無線電技術與我們生活息息相關，廣播、電視、手機、互聯網、雷達、導航等都有它的身影。無線電是指在空氣或真空里傳播的電磁波，無線電技術則是指用電波傳播信號的技術，是電磁學的最重要應用。從發現電磁力到無線電的廣泛運用這一百多年里，許多物理學家都做出了重要貢獻。其中，開無線電技術研究先河的兩位科學家同時獲得1909年度諾貝爾物理學獎。

無線通信技術應用一例(來源：新浪)


無線通訊步步高

19世紀末，經過法拉第、麥克斯韋、赫茲等科學家的不懈努力，電磁學得到長足發展。機緣巧合，意大利物理學家馬可尼發現電磁波居然不用電線媒介就能遠距離傳遞信息。其實，這種用看不見的電磁波來傳遞信息的方式都是無線電通信。

馬可尼是正宗的“富二代”，啟蒙教育是在家里完成的。10多歲時即對物理學產生興趣，尤其喜歡讀麥克斯韋、洛奇、赫茲等前輩的著作。1895年，21歲的他在自家的莊園做了人生中第一個電磁學實驗；他設計了發射機并實現了無線電信號2.4千米距離的傳輸；他也是世界上首位發現電磁波可以傳遞信息并付諸實踐的科學家。

馬可尼設計的發射機(來源：搜狐)


很快，馬可尼將無線電通信距離提高到13千米，并開始根據電報密碼來做發電機電鍵，進行遠距離無線通訊的實驗。為了進一步研究無線電的商業應用，他創立了無線電報通信公司（即馬可尼無線電公司的前身）。1898年，跨距45千米的英吉利海峽無線電報通信實驗成功，兩岸可以順利進行電報聯系。馬可尼下一個目標就是讓無線電橫跨大西洋！

無線電報穿越大西洋，這可是個大挑戰。大西洋跨越達3700千米，這是真正的超遠距離無線傳播；而且，當時很多人都認為電磁波和光一樣直線傳播，大西洋彎曲的地球表面不能傳播電磁波。行不行做了再說，馬可尼抱著這樣的心態，做了很多次實驗。1901年，他在加拿大接收到大西洋彼岸英國發射臺傳來的無線電報，這個實驗讓世界震驚。很快，從美國向英國《泰晤士報》用無線電傳遞新聞，可以實現當天見報。許多國家的軍事要塞、海港船艦大都裝備有無線電設備，比如大西洋航線上行駛的郵船。美國政府請馬可尼主持修造了一座大功率的發射臺，由美國總統給英國國王發了第一封無線電報。無線電成了全球性的事業。

史上第一次跨大西洋電報通訊圖解，出自馬可尼的諾貝爾獎講座(來源：物理雙月刊)


馬可尼的成就舉世矚目，很多人稱他為“無線電之父”，如此功勛在身，他站在1909年諾貝爾物理學獎的領獎臺上也不足為怪。

馬可尼讓無線電飛遍全球的過程中，不少科學家都在背后默默付出，其中德國物理學家布勞恩最為耀眼。他對無線電報進行改善，從而與馬可尼平分年度諾貝爾物理學獎。

無線技術攻難題

卡爾?費迪南德?布勞恩生于德國富爾達市，父親是正宗的公務員。從小衣食無憂，接受良好教育。1868年，16歲的布勞恩進入德國馬爾堡大學，開始接觸自然科學。1872年，獲得柏林大學物理學博士學位。次年，進入萊比錫的一家中學任教，主要教數學和自然兩門。在這家不出名的學校里，他開始系統研究振蕩電流，邁出電磁學研究之旅的第一步。此后，他在馬爾堡大學、斯特拉斯堡大學及卡爾斯魯厄大學任物理學教授，直到1895年回到斯特拉斯堡大學任物理研究所主任。從這些經歷來看，布勞恩有條件進行電磁學實驗。

布勞恩在電學上做出的第一貢獻是發明了陰極射線管。19世紀末，很多科學家都在研究陰極射線，其中不乏取得成績者。德國物理學家倫琴發現X光和英國物理學家湯姆孫發現電子的消息傳來，布勞恩也投身于這一領域。1897年，他在真空玻璃管的一端裝上電極，這樣從陰極發出的電子受靜電力影響就會發射出電子束（即陰極射線）。磁場改變時電子束也會發生偏轉，如此就在熒屏上得到波動的圖像。科學家們把這個玻璃管叫做陰極射線管（縮寫CRT），又稱布勞恩管。由于后人改進此管以用于電視、計算機等電子設備的圖像顯示，所以布勞恩管又俗稱顯像管。

用于實驗中的布勞恩管(來源：花瓣網)


陰極射線管在實驗中的廣泛應用讓布勞恩很受激勵。他得知馬可尼正在推廣無線電的消息后，便投入到無線電技術的研究中。研讀無線電論文及相關報道后，發現當時的無線電技術中有兩個難題，其一是無法讓電磁波沿指定的方向發射。換言之，以前馬可尼無線傳輸實驗只是結果，沒有對過程進行物理控制。經過多次實驗，馬可尼發明了定向天線。可以保證在指定的方向上發出無線電波，這樣就有效減少了能量消耗。1902年，他用定向天線系統接收到定向發射的信號。

第二個問題是缺少可靠的電報接收機和發射機。為此，布勞恩在接收機里面加入晶體探測器，以提高接收的敏感度。發射機方面，馬可尼由于研究太雜又忙于推廣無線電，所以只是發明了具基本功能的發報機。布勞恩反復研究馬氏發報機后對其進行改裝，新發報機由電容器和閉路線圈構成，線圈與不帶火花的天線相連。不同電容振蕩產生不同的電流。同時，此機的頻帶被調得很窄。這樣，發射機可以發出不同信息的電磁波，接收機接收后再轉出即可。馬可尼能完成1901年無線電跨越大西洋的壯舉，很大程度得益于布勞恩改進的發射器和接收器。

定向天線傳播示意圖(來源：與非網)


布勞恩解決早期無線電技術的兩個難題后，無線電技術進入飛速發展的快車道。如果說馬可尼讓無線電飛遍全球，那布勞恩則讓“飛”的速度變得更快。相對于他們的貢獻而言，諾貝爾物理學獎實在微不足道。

馬可尼與布勞恩醉心于無線電研究的時候，一位荷蘭物理學家正全力向熱力學進軍。通過對氣體、液體的研究，他最終全面、系統地描述氣體的物理性質，還弄清了分子間作用力的概念及相關理論。由此，這位阿姆斯特丹大學的著名教授榮獲1910年度諾貝爾物理學獎。他是誰？他是如何研究氣體和液體的？分子間作用力又是怎么回事？欲知后事如何，且聽下集分解。

馬可尼和布勞恩的諾貝爾官方照(來源：物理雙月刊網)


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【參考資料】

1. 圖書《諾貝爾物理學獎一百年》，2002年上海科學普及出版社出版，作者是郭奕玲、沈慧君。

2. 論文《20世紀物理學的偉大縮影》，作者清華大學郭奕玲，《物理研究》2009年第2期。

3. 資料《1909年諾貝爾物理學獎簡介》，見《物理通報》2017年2期。

4. 馬可尼事跡

作者：魏德勇


諾貝爾物理學獎史演義系列(九)——馬可尼和布勞恩

圖文簡介

開無線電技術研究先河的兩位科學家同時獲得1909年度諾貝爾物理學獎。