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1909 年諾貝爾物理獎:只有無線電,沒有距離——《物理雙月刊》

1909 年的諾貝爾物理奬授予一項我們視為理所當然的科技——長距離無線電通訊。得奬者是古列爾莫・馬可尼(Guglielmo Marconi)和卡爾・布勞恩(Karl Braun),兩人平分奬金。

古列爾莫・馬可尼的諾貝爾獎官方照片。圖/By Nobel foundation @ wikimedia commons

無線電能做什麼?赫茲:我也不知道

人類有史以來的 98% 時間都只能進行緩慢近距離通訊,而跨越城市甚至國家的通訊必需花更長時間。即使發明了汽車、飛機、電話等現代科技,即時通訊仍只限於鋪設了電話線的地區。跨越海洋的通訊仍然非常緩慢。

赫茲在 1886 年成功產生電磁波。他在實驗室的一端放置一個傳送器,另一端的課室放置接收器。傳送器和接收器都有一個用來製造火花的縫隙。當縫隙兩邊的電勢差足夠高,電流就可以穿過縫隙並形成火花,產生電磁波。電磁波穿過實驗室到達接收器造成電勢差,接收器的縫隙亦同樣會出現火花。

當時,赫茲並未意識到無線電傳送技術會對後世有非常巨大的影響。他有一次在課堂上示範這個實驗,其中一個學生問他這樣做有什麼用途。赫茲的回答是:「一點用都沒有。」他並不知道在今天,無線電通訊已取代食物,成為現代生物邏輯層最底層的必需品。

面對跨越距離的電報,你準備好了嗎?

義大利工程師馬可尼看到了這一點。他在 1890 年代初開始發展無線電技術,希望能以無線電報作為通訊工具。馬可尼的家人非常支持他的研究,他的父親甚至變賣家財給馬可尼買電線。1895 年,馬可尼尋求義大利政府資助研究,可是義大利政府對無線電通訊技術不感興趣。

馬可尼的第一台無線電報發射器,能夠以摩斯密碼傳送訊息。

然而,有洞察力的英國政府看到無線電通訊的潛力,願意資助馬可尼的研究。1896 年,馬可尼與母親一起到英國,並在兩年間取得了巨大研究進展。1897 年 5 月 13 日,馬可尼成功發送人類首個跨越布里斯托灣(Bristol Channel)的電報。渡過海洋的電報內容是:「Are you ready?」

卡爾・布勞恩的諾貝爾獎官方照片。

另一方面,物理學家布勞恩則從物理原理著手,改良馬可尼的無線電發射和接收器。馬可尼的發射器使用最簡單的方法,把連續的電磁波動發射出去。這樣做的弱點在於電波能量會隨距離快速衰減;根據波動干涉原理,其訊號亦易受其他頻率的無線電波干擾。

布勞恩細心研究馬可尼的設計後,找到方法使發射出去的無線電波能量衰減率減至最小。他亦改良了接收器,令其只對特定頻率的無線電波反應。另外,布勞恩設計的發射和接收器不再需要與天線連接,大大減低了受雷擊的危險。1899 年,布勞恩成功發送電報跨越英倫海峽。1901 年,馬可尼使用布勞恩設計的發射和接收器由英國發送電報至加拿大,完成史上第一次跨大西洋電報通訊,永遠改變人類文明發展。

史上第一次跨大西洋電報通訊圖解,出自馬可尼的諾貝爾奬講座。

經常聽到的一個問題「科學研究有什麼用?」赫茲的答案告訴我們,探研自然世界的源動力是純粹的好奇心。1912 年,鐵達尼號沉沒,一千五百多人葬身大海。然而,存活下來的七百多人能夠及時得救,得歸功於長距離無線電通訊。諾貝爾曾說過:「如果我有一千個構思而其中只有一個行得通,我已經滿意。」誰知道這一個構思,能帶領人類走得多遠?

Are you ready?


 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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