首先，小伙伴們?。?/p>

無線電日快樂?。。?！

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、手機、WIFI、藍牙運用了無線電，很多人不知道的是，身份證、公交卡、銀行卡，這些卡片也運用了無線電技術。它們用到了基于無線電原理的射頻識別?(RFID, Radio Frequency Identification)?和近場通信?(NFC, Near Field Communication)?技術。每刷一次卡，就是一次無線電通信的過程。此外，飛機、輪船和高鐵也離不開無線電。不管航天器飛出地球多遠，通過無線電就能對它進行控制和通信。利用射電天文望遠鏡甚至可以接收到宇宙邊緣的信息！

掐指算來，無線電技術誕生至今已有120多年，培育了眾多的產業(yè)形態(tài)，深刻改變了人類的生活方式，拓展了人類的科學視野，成為20世紀文明的標志之一。而無線電通信技術的代表性先驅、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獎。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，馬可尼的貢獻幾乎可以忽略不計。”這話從何說起呢？

無線電到底是什么？怎么用？

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，由于擺脫了導線的束縛，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，多遠的距離都可以溝通聯(lián)絡。航天探測器的信號收發(fā)原理和我們的手機是一樣的：都是在發(fā)射端由電磁振蕩產生無線電波，在接收端通過天線耦合到無線電波的能量，繼而轉為電路信號再進行分析處理。

電磁波是由電和磁的相互感應產生的，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。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、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）。無線電波的頻率在3000GHz以內[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特性來傳遞信息，人們還可以利用無線電波的反射特性實現(xiàn)目標探測，比如雷達、遙測遙感和導航。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際應用，我們就不過多枚舉了，無線電技術的一切原理都可由麥克斯韋方程推演而來。

無線電頻譜：看不見摸不到的珍稀資源

如果把信息比作貨物，無線電波就是運貨的汽車，那么無線電頻譜在移動通信中就是信息運送的公路。就像開車要各行其道一樣，不同的無線電業(yè)務，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，它是實現(xiàn)移動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，具有重大的經濟、社會和戰(zhàn)略價值，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、森林等自然資源不同，無線電頻譜資源不會被消耗掉。人們用它或不用它，它都在那里，不增不減，不生不滅。但在特定的技術條件下，頻譜資源的可用范圍是有限的。在一定的區(qū)域、時間和頻域內，某段頻率一旦被使用，其他設備便不能再用，否則就會產生干擾。所以，對其科學利用就能獲得價值。若閑置不用，就會造成浪費。

無線電頻譜資源雖然由人類共享，但對于一個主權國家來說，卻是屬于國家所有的稀缺戰(zhàn)略資源和經濟資源，其開發(fā)利用關系到國民經濟和社會發(fā)展，也關系到國家主權和安全，在國內應由專門的政府機關進行分配和管理[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）實施無線電頻譜資源的規(guī)劃和管理。

諾貝爾經濟學獎得主，“頻率政策改革之父”——科斯（Ronald H. Coase，1910-2013年），在大學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》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：產權是市場交換的前提?！翱扑苟伞睘闊o線電頻譜的市場化交易，打下了理論基礎。

隨著移動通信的興起，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行了拍賣。1994年，美國進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行了嘗試，全球電信產業(yè)隨之進入了一個新的發(fā)展階段，各類無線業(yè)務更加便捷、深入地服務于大眾。

2000年，德國的第三代移動通信頻譜單筆拍賣成交價高達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。

無線電頻譜當然也給我國帶來了巨大的經濟增長。相關機構通過研究國內1999至2005年生產要素對經濟增長的貢獻率，測算得出當時頻譜資源的貢獻率為4.61%，已經超過了人力資本對經濟增長的貢獻率[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通信運營商的成本，這也是國內的手機信號覆蓋遠遠優(yōu)于歐美國家的主要原因之一。很多歐美國家的通信網還沒有開始建設，運營商就因為獲得頻譜資源而背上了巨額債務。

馬可尼：無線電通信技術的先驅

無線電遠距離通信的成功是20世紀文明的標志之一，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，則被歷史學家看成具有世界歷史意義的技術事件，而馬可尼正是無線電通信技術的代表性先驅。

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

德國物理學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）在1886至1889年間用實驗證實了電磁波的存在。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驗，實現(xiàn)了無線電波的發(fā)送與接收，并逐漸把收發(fā)距離擴大。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會。

1896年2月，馬可尼到了倫敦，并幸運地得到了英國郵政局總工程師威廉·普利斯(William Preece)的賞識與幫助。他在英國持續(xù)實驗，改進了裝備的性能，擴大了傳輸?shù)挠行Х秶?，大大增強了通訊的應用價值，并得到了英國海軍和陸軍部門的關注和支持，為他在次年成立公司打下了基礎。

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，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，距離遠達2100英里（3381km），轟動了世界。1907年10月，馬可尼進一步開辟了英國和加拿大之間橫跨大西洋的商業(yè)無線電報通訊業(yè)務。

1909年，因對無線電報發(fā)展所做的貢獻，馬可尼和德國物理學家布勞恩（Karl Braun，1850-1918）分享了當年的諾貝爾物理學獎。

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研究，從而奠定了現(xiàn)代遠距離無線電通信的基礎。1919年，馬可尼在中國上海設立公司，經營電子管、整流器及其他無線電產品。

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，擔任意大利皇家學院院長。

1333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術團體的熱烈歡迎。[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，幾乎和馬可尼同時開展無線電應用的還有波波夫（Александр Степанович Попов，1859-1906）、特斯拉（Nikola Tesla，1856-1943）和洛奇（Oliver Joseph Lodge，1851-1940）等人。

從無用的理論到有用的無線電

上世紀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)，后者是舉世公認的大眾攝影之父、柯達公司創(chuàng)始人。那時，伊士曼正準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“有用學科”的發(fā)展。

弗萊克斯納問伊士曼：“在您心目中，誰是當今最‘有用’的科學家呢？”

伊士曼不假思索地說：“馬可尼。”在伊士曼看來，馬可尼的發(fā)明從根本上改變了人類的溝通方式，推動了整個人類文明的發(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，馬可尼的貢獻幾乎可以忽略不計?！?/p>

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，因為在此之前，已經有一位巨人為無線電的發(fā)明默默鋪好了所有臺階，只待有人登上臺階去摘取桂冠，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）在紀念麥克斯韋誕辰100周年的慶典中，提出了“麥氏綱領”：用場來描述物理實在，用偏微分方程來解釋場，經典的場理論應當作為量子法則的出發(fā)點，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，而他的理論研究是建立在法拉第（Michael Faraday，1791-1867）的基礎之上。

法拉第家境貧寒，未接受過學歷教育，憑借刻苦自學和勤勞智慧在電磁學和化學等領域做出了杰出貢獻。他為人質樸，不圖名利，不但放棄有豐厚報酬的商業(yè)性工作，還謝絕了英國皇家學會會長職位和爵士封號，以平民身份終生在皇家學院實驗室工作，只為探究科學真理。

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“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，這是物理學理論上的一次重大突破。1843年，法拉第用有名的“冰桶實驗”，證明了電荷守恒定律。1845年，他發(fā)現(xiàn)了“磁光效應”，用實驗證實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。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，而不是實用。

十九世紀50年代的一天，新上任的財政大臣格萊斯頓(William Ewart Gladstone 1809-1898)[11]到英國皇家學院聽法拉第的電磁學講演，臨走時他問道：“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，電果真成了實用的東西，英國政府果真收起電稅來。[12]

科學家法拉第和政治家格萊斯頓當時恐怕想象不到，一百多年后，由電磁學發(fā)展出來的技術應用，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。

結語

的確，理論研究是應用和開發(fā)的前提，如果沒有理論做為基礎，就沒有后面的技術實現(xiàn)、工程應用、市場轉化和價值分配了。1864年，麥克斯韋從理論上預測了電磁波和電磁場的存在，計算推導出電磁波與光具有同樣的速度。這些預言在20多年后被赫茲的實驗完美證明，赫茲驗證了真理，卻沒有想著去應用。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世紀末，無線電頻譜資源的市場化分配及其經濟價值的體現(xiàn)，也由科斯定律作為理論基礎，在幾十年前預見了。無線電就是這樣一步步走來的。希望諸位能更加重視基礎理論研究，通過返樸于扎實的基礎理論，往往能引導出不窮的創(chuàng)新實踐。

人類對火的認識、使用和掌握，是認識和改造自然的第一次實踐，人類從此告別了茹毛飲血的蒙昧時代，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，從其孕育（理論預見），到出生落地（實驗證實），再到茁壯成年（廣泛應用），歷經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，這是人類認識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。

注釋及參考文獻

[1] 2013年1月14日，聯(lián)合國大會批準聯(lián)合國教科文組織的提議，將2月13日（聯(lián)合國電臺于1946年這一天成立）作為世界無線電日。

[2]依據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》（2018年版）1.1.4 無線電波是指頻率規(guī)定在3000GHz以下，不用人造波導而在空間傳播的電磁波。

[3]龍衛(wèi)球，夏春麗，《無線電法國別研究》，法律出版社，2014年8月第一版，P2

[4] 國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，簡稱ITU，國際電聯(lián)）其前身為國際電報公約組織，是聯(lián)合國機構中歷史最長的一個國際組織。

[5] The Federal Communications Commission Journal of Law and Economics 2 （October 1959）: 1-40

[6] 楊偉峰，《無線電頻譜資源的巨大價值》，《無線電》雜志，人民郵電出版社，2019年5月刊，P61

[7]劉博杰，李艷平，《馬可尼1933 年的中國之行》，廣西民族大學學報( 自然科學版)，2008年8月

[8]普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study），簡稱IAS，1930年成立于美國新澤西州普林斯頓市，是世界著名理論研究機構，但并不是普林斯頓大學的一部分。普林斯頓高等研究院是各個領域的最一流學者做最純粹的尖端研究，而不受任何教學任務、科研資金或者贊助商壓力的研究機構。早期著名學者有愛因斯坦、馮·諾依曼、哥德爾、奧本海默。

[9] Abraham Flexner:1939.“The Usefulness of Useless Knowledge”. Harper's Magazine.

[10] 許良英等譯：《愛因斯坦文集》第一卷，商務印書館，1976年，P292

[11]格萊斯頓是英國著名的政治家，1853年任財政大臣，其后曾四次出任英國首相。格萊斯頓是美國總統(tǒng)伍德羅·威爾遜的偶像，被學者排名為最偉大的英國首相之一。

[12]秦關根著：《法拉第》，中國青年出版社，2010年，P286