付雷

說到雷達(dá)的發(fā)明，很多人會想到曾在小學(xué)語文教科書中學(xué)過的一篇課文《蝙蝠與雷達(dá)》。這篇課文提及，科學(xué)家通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(xué)家模仿蝙蝠探路的方法，給飛機(jī)裝上了雷達(dá)”，不過與蝙蝠發(fā)出超聲波不同，雷達(dá)通過天線發(fā)出的是無線電波。幾十年來，這篇課文被各個(gè)不同版本的小學(xué)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(xué)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(xué)教科書在介紹動物與人類的關(guān)系時(shí)，也會引用這個(gè)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(dá)”，很多生物教師將其作為仿生學(xué)的經(jīng)典案例介紹給學(xué)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(dá)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(dá)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(rèn)識了蝙蝠這種生物，并且注意到蝙蝠的生活習(xí)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(jì)，一位名為斯巴蘭扎尼的意大利生物學(xué)家對這個(gè)問題產(chǎn)生了興趣，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。他先是把蝙蝠關(guān)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(shè)計(jì)了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀豢梢宰匀绲仫w行；當(dāng)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(dǎo)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(xué)家查爾斯·朱利安的興趣。

朱利安做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：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(rèn)蝙蝠是通過聽覺來導(dǎo)航的。斯巴蘭扎尼又重復(fù)了朱利安的實(shí)驗(yàn)，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(shí)在有些超前，因?yàn)楫?dāng)時(shí)（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(yīng)，反而引起了別人的嘲諷。法國著名的博物學(xué)家居維葉，就批評了斯巴蘭扎尼和朱利安的實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為蝙蝠可以通過體表或翼膜的觸覺來躲避障礙物。

順便補(bǔ)充一下，斯巴蘭扎尼簡直是一位天才型的科學(xué)家。除了上述蝙蝠實(shí)驗(yàn)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(xué)家巴斯德受其啟發(fā)通過曲頸甑實(shí)驗(yàn)駁斥了自然發(fā)生說）；他通過實(shí)驗(yàn)證明消化包括化學(xué)變化，而非簡單的物理變化；他還是第一個(gè)對狗進(jìn)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(shí)驗(yàn)科學(xué)家之一。

斯巴蘭扎尼關(guān)于蝙蝠的實(shí)驗(yàn)和猜想被埋沒了一個(gè)多世紀(jì)。一直到1908年，美國動物學(xué)家哈恩才通過改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了斯巴蘭扎尼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，真正的謎底揭曉則是在1938年。美國哈佛大學(xué)的皮爾斯設(shè)計(jì)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(shè)備，當(dāng)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行導(dǎo)航和定位。1944年，格里芬將蝙蝠的這種本領(lǐng)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(lǐng)。

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(shí)，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(yīng)用到戰(zhàn)場上，用于偵察潛水艇的位置。后來，聲吶的技術(shù)也在進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)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(dá)的發(fā)明與應(yīng)用

雷達(dá)是一項(xiàng)重要的軍事發(fā)明，得益于電磁波理論和技術(shù)的進(jìn)步。德國物理學(xué)家赫茲在1888年證明了電磁波的存在，無線電報(bào)、無線電收音機(jī)、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(xué)家波波夫提出了在海上利用無線電波探測目標(biāo)的設(shè)想，但并未付諸實(shí)踐。因?yàn)槟鞘窃陔姶挪ㄑ芯康脑缙陔A段，尚未投入應(yīng)用。

進(jìn)入20世紀(jì)以后，電磁波的發(fā)送與接收已經(jīng)應(yīng)用于航海領(lǐng)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(cè)安裝電磁波發(fā)射和接收裝置，用以探測來往船只。當(dāng)時(shí)的電磁波收發(fā)裝置是分離的，這些裝置被認(rèn)為是早期的雷達(dá)。

說到雷達(dá)的發(fā)明，有一個(gè)不得不提的關(guān)鍵人物—英國物理學(xué)家沃森·瓦特。1915年，瓦特進(jìn)入空軍氣象部門工作?？紤]到飛機(jī)的飛行受到雷電天氣的影響，瓦特認(rèn)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(jìn)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(yīng)，后人根據(jù)這個(gè)原理發(fā)明了微波爐。1933年，瓦特成為英國國家物理實(shí)驗(yàn)所無線電研究室的主任。

由于飛機(jī)在第一次世界大戰(zhàn)中（1914—1918年）投入軍用，從20世紀(jì)30年代開始，各國開始秘密研制遠(yuǎn)距離尋找飛機(jī)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(jī)》的秘密備忘錄，與之相關(guān)的研究計(jì)劃很快被政府批準(zhǔn)并付諸實(shí)踐，當(dāng)年瓦特就研制出第一部可以探測飛機(jī)的雷達(dá)，該雷達(dá)可以發(fā)出波長為1.5厘米的微波，探測距離達(dá)到80千米。從1936年開始，瓦特協(xié)助英國架設(shè)了第一個(gè)雷達(dá)站。后來，英國建成長達(dá)200千米的雷達(dá)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(dá)，包括美國、法國、德國、意大利、日本、蘇聯(lián)、荷蘭等。到1939年，雷達(dá)進(jìn)入完全實(shí)用階段，并在第二次世界大戰(zhàn)中大顯神威。

總的來說，雷達(dá)的發(fā)明與改進(jìn)是技術(shù)不斷進(jìn)步的表現(xiàn)。由于雷達(dá)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(gè)不同國家同時(shí)獲得發(fā)展進(jìn)步的。值得一提的是，“雷達(dá)”這個(gè)名詞一直到20世紀(jì)40年代中期才出現(xiàn)，英文Radar是Radio Detection And Ranging這幾個(gè)單詞的縮寫。

蝙蝠回聲定位與雷達(dá)之異同

蝙蝠回聲定位和雷達(dá)的原理既有相似點(diǎn)，又有差異。相似點(diǎn)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(shí)現(xiàn)；雷達(dá)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(dá)使用的無線電波具有從極低頻到極高頻的一個(gè)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(dá)的發(fā)明是兩個(gè)獨(dú)立的事件，就現(xiàn)有的證據(jù)而言，無法證實(shí)后者是受到前者的啟發(fā)。由于斯巴蘭扎尼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果長期被忽視，直到20世紀(jì)40年代才被格里芬等人揭曉謎底，而彼時(shí)雷達(dá)已經(jīng)在軍事中獲得實(shí)際應(yīng)用，這就讓雷達(dá)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(shí)，在感謝大自然對人類的饋贈和啟發(fā)時(shí)，更要堅(jiān)持科學(xué)精神，尊重歷史，尊重事實(shí)。