別作聲，我們?cè)谘芯坑钪?/h1>
2018-06-19 06:20:12石無(wú)魚(yú)
讀者·校園版 2018年13期
石無(wú)魚(yú)
射電天文學(xué)家之煩惱
幾十年前，我們頭頂上的空間對(duì)于射電天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，還是非常安靜的處所。那時(shí)，即便使用最靈敏的天線，也只能接收到一些非常微弱的無(wú)線電波信號(hào)：產(chǎn)生于太古宇宙的微波背景輻射的嘶嘶聲，旋轉(zhuǎn)中的中子星發(fā)出的精確的鼓點(diǎn)聲（脈沖星信號(hào)），閃電低沉的呼嘯聲……然后，有了廣播、電視，它們龐大的發(fā)射塔讓空中充滿(mǎn)了電磁噪音?，F(xiàn)在，又加上手機(jī)、GPS、閉路電視、無(wú)線寬帶等，而且很多還是可移動(dòng)的。于是，平靜的太空終于嘈雜聲一片。
射電天文學(xué)家非常清楚這一切會(huì)造成什么后果。干他們這一行，需要一個(gè)非常安靜的無(wú)線電波工作環(huán)境，因?yàn)橹挥羞@樣，才能探測(cè)到來(lái)自宇宙深處的某些微弱信號(hào)。而當(dāng)空間充滿(mǎn)喧囂，安靜就越來(lái)越難覓到了。如今，射電天文學(xué)家們不得不為他們的一項(xiàng)基本權(quán)利——擁有安靜的權(quán)利，而斗爭(zhēng)。
管理和分配無(wú)線電波
這些五花八門(mén)的無(wú)線電信號(hào)，事實(shí)上影響著我們每個(gè)人的生活。因?yàn)闊o(wú)線電信號(hào)不像子彈，只射向一個(gè)地方，它發(fā)射出去后，是要在整個(gè)空間彌漫開(kāi)來(lái)的——除非被阻擋住了，否則任何人在任何地方用適當(dāng)?shù)难b置都能接收到。因此，倘若不對(duì)電波進(jìn)行管理，將出各種亂子：你家的電視信號(hào)可能在你每次打電話時(shí)被切斷，或者因?yàn)槟隳檬謾C(jī)撥個(gè)電話，飛機(jī)就突然從天上掉下來(lái)，因?yàn)槟愕氖謾C(jī)信號(hào)干擾了航班的正常飛行……
如何管理？那就要對(duì)無(wú)線電波的波段進(jìn)行分配。因?yàn)闊o(wú)線電波的頻率范圍是很寬的，從3千赫一直到300吉赫（頻率低于3千赫的叫超低頻波，高于300吉赫的叫遠(yuǎn)紅外線）。分配就是對(duì)每個(gè)波段甚至某個(gè)特定頻率指定一個(gè)專(zhuān)門(mén)的用途，然后大家共同遵守，這樣各種設(shè)備就不會(huì)彼此干擾了。
國(guó)際上有專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)做這件事情。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際電信聯(lián)盟主持下的世界無(wú)線電通信大會(huì)，每4年都要在日內(nèi)瓦舉行一次，參會(huì)者來(lái)自各國(guó)商界、科學(xué)界和政府部門(mén)，會(huì)議最重要的一項(xiàng)議題就是協(xié)商無(wú)線電波的分配。
達(dá)成國(guó)際協(xié)議后，就產(chǎn)生了大家一致遵守的某些規(guī)則，例如全球空中飛行器的無(wú)線電呼救信號(hào)頻率統(tǒng)一為121.5兆赫。此外，人們還詳盡地制定出，哪些國(guó)家、哪些機(jī)構(gòu)可以在什么地方使用哪些波段的無(wú)線電波等細(xì)則。結(jié)果是，電視和廣播播出的無(wú)線電波只能被電視和收音機(jī)接收，手機(jī)只能接收手機(jī)信號(hào)，還有GPS、氣象衛(wèi)星、汽車(chē)停車(chē)?yán)走_(dá)、用于檢測(cè)鐵路線上是否有障礙物的火車(chē)?yán)走_(dá)，以及所有其他信號(hào)的發(fā)射和接收裝置，都可以在工作時(shí)井水不犯河水。
干擾日益嚴(yán)重
在世界無(wú)線電通信大會(huì)上，大家出于對(duì)科學(xué)研究的尊重，往往給射電天文學(xué)家預(yù)留某些波段，不參與分配。但對(duì)射電天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這樣做是不夠的，因?yàn)樘热羝渌猛镜牟ǘ闻c為他們預(yù)留的波段太接近，還是會(huì)對(duì)研究工作造成干擾。
舉個(gè)例子。宇宙中氫原子發(fā)射的無(wú)線電波，集中在從1400兆赫到1427兆赫的波段，此波段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為21厘米。這個(gè)21厘米波揭示了以中性氫原子為主要成分的星際氣體云的存在，可用于描繪銀河系旋臂和跟蹤它的旋轉(zhuǎn)。保護(hù)此波段不被人工信號(hào)干擾，對(duì)于射電天文學(xué)家十分重要。
過(guò)去傳統(tǒng)的電視、廣播，其使用的頻率都在千赫和兆赫的量級(jí)，遠(yuǎn)低于這個(gè)波段，所以干擾基本可以忽略。但是，電波的頻率越高，其帶寬越大;帶寬越大，信息傳輸速度越快。頻率從幾百兆赫到幾吉赫是移動(dòng)3G、4G和寬帶業(yè)務(wù)的最佳波段。而隨著移動(dòng)技術(shù)向5G業(yè)務(wù)推進(jìn)，電信公司還要向更高頻率的波段“入侵”。這一切使得人類(lèi)通訊對(duì)天文研究的干擾日益嚴(yán)重。
天文學(xué)家的對(duì)策
一般來(lái)說(shuō)，射電天文學(xué)家在電波分配問(wèn)題上擁有優(yōu)先權(quán)。比如，當(dāng)別人申請(qǐng)使用的某個(gè)波段靠近預(yù)留波段時(shí)，他們會(huì)建議在兩者之間開(kāi)辟一個(gè)“緩沖區(qū)”——防止申請(qǐng)的波段和太靠近預(yù)留波段，以免干擾信號(hào)的頻率“溢入”預(yù)留波段。
如果這還不夠，他們就要?jiǎng)佑梅駴Q權(quán)。比如2015年，某國(guó)電信公司的一項(xiàng)申請(qǐng)威脅到21厘米波段時(shí)，天文學(xué)家經(jīng)過(guò)評(píng)估認(rèn)為，僅當(dāng)一座射電天文臺(tái)方圓500千米以?xún)?nèi)沒(méi)有電信發(fā)射基站時(shí)，才不會(huì)對(duì)研究造成影響，而電信公司表示無(wú)法做到這一點(diǎn)，于是它的申請(qǐng)被否決了。
另一個(gè)解決方案是創(chuàng)建允許兩個(gè)或多個(gè)用途的共享波段。比如在無(wú)線電波的高頻區(qū)，共享會(huì)變得比較容易，因?yàn)闊o(wú)線電波被大氣吸收得很快，特別是在數(shù)十吉赫及以上的波段。只要大家事先協(xié)調(diào)好在哪里、在何時(shí)進(jìn)行信息傳輸，射電望遠(yuǎn)鏡就可以避免受到干擾。
對(duì)于天文學(xué)家自身來(lái)說(shuō)，他們還可以把射電望遠(yuǎn)鏡建在與世隔絕的高海拔地區(qū)以減少干擾。未來(lái)，還可以考慮把射電望遠(yuǎn)鏡建到南極甚至月球上。
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射電天文學(xué)家非常清楚這一切會(huì)造成什么后果。干他們這一行，需要一個(gè)非常安靜的無(wú)線電波工作環(huán)境，因?yàn)橹挥羞@樣，才能探測(cè)到來(lái)自宇宙深處的某些微弱信號(hào)。而當(dāng)空間充滿(mǎn)喧囂，安靜就越來(lái)越難覓到了。如今，射電天文學(xué)家們不得不為他們的一項(xiàng)基本權(quán)利——擁有安靜的權(quán)利，而斗爭(zhēng)。
管理和分配無(wú)線電波
這些五花八門(mén)的無(wú)線電信號(hào)，事實(shí)上影響著我們每個(gè)人的生活。因?yàn)闊o(wú)線電信號(hào)不像子彈，只射向一個(gè)地方，它發(fā)射出去后，是要在整個(gè)空間彌漫開(kāi)來(lái)的——除非被阻擋住了，否則任何人在任何地方用適當(dāng)?shù)难b置都能接收到。因此，倘若不對(duì)電波進(jìn)行管理，將出各種亂子：你家的電視信號(hào)可能在你每次打電話時(shí)被切斷，或者因?yàn)槟隳檬謾C(jī)撥個(gè)電話，飛機(jī)就突然從天上掉下來(lái)，因?yàn)槟愕氖謾C(jī)信號(hào)干擾了航班的正常飛行……
如何管理？那就要對(duì)無(wú)線電波的波段進(jìn)行分配。因?yàn)闊o(wú)線電波的頻率范圍是很寬的，從3千赫一直到300吉赫（頻率低于3千赫的叫超低頻波，高于300吉赫的叫遠(yuǎn)紅外線）。分配就是對(duì)每個(gè)波段甚至某個(gè)特定頻率指定一個(gè)專(zhuān)門(mén)的用途，然后大家共同遵守，這樣各種設(shè)備就不會(huì)彼此干擾了。
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達(dá)成國(guó)際協(xié)議后，就產(chǎn)生了大家一致遵守的某些規(guī)則，例如全球空中飛行器的無(wú)線電呼救信號(hào)頻率統(tǒng)一為121.5兆赫。此外，人們還詳盡地制定出，哪些國(guó)家、哪些機(jī)構(gòu)可以在什么地方使用哪些波段的無(wú)線電波等細(xì)則。結(jié)果是，電視和廣播播出的無(wú)線電波只能被電視和收音機(jī)接收，手機(jī)只能接收手機(jī)信號(hào)，還有GPS、氣象衛(wèi)星、汽車(chē)停車(chē)?yán)走_(dá)、用于檢測(cè)鐵路線上是否有障礙物的火車(chē)?yán)走_(dá)，以及所有其他信號(hào)的發(fā)射和接收裝置，都可以在工作時(shí)井水不犯河水。
干擾日益嚴(yán)重
在世界無(wú)線電通信大會(huì)上，大家出于對(duì)科學(xué)研究的尊重，往往給射電天文學(xué)家預(yù)留某些波段，不參與分配。但對(duì)射電天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這樣做是不夠的，因?yàn)樘热羝渌猛镜牟ǘ闻c為他們預(yù)留的波段太接近，還是會(huì)對(duì)研究工作造成干擾。
舉個(gè)例子。宇宙中氫原子發(fā)射的無(wú)線電波，集中在從1400兆赫到1427兆赫的波段，此波段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為21厘米。這個(gè)21厘米波揭示了以中性氫原子為主要成分的星際氣體云的存在，可用于描繪銀河系旋臂和跟蹤它的旋轉(zhuǎn)。保護(hù)此波段不被人工信號(hào)干擾，對(duì)于射電天文學(xué)家十分重要。
過(guò)去傳統(tǒng)的電視、廣播，其使用的頻率都在千赫和兆赫的量級(jí)，遠(yuǎn)低于這個(gè)波段，所以干擾基本可以忽略。但是，電波的頻率越高，其帶寬越大;帶寬越大，信息傳輸速度越快。頻率從幾百兆赫到幾吉赫是移動(dòng)3G、4G和寬帶業(yè)務(wù)的最佳波段。而隨著移動(dòng)技術(shù)向5G業(yè)務(wù)推進(jìn)，電信公司還要向更高頻率的波段“入侵”。這一切使得人類(lèi)通訊對(duì)天文研究的干擾日益嚴(yán)重。
天文學(xué)家的對(duì)策
一般來(lái)說(shuō)，射電天文學(xué)家在電波分配問(wèn)題上擁有優(yōu)先權(quán)。比如，當(dāng)別人申請(qǐng)使用的某個(gè)波段靠近預(yù)留波段時(shí)，他們會(huì)建議在兩者之間開(kāi)辟一個(gè)“緩沖區(qū)”——防止申請(qǐng)的波段和太靠近預(yù)留波段，以免干擾信號(hào)的頻率“溢入”預(yù)留波段。
如果這還不夠，他們就要?jiǎng)佑梅駴Q權(quán)。比如2015年，某國(guó)電信公司的一項(xiàng)申請(qǐng)威脅到21厘米波段時(shí)，天文學(xué)家經(jīng)過(guò)評(píng)估認(rèn)為，僅當(dāng)一座射電天文臺(tái)方圓500千米以?xún)?nèi)沒(méi)有電信發(fā)射基站時(shí)，才不會(huì)對(duì)研究造成影響，而電信公司表示無(wú)法做到這一點(diǎn)，于是它的申請(qǐng)被否決了。
另一個(gè)解決方案是創(chuàng)建允許兩個(gè)或多個(gè)用途的共享波段。比如在無(wú)線電波的高頻區(qū)，共享會(huì)變得比較容易，因?yàn)闊o(wú)線電波被大氣吸收得很快，特別是在數(shù)十吉赫及以上的波段。只要大家事先協(xié)調(diào)好在哪里、在何時(shí)進(jìn)行信息傳輸，射電望遠(yuǎn)鏡就可以避免受到干擾。
對(duì)于天文學(xué)家自身來(lái)說(shuō)，他們還可以把射電望遠(yuǎn)鏡建在與世隔絕的高海拔地區(qū)以減少干擾。未來(lái)，還可以考慮把射電望遠(yuǎn)鏡建到南極甚至月球上。
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