付雷

說(shuō)到雷達(dá)的發(fā)明，很多人會(huì)想到曾在小學(xué)語(yǔ)文教科書(shū)中學(xué)過(guò)的一篇課文《蝙蝠與雷達(dá)》。這篇課文提及，科學(xué)家通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)蝙蝠嘴里可以發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物會(huì)反射回來(lái)，傳到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠據(jù)此來(lái)改變飛行方向。課文明確寫道，“科學(xué)家模仿蝙蝠探路的方法，給飛機(jī)裝上了雷達(dá)”，不過(guò)與蝙蝠發(fā)出超聲波不同，雷達(dá)通過(guò)天線發(fā)出的是無(wú)線電波。幾十年來(lái)，這篇課文被各個(gè)不同版本的小學(xué)語(yǔ)文教科書(shū)收錄，也被2019年出版的、教育部組織編寫的統(tǒng)編小學(xué)語(yǔ)文教科書(shū)收錄，位于四年級(jí)上冊(cè)。不只是語(yǔ)文教科書(shū)，有些生物學(xué)教科書(shū)在介紹動(dòng)物與人類的關(guān)系時(shí)，也會(huì)引用這個(gè)例子。例如，人教版初中生物教科書(shū)在八年級(jí)上冊(cè)就有一幅插圖“蝙蝠的回聲定位與雷達(dá)”，很多生物教師將其作為仿生學(xué)的經(jīng)典案例介紹給學(xué)生。

我們現(xiàn)在知道，蝙蝠判斷方位的方式叫作回聲定位。那么問(wèn)題來(lái)了：雷達(dá)真的是模仿蝙蝠的回聲定位發(fā)明的嗎？蝙蝠發(fā)出的超聲波和雷達(dá)發(fā)射的無(wú)線電波是不是一回事呢？讓我們一起回到100多年前，看看歷史上到底發(fā)生了什么。

蝙蝠回聲定位的發(fā)現(xiàn)

人類在很久之前就認(rèn)識(shí)了蝙蝠這種生物，并且注意到蝙蝠的生活習(xí)性與人類不同，屬于晝伏夜行類。很自然地，人類想了解蝙蝠在夜間是如何飛行的，有人猜測(cè)它們的視力可能非常好。

在18世紀(jì)，一位名為斯巴蘭扎尼的意大利生物學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了興趣，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。他先是把蝙蝠關(guān)在完全漆黑且沒(méi)有任何障礙物的房間里，發(fā)現(xiàn)蝙蝠幾乎不會(huì)飛了。但這似乎說(shuō)明不了什么，萬(wàn)一是房間太黑，蝙蝠看不見(jiàn)，不敢飛呢？于是他又設(shè)計(jì)了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)他將蝙蝠致盲或?qū)⑵浔亲诱诒魏?，再放入有障礙物的房間中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀豢梢宰匀绲仫w行；當(dāng)他將蝙蝠的耳朵塞起來(lái)以后，發(fā)現(xiàn)蝙蝠就很容易撞到障礙物了。由此他推斷，蝙蝠是通過(guò)聽(tīng)覺(jué)來(lái)導(dǎo)航的。隨后，他把自己的發(fā)現(xiàn)分享給其他研究者。這一發(fā)現(xiàn)引起了瑞士博物學(xué)家查爾斯·朱利安的興趣。

朱利安做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他把蝙蝠的耳朵用蠟封住，發(fā)現(xiàn)蝙蝠總是會(huì)撞到電線上，由此他確認(rèn)蝙蝠是通過(guò)聽(tīng)覺(jué)來(lái)導(dǎo)航的。斯巴蘭扎尼又重復(fù)了朱利安的實(shí)驗(yàn)，并試圖追根究底，可惜并未完成。更加遺憾的是，斯巴蘭扎尼的想法實(shí)在有些超前，因?yàn)楫?dāng)時(shí)（1794年前后）人類尚未發(fā)現(xiàn)超聲波，因此他的創(chuàng)見(jiàn)非但沒(méi)有產(chǎn)生轟動(dòng)效應(yīng)，反而引起了別人的嘲諷。法國(guó)著名的博物學(xué)家居維葉，就批評(píng)了斯巴蘭扎尼和朱利安的實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為蝙蝠可以通過(guò)體表或翼膜的觸覺(jué)來(lái)躲避障礙物。

順便補(bǔ)充一下，斯巴蘭扎尼簡(jiǎn)直是一位天才型的科學(xué)家。除了上述蝙蝠實(shí)驗(yàn)研究外，他還發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)煮沸殺死空氣中的微生物（法國(guó)科學(xué)家巴斯德受其啟發(fā)通過(guò)曲頸甑實(shí)驗(yàn)駁斥了自然發(fā)生說(shuō)）；他通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明消化包括化學(xué)變化，而非簡(jiǎn)單的物理變化；他還是第一個(gè)對(duì)狗進(jìn)行人工授精的人。因此，巴斯德稱斯巴蘭扎尼為世界上最偉大的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家之一。

斯巴蘭扎尼關(guān)于蝙蝠的實(shí)驗(yàn)和猜想被埋沒(méi)了一個(gè)多世紀(jì)。一直到1908年，美國(guó)動(dòng)物學(xué)家哈恩才通過(guò)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了斯巴蘭扎尼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，真正的謎底揭曉則是在1938年。美國(guó)哈佛大學(xué)的皮爾斯設(shè)計(jì)出了可以探測(cè)超聲波（頻率高于20000赫茲，超過(guò)人的聽(tīng)力范圍）的設(shè)備，當(dāng)時(shí)還在哈佛讀書(shū)的格里芬抓著蝙蝠跑去找皮爾斯，首次發(fā)現(xiàn)蝙蝠可以發(fā)出超聲波。又過(guò)了兩年，格里芬與高拉姆博什通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，蝙蝠的嘴能夠發(fā)出超聲波，其耳朵可以接收遇到障礙物反射回來(lái)的超聲波，從而進(jìn)行導(dǎo)航和定位。1944年，格里芬將蝙蝠的這種本領(lǐng)命名為“回聲定位”。需要說(shuō)明的是，不僅是蝙蝠，其他一些哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類也有這種本領(lǐng)。

蝙蝠是通過(guò)反射的聲波來(lái)定位的，你是否由此想到了人們使用聲吶在海洋中判斷方位和測(cè)距？其實(shí)，聲吶早在1906年就被英國(guó)的劉易斯·尼克森發(fā)明出來(lái)了，在第一次世界大戰(zhàn)中被應(yīng)用到戰(zhàn)場(chǎng)上，用于偵察潛水艇的位置。后來(lái)，聲吶的技術(shù)也在進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。總的來(lái)說(shuō)，聲吶的使用要比發(fā)現(xiàn)蝙蝠回聲定位的原理更早一些。

雷達(dá)的發(fā)明與應(yīng)用

雷達(dá)是一項(xiàng)重要的軍事發(fā)明，得益于電磁波理論和技術(shù)的進(jìn)步。德國(guó)物理學(xué)家赫茲在1888年證明了電磁波的存在，無(wú)線電報(bào)、無(wú)線電收音機(jī)、無(wú)線電廣播相繼問(wèn)世。對(duì)于電磁波會(huì)被物體反射的現(xiàn)象，赫茲早就注意到了。1897年，俄國(guó)科學(xué)家波波夫提出了在海上利用無(wú)線電波探測(cè)目標(biāo)的設(shè)想，但并未付諸實(shí)踐。因?yàn)槟鞘窃陔姶挪ㄑ芯康脑缙陔A段，尚未投入應(yīng)用。

進(jìn)入20世紀(jì)以后，電磁波的發(fā)送與接收已經(jīng)應(yīng)用于航海領(lǐng)域。1904年，德國(guó)工程師胡爾斯邁耶制造出一種可以探測(cè)船舶的裝置，它可以發(fā)射和接收電磁波；1922年，美國(guó)海軍在海上航道兩側(cè)安裝電磁波發(fā)射和接收裝置，用以探測(cè)來(lái)往船只。當(dāng)時(shí)的電磁波收發(fā)裝置是分離的，這些裝置被認(rèn)為是早期的雷達(dá)。

說(shuō)到雷達(dá)的發(fā)明，有一個(gè)不得不提的關(guān)鍵人物—英國(guó)物理學(xué)家沃森·瓦特。1915年，瓦特進(jìn)入空軍氣象部門工作。考慮到飛機(jī)的飛行受到雷電天氣的影響，瓦特認(rèn)為，雷電會(huì)讓空氣分離從而發(fā)出電磁波，如果能探測(cè)到這些電磁波信號(hào)，就可以知道雷電的區(qū)域。他提出了“沃森·瓦特測(cè)向體制”，采用陰極射線管顯示無(wú)線電信號(hào)，成功解決了對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行定位和可視化的難題。在此研究過(guò)程中，瓦特還發(fā)現(xiàn)了微波磁控管的熱效應(yīng)，后人根據(jù)這個(gè)原理發(fā)明了微波爐。1933年，瓦特成為英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)所無(wú)線電研究室的主任。

由于飛機(jī)在第一次世界大戰(zhàn)中（1914—1918年）投入軍用，從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，各國(guó)開(kāi)始秘密研制遠(yuǎn)距離尋找飛機(jī)的儀器。1934年，瓦特偶然注意到無(wú)線電波可以在熒光屏上顯示出來(lái)。次年2月，他向英國(guó)政府提交了《采用無(wú)線電方法探測(cè)飛機(jī)》的秘密備忘錄，與之相關(guān)的研究計(jì)劃很快被政府批準(zhǔn)并付諸實(shí)踐，當(dāng)年瓦特就研制出第一部可以探測(cè)飛機(jī)的雷達(dá)，該雷達(dá)可以發(fā)出波長(zhǎng)為1.5厘米的微波，探測(cè)距離達(dá)到80千米。從1936年開(kāi)始，瓦特協(xié)助英國(guó)架設(shè)了第一個(gè)雷達(dá)站。后來(lái)，英國(guó)建成長(zhǎng)達(dá)200千米的雷達(dá)網(wǎng)（被稱為CH系統(tǒng)），在第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大作用。瓦特因此在1941年被授予爵士頭銜。不僅是英國(guó)，其他國(guó)家也在同期研制雷達(dá)，包括美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、日本、蘇聯(lián)、荷蘭等。到1939年，雷達(dá)進(jìn)入完全實(shí)用階段，并在第二次世界大戰(zhàn)中大顯神威。

總的來(lái)說(shuō)，雷達(dá)的發(fā)明與改進(jìn)是技術(shù)不斷進(jìn)步的表現(xiàn)。由于雷達(dá)的研制后來(lái)跟軍事活動(dòng)牽涉甚多，基本上是在保密條件下開(kāi)展的，可以說(shuō)是在幾個(gè)不同國(guó)家同時(shí)獲得發(fā)展進(jìn)步的。值得一提的是，“雷達(dá)”這個(gè)名詞一直到20世紀(jì)40年代中期才出現(xiàn)，英文Radar是Radio Detection And Ranging這幾個(gè)單詞的縮寫。

蝙蝠回聲定位與雷達(dá)之異同

蝙蝠回聲定位和雷達(dá)的原理既有相似點(diǎn)，又有差異。相似點(diǎn)在于，二者都是利用了波被物體反射可以測(cè)定方位的原理；差異在于，蝙蝠回聲定位使用的是超聲波，超聲波是一種聲波，其本質(zhì)是物體的振動(dòng)在空氣等介質(zhì)中的傳播，如果沒(méi)有了介質(zhì)，比如在真空環(huán)境下，聲波是無(wú)法傳播的，回聲定位就無(wú)法實(shí)現(xiàn)；雷達(dá)使用的是無(wú)線電波，其本質(zhì)是電磁波，電磁波既可以通過(guò)介質(zhì)傳播，也可以在真空中傳播。此外，從頻率（即每秒振動(dòng)的次數(shù)）上看，超聲波的頻率在20000赫茲以上，醫(yī)用超聲波一般在1～30兆赫（1兆赫=106赫茲）；雷達(dá)使用的無(wú)線電波具有從極低頻到極高頻的一個(gè)頻譜，頻率可以從3000赫茲到3000吉赫茲（1吉赫茲=109赫茲）。

通過(guò)梳理這段歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)，蝙蝠回聲定位的發(fā)現(xiàn)與雷達(dá)的發(fā)明是兩個(gè)獨(dú)立的事件，就現(xiàn)有的證據(jù)而言，無(wú)法證實(shí)后者是受到前者的啟發(fā)。由于斯巴蘭扎尼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果長(zhǎng)期被忽視，直到20世紀(jì)40年代才被格里芬等人揭曉謎底，而彼時(shí)雷達(dá)已經(jīng)在軍事中獲得實(shí)際應(yīng)用，這就讓雷達(dá)的發(fā)明受蝙蝠回聲定位啟發(fā)的說(shuō)法難以自圓其說(shuō)。我們?cè)隗@嘆于造物主的鬼斧神工和人類的智慧時(shí)，在感謝大自然對(duì)人類的饋贈(zèng)和啟發(fā)時(shí)，更要堅(jiān)持科學(xué)精神，尊重歷史，尊重事實(shí)。