雷達的發明與蝙蝠有關嗎

雷達的發明與蝙蝠有關嗎

▲ 軍用雷達

說到雷達的發明,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,科學家透過反覆實驗研究,發現蝙蝠嘴裡可以發出超聲波,超聲波遇到障礙物會反射回來,傳到蝙蝠的耳朵裡,蝙蝠據此來改變飛行方向。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”,不過與蝙蝠發出超聲波不同,雷達透過天線發出的是無線電波。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編小學語文教科書收錄,位於四年級上冊。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係時,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典案例介紹給學生。

我們現在知道,蝙蝠判斷方位的方式叫作回聲定位。那麼問題來了:雷達真的是模仿蝙蝠的回聲定位發明的嗎?蝙蝠發出的超聲波和雷達發射的無線電波是不是一回事呢?讓我們一起回到100多年前,看看歷史上到底發生了什麼。

雷達的發明與蝙蝠有關嗎

▲ 軍用雷達

蝙蝠回聲定位的發現

人類在很久之前就認識了蝙蝠這種生物,並且注意到蝙蝠的生活習性與人類不同,屬於晝伏夜行類。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義大利生物學家對這個問題產生了興趣,並進行了實驗研究。他先是把蝙蝠關在完全漆黑且沒有任何障礙物的房間裡,發現蝙蝠幾乎不會飛了。但這似乎說明不了什麼,萬一是房間太黑,蝙蝠看不見,不敢飛呢?於是他又設計了進一步的實驗。當他將蝙蝠致盲或將其鼻子遮蔽後,再放入有障礙物的房間中,結果發現它們仍然可以自如地飛行;當他將蝙蝠的耳朵塞起來以後,發現蝙蝠就很容易撞到障礙物了。由此他推斷,蝙蝠是透過聽覺來導航的。隨後,他把自己的發現分享給其他研究者。這一發現引起了瑞士博物學家查爾斯·朱利安的興趣。

雷達的發明與蝙蝠有關嗎

▲ 軍用雷達

朱利安做了這樣一個實驗:他把蝙蝠的耳朵用蠟封住,發現蝙蝠總是會撞到電線上,由此他確認蝙蝠是透過聽覺來導航的。斯巴蘭扎尼又重複了朱利安的實驗,並試圖追根究底,可惜並未完成。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年前後)人類尚未發現超聲波,因此他的創見非但沒有產生轟動效應,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,他認為蝙蝠可以透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,他還發現可以透過煮沸殺死空氣中的微生物(法國科學家巴斯德受其啟發透過曲頸式實驗駁斥了自然發生說);他透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。

雷達的發明與蝙蝠有關嗎

▲ 軍用雷達

斯巴蘭扎尼關於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透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(頻率高於20000赫茲,超過人的聽力範圍)的裝置,當時還在哈佛讀書的格里芬抓著蝙蝠跑去找皮爾斯,首次發現蝙蝠可以發出超聲波。又過了兩年,格里芬與高拉姆博什透過實驗證明,蝙蝠的嘴能夠發出超聲波,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。

蝙蝠是透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·尼克森發明出來了,在第一次世界大戰中被應用到戰場上,用於偵察潛水艇的位置。後來,聲吶的技術也在進步,應用領域也不斷擴充套件。總的來說,聲吶的使用要比發現蝙蝠回聲定位的原理更早一些。

雷達的發明與蝙蝠有關嗎

JY-26相控陣雷達

雷達的發明與應用

雷達是一項重要的軍事發明,得益於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。對於電磁波會被物體反射的現象,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,但並未付諸實踐。因為那是在電磁波研究的早期階段,尚未投入應用。

進入20世紀以後,電磁波的傳送與接收已經應用於航海領域。1904年,德國工程師胡爾斯邁耶製造出一種可以探測船舶的裝置,它可以發射和接收電磁波;1922年,美國海軍在海上航道兩側安裝電磁波發射和接收裝置,用以探測來往船隻。當時的電磁波收發裝置是分離的,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出電磁波,如果能探測到這些電磁波訊號,就可以知道雷電的區域。他提出了“沃森·瓦特測向體制”,採用陰極射線管顯示無線電訊號,成功解決了對電磁訊號進行定位和視覺化的難題。在此研究過程中,瓦特還發現了微波磁控管的熱效應,後人根據這個原理髮明瞭微波爐。1933年,瓦特成為英國國家物理實驗所無線電研究室的主任。

雷達的發明與蝙蝠有關嗎

由於飛機在第一次世界大戰中(1914—1918年)投入軍用,從20世紀30年代開始,各國開始秘密研製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《採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准並付諸實踐,當年瓦特就研製出第一部可以探測飛機的雷達,該雷達可以發出波長為1。5釐米的微波,探測距離達到80千米。從1936年開始,瓦特協助英國架設了第一個雷達站。後來,英國建成長達200千米的雷達網(被稱為CH系統),在第二次世界大戰中發揮了巨大作用。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製雷達,包括美國、法國、德國、義大利、日本、蘇聯、荷蘭等。到1939年,雷達進入完全實用階段,並在第二次世界大戰中大顯神威。

總的來說,雷達的發明與改進是技術不斷進步的表現。由於雷達的研製後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,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。相似點在於,二者都是利用了波被物體反射可以測定方位的原理;差異在於,蝙蝠回聲定位使用的是超聲波,超聲波是一種聲波,其本質是物體的振動在空氣等介質中的傳播,如果沒有了介質,比如在真空環境下,聲波是無法傳播的,回聲定位就無法實現;雷達使用的是無線電波,其本質是電磁波,電磁波既可以透過介質傳播,也可以在真空中傳播。此外,從頻率(即每秒振動的次數)上看,超聲波的頻率在20000赫茲以上,醫用超聲波一般在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)。

雷達的發明與蝙蝠有關嗎

透過梳理這段歷史,我們可以發現,蝙蝠回聲定位的發現與雷達的發明是兩個獨立的事件,就現有的證據而言,無法證實後者是受到前者的啟發。由於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,而彼時雷達已經在軍事中獲得實際應用,這就讓雷達的發明受蝙蝠回聲定位啟發的說法難以自圓其說。我們在驚歎於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時,更要堅持科學精神,尊重歷史,尊重事實。