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雷达的发明与蝙蝠有关吗?

已有 3567 次阅读 2020-9-2 10:44 |个人分类:科学与历史|系统分类:科普集锦| 雷达, 蝙蝠, 回声定位

写在前面:中小学课本中有不少与科技史有关的内容,但受篇幅和其他因素限制,介绍不够详细,有些信息与事实多少存在一些出入,有的还在社会上引起了争议。从本月起,本人在《百科知识》杂志推出“课本里的科技史”系列科普文章,重点围绕材料有不足、师生有困惑、社会有争议的话题,通过科技史的视角,给大家提供一些参考。



说到雷达的发明,很多人会想到曾在小学语文教科书中学过的一篇课文《蝙蝠与雷达》。这篇课文提及,科学家通过反复实验研究,发现蝙蝠嘴里可以发出超声波,超声波遇到障碍物会反射回来,传到蝙蝠的耳朵里,蝙蝠据此来改变飞行方向。课文明确写到,科学家模仿蝙蝠探路的方法,给飞机装上了雷达”,不过与蝙蝠发出超声波不同,雷达通过天线发出的是无线电波。几十年来,这篇课文被各个不同版本的小学语文教科书收录,也被2019年出版的、教育部组织编写的统编小学语文教科书收录,位于四年级上册。不只是语文教科书,有些生物学教科书在介绍动物与人类的关系时,也会引用这个例子。例如人教版初中生物教科书在八年级上册就有一幅插图蝙蝠的回声定位与雷达”,很多生物教师将其作为仿生学的经典案例介绍给学生。

我们现在知道,蝙蝠判断方位的方式叫做回声定位。那么问题来了:雷达真的是模仿蝙蝠的回声定位发明的吗?蝙蝠发出的超声波和雷达发射的无线电波是不是一回事呢?让我们一起回到100多年前,看看历史上到底发生了什么。

 

蝙蝠回声定位的发现

 

人类在很久之前就认识了蝙蝠这种生物,并且注意到蝙蝠的生活习性与人类不同,属于昼伏夜行类。很自然地,人类想了解蝙蝠在夜间是如何飞行的,有人猜测它们的视力可能非常好。

18世纪的时候,一位名为斯巴兰扎尼的意大利生物学家对这个问题产生了兴趣,并进行了实验研究。他先是把蝙蝠关在完全漆黑且没有任何障碍物的房间里,发现蝙蝠几乎不会飞了。但这似乎说明不了什么,万一是房间太黑,蝙蝠看不见,不敢飞呢?于是他又设计了进一步的实验。当他将蝙蝠致盲或将其鼻子遮蔽后,再放入有障碍物的房间中,结果发现它们仍然可以自如地飞行;当他将蝙蝠的耳朵塞起来以后,发现蝙蝠就很容易撞到障碍物了。由此他推断,蝙蝠是通过听觉来导航的。随后,他把自己的发现分享给其他研究者。这一发现引起了瑞士博物学家查尔斯·朱利安的兴趣。

朱利安做了这样一个实验:他把蝙蝠的耳朵用蜡封住,发现蝙蝠总是会撞到电线上,由此他确认蝙蝠是通过听觉来导航的。斯巴兰扎尼又重复了朱利安的实验,并试图追根究底,可惜并未完成。更加遗憾的是,斯巴兰扎尼的想法实在有些超前,因为当时(1794年前后)人类尚未发现超声波,因此他的创见非但没有产生轰动效应,反而引起了别人的嘲讽。法国著名的博物学家居维叶,就批评了斯巴兰扎尼和朱利安的实验,他认为蝙蝠可以通过体表或翼膜的触觉来躲避障碍物。

顺便补充一句,斯巴兰扎尼简直是一位天才型的科学家。除了上述蝙蝠实验研究外,他还发现可以通过煮沸杀死空气中的微生物(法国科学家巴斯德受其启发通过曲颈甑实验驳斥了自然发生说);他通过实验证明消化包括化学变化,而非简单的物理变化;他还是第一个对狗进行人工授精的人。因此,巴斯德称斯巴兰扎尼为世界上最伟大的实验科学家之一。

斯巴兰扎尼关于蝙蝠的实验和猜想被埋没了一个多世纪。一直到1908年,美国动物学家哈恩才通过改进的实验验证了斯巴兰扎尼的实验结果。然而,真正的谜底揭晓则是在1938年。美国哈佛大学的皮尔斯设计出了可以探测超声波(频率高于20000赫兹,超过人的听力范围)的设备,当时还在哈佛读书的格里芬抓着蝙蝠跑去找皮尔斯,首次发现蝙蝠可以发出超声波。又过了两年,格里芬与高拉姆博什通过实验证明,蝙蝠的嘴能够发出超声波,其耳朵可以接收遇到障碍物反射回来的超声波,从而进行导航和定位。1944年,格里芬将蝙蝠的这种本领命名为回声定位”。需要说明的是,不仅是蝙蝠,其他一些哺乳动物和鸟类也有这种本领。

蝙蝠是通过反射的声波来定位的,你是否由此想到了人们使用声呐在海洋中判断方位和测距?其实,声呐早在1906年就被英国的刘易斯·尼克森发明出来了,在第一次世界大战中被应用到战场上,用于侦查潜水艇的位置。后来,声呐的技术也在进步,应用领域也不断扩展。总的来说,声呐的使用要比发现蝙蝠回声定位的原理更早一些。

 

雷达的发明与应用

 

雷达是一项重要的军事发明,得益于电磁波理论和技术的进步。德国物理学家赫兹在1888年证明了电磁波的存在,无线电报、无线电收音机、无线电广播相继问世。对于电磁波会被物体反射的现象,赫兹早就注意到了。1897年,俄国科学家波波夫提出了在海上利用无线电波探测目标的设想,但并未付诸实践。因为那是在电磁波研究的早期阶段,尚未投入应用。

进入20世纪以后,电磁波的发送与接收已经应用于航海领域。1904年,德国工程师胡尔斯迈耶制造出一种可以探测船舶的装置,它可以发射和接收电磁波;1922年,美国海军在海上航道两侧安装电磁波发射和接收装置,用以探测来往船只。当时的电磁波收发装置是分离的,这些装置被认为是早期的雷达。

说到雷达的发明,有一个不得不提的关键人物——英国物理学家沃森·瓦特。1915年,瓦特进入空军气象部门工作。考虑到飞机的飞行受到雷电天气的影响,瓦特认为,雷电会让空气分离从而发出电磁波,如果能探测到这些电磁波信号,就可以知道雷电的区域。他提出了沃森·瓦特测向体制”,采用阴极射线管显示无线电信号,成功解决了对电磁信号进行定位和可视化的难题。在此研究过程中,瓦特还发现了微波磁控管的热效应,后人根据这个原理发明了微波炉。1933年瓦特成为英国国家物理实验所无线电研究室的主任。

由于飞机在第一次世界大战中(1914-1918年)投入军用,从20世纪30年代开始,各国开始秘密研制远距离寻找飞机的仪器。1934年,瓦特偶然注意到无线电波可以在荧光屏上显示出来。次年2月,他向英国政府提交了《采用无线电方法探测飞机》的秘密备忘录,与之相关的研究计划很快被政府批准并付诸实践,当年瓦特就研制出第一部可以探测飞机的雷达,该雷达可以发出波长为1.5厘米的微波,探测距离达到80千米。从1936年开始,瓦特协助英国架设了第一个雷达站。后来,英国建成长达200千米的雷达网(被称为CH系统),在第二次世界大战中发挥了巨大作用。瓦特因此在1941年被授予爵士头衔。不仅是英国,其他国家也在同期研制雷达,包括美国、法国、德国、意大利、日本、苏联、荷兰等。到1939年,雷达进入完全实用阶段,并在第二次世界大战中大显神威。

总的来说,雷达的发明与改进是技术不断进步的表现。由于雷达的研制后来又跟军事牵涉甚多,基本上是在保密条件下开展的,可以说是在几个不同国家同时获得发展进步的。值得一提的是,“雷达”这个名词一直到20世纪40年代中期才出现,英文RadarRadio Detection And Ranging这几个单词的缩写。

 

蝙蝠回声定位与雷达之异同

 

蝙蝠回声定位和雷达的原理既有相似点,又有差异。相似点在于,二者都是利用了波被物体反射可以测定方位的原理;差异在于,蝙蝠回声定位使用的是超声波,超声波是一种声波,其本质是物体的振动在空气等介质中的传播,如果没有了介质,比如在真空环境下,声波是无法传播的,回声定位就无法实现;雷达使用的是无线电波,其本质是电磁波,与声波不同的是,电磁波既可以通过介质传播,也可以在真空中传播。此外,从频率(即每秒振动的次数)上看,超声波的频率在20000赫兹以上,医用超声波一般在1~30兆赫(1兆赫=106赫兹);雷达使用的无线电波具有从极低频到极高频的一个频谱,频率可以从3000赫兹到3000吉赫兹(1吉赫兹=109赫兹)。

通过梳理这段历史,我们可以发现,蝙蝠回声定位的发现与雷达的发明是两个独立的事件,就现有的证据而言,无法证实后者是受到前者的启发。由于斯巴兰扎尼的实验结果长期被忽视,直到20世纪40年代才被格里芬等人揭晓谜底,而彼时雷达已经在军事中获得实际应用,这就让雷达的发明受蝙蝠回声定位启发的说法难以自圆其说。我们在惊叹于造物主的鬼斧神工和人类的智慧时,在感谢大自然对人类的馈赠和启发时,更要坚持科学精神,尊重历史,尊重事实。

 

 

本文发表于《百科知识》2020-09A):24~26




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