊物質(zhì)，從其孕育（理論預(yù)見），到出生落地（實(shí)驗(yàn)證實(shí)），再到茁壯成年（廣泛應(yīng)用），歷經(jīng)幾代人百余年的薪火相傳，如今已燃就熊熊大火。我們不得不說，這是人類認(rèn)識(shí)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(jìn)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(chuàng)始人，這篇文章對電磁學(xué)做了更加深入和具體的介紹。我刊總編輯文小剛教授也曾于2016年4月推薦此文。