說到雷達的發(fā)明,很多人會想到曾在小學語文教科書中學過的一篇課文《蝙蝠與雷達》。這篇課文提及,科學家通過反復實驗研究,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反射回來,傳到蝙蝠的耳朵里,蝙蝠據(jù)此來改變飛行方向。課文明確寫道,“科學家模仿蝙蝠探路的方法,給飛機裝上了雷達”,不過與蝙蝠發(fā)出超聲波不同,雷達通過天線發(fā)出的是無線電波。
幾十年來,這篇課文被各個不同版本的小學語文教科書收錄,也被2019年出版的、教育部組織編寫的統(tǒng)編小學語文教科書收錄,位于四年級上冊。不只是語文教科書,有些生物學教科書在介紹動物與人類的關系時,也會引用這個例子。例如,人教版初中生物教科書在八年級上冊就有一幅插圖“蝙蝠的回聲定位與雷達”,很多生物教師將其作為仿生學的經(jīng)典案例介紹給學生。
我們現(xiàn)在知道,蝙蝠判斷方位的方式叫作回聲定位。那么問題來了:雷達真的是模仿蝙蝠的回聲定位發(fā)明的嗎?蝙蝠發(fā)出的超聲波和雷達發(fā)射的無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識了蝙蝠這種生物,并且注意到蝙蝠的生活習性與人類不同,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,有人猜測它們的視力可能非常好。
在18世紀,一位名為斯巴蘭扎尼的意大利生物學家對這個問題產(chǎn)生了興趣,并進行了實驗研究。他先是把蝙蝠關在完全漆黑且沒有任何障礙物的房間里,發(fā)現(xiàn)蝙蝠幾乎不會飛了。但這似乎說明不了什么,萬一是房間太黑,蝙蝠看不見,不敢飛呢?于是他又設計了進一步的實驗。當他將蝙蝠致盲或?qū)⑵浔亲诱诒魏螅俜湃胗姓系K物的房間中,結果發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀豢梢宰匀绲仫w行;當他將蝙蝠的耳朵塞起來以后,發(fā)現(xiàn)蝙蝠就很容易撞到障礙物了。由此他推斷,蝙蝠是通過聽覺來導航的。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)引起了瑞士博物學家查爾斯·朱利安的興趣。
朱利安做了這樣一個實驗:他把蝙蝠的耳朵用蠟封住,發(fā)現(xiàn)蝙蝠總是會撞到電線上,由此他確認蝙蝠是通過聽覺來導航的。斯巴蘭扎尼又重復了朱利安的實驗,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在有些超前,因為當時(1794年前后)人類尚未發(fā)現(xiàn)超聲波,因此他的創(chuàng)見非但沒有產(chǎn)生轟動效應,反而引起了別人的嘲諷。法國著名的博物學家居維葉,就批評了斯巴蘭扎尼和朱利安的實驗,他認為蝙蝠可以通過體表或翼膜的觸覺來躲避障礙物。
順便補充一下,斯巴蘭扎尼簡直是一位天才型的科學家。除了上述蝙蝠實驗研究外,他還發(fā)現(xiàn)可以通過煮沸殺死空氣中的微生物(法國科學家巴斯德受其啟發(fā)通過曲頸甑實驗駁斥了自然發(fā)生說);他通過實驗證明消化包括化學變化,而非簡單的物理變化;他還是第一個對狗進行人工授精的人。因此,巴斯德稱斯巴蘭扎尼為世界上最偉大的實驗科學家之一。
斯巴蘭扎尼關于蝙蝠的實驗和猜想被埋沒了一個多世紀。一直到1908年,美國動物學家哈恩才通過改進的實驗驗證了斯巴蘭扎尼的實驗結果。然而,真正的謎底揭曉則是在1938年。
美國哈佛大學的皮爾斯設計出了可以探測超聲波(頻率高于20000赫茲,超過人的聽力范圍)的設備,當時還在哈佛讀書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。又過了兩年,格里芬與高拉姆博什通過實驗證明,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的超聲波,從而進行導航和定位。1944年,格里芬將蝙蝠的這種本領命名為“回聲定位”。需要說明的是,不僅是蝙蝠,其他一些哺乳動物和鳥類也有這種本領。
蝙蝠是通過反射的聲波來定位的,你是否由此想到了人們使用聲吶在海洋中判斷方位和測距?其實,聲吶早在1906年就被英國的劉易斯·尼克森發(fā)明出來了,在第一次世界大戰(zhàn)中被應用到戰(zhàn)場上,用于偵察潛水艇的位置。后來,聲吶的技術也在進步,應用領域也不斷擴展??偟膩碚f,聲吶的使用要比發(fā)現(xiàn)蝙蝠回聲定位的原理更早一些。
雷達的發(fā)明與應用
雷達是一項重要的軍事發(fā)明,得益于電磁波理論和技術的進步。德國物理學家赫茲在1888年證明了電磁波的存在,無線電報、無線電收音機、無線電廣播相繼問世。對于電磁波會被物體反射的現(xiàn)象,赫茲早就注意到了。1897年,俄國科學家波波夫提出了在海上利用無線電波探測目標的設想,但并未付諸實踐。因為那是在電磁波研究的早期階段,尚未投入應用。
進入20世紀以后,電磁波的發(fā)送與接收已經(jīng)應用于航海領域。1904年,德國工程師胡爾斯邁耶制造出一種可以探測船舶的裝置,它可以發(fā)射和接收電磁波;1922年,美國海軍在海上航道兩側安裝電磁波發(fā)射和接收裝置,用以探測來往船只。當時的電磁波收發(fā)裝置是分離的,這些裝置被認為是早期的雷達。
說到雷達的發(fā)明,有一個不得不提的關鍵人物——英國物理學家沃森·瓦特。1915年,瓦特進入空軍氣象部門工作。考慮到飛機的飛行受到雷電天氣的影響,瓦特認為,雷電會讓空氣分離從而發(fā)出電磁波,如果能探測到這些電磁波信號,就可以知道雷電的區(qū)域。他提出了“沃森·瓦特測向體制”,采用陰極射線管顯示無線電信號,成功解決了對電磁信號進行定位和可視化的難題。在此研究過程中,瓦特還發(fā)現(xiàn)了微波磁控管的熱效應,后人根據(jù)這個原理發(fā)明了微波爐。1933年,瓦特成為英國國家物理實驗所無線電研究室的主任。
由于飛機在第一次世界大戰(zhàn)中(1914—1918年)投入軍用,從20世紀30年代開始,各國開始秘密研制遠距離尋找飛機的儀器。1934年,瓦特偶然注意到無線電波可以在熒光屏上顯示出來。次年2月,他向英國政府提交了《采用無線電方法探測飛機》的秘密備忘錄,與之相關的研究計劃很快被政府批準并付諸實踐,當年瓦特就研制出第一部可以探測飛機的雷達,該雷達可以發(fā)出波長為1.5厘米的微波,探測距離達到80千米。從1936年開始,瓦特協(xié)助英國架設了第一個雷達站。后來,英國建成長達200千米的雷達網(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,其他國家也在同期研制雷達,包括美國、法國、德國、意大利、日本、蘇聯(lián)、荷蘭等。到1939年,雷達進入完全實用階段,并在第二次世界大戰(zhàn)中大顯神威。
總的來說,雷達的發(fā)明與改進是技術不斷進步的表現(xiàn)。由于雷達的研制后來跟軍事活動牽涉甚多,基本上是在保密條件下開展的,可以說是在幾個不同國家同時獲得發(fā)展進步的。值得一提的是,“雷達”這個名詞一直到20世紀40年代中期才出現(xiàn),英文Radar是Radio Detection And Ranging這幾個單詞的縮寫。
蝙蝠回聲定位與雷達之異同
蝙蝠回聲定位和雷達的原理既有相似點,又有差異。
相似點在于,二者都是利用了波被物體反射可以測定方位的原理;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)是物體的振動在空氣等介質(zhì)中的傳播,如果沒有了介質(zhì),比如在真空環(huán)境下,聲波是無法傳播的,回聲定位就無法實現(xiàn);雷達使用的是無線電波,其本質(zhì)是電磁波,電磁波既可以通過介質(zhì)傳播,也可以在真空中傳播。
此外,從頻率(即每秒振動的次數(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);雷達使用的無線電波具有從極低頻到極高頻的一個頻譜,頻率可以從3000赫茲到3000吉赫茲(1吉赫茲=109赫茲)。
通過梳理這段歷史,我們可以發(fā)現(xiàn),蝙蝠回聲定位的發(fā)現(xiàn)與雷達的發(fā)明是兩個獨立的事件,就現(xiàn)有的證據(jù)而言,無法證實后者是受到前者的啟發(fā)。由于斯巴蘭扎尼的實驗結果長期被忽視,直到20世紀40年代才被格里芬等人揭曉謎底,而彼時雷達已經(jīng)在軍事中獲得實際應用,這就讓雷達的發(fā)明受蝙蝠回聲定位啟發(fā)的說法難以自圓其說。
我們在驚嘆于造物主的鬼斧神工和人類的智慧時,在感謝大自然對人類的饋贈和啟發(fā)時,更要堅持科學精神,尊重歷史,尊重事實。
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