在信息时代，地球被无线电的海洋所包围。现代人生活在其中，却常常“用而不知”。其背后的理论研究和后人应用发展的眼光，共同构成了20世纪的文明之光。
作者|流熵
今天是世界无线电日。如今，收音机已经渗透到我们生活的每一个角落，但大多数人却“使用它而不自知”。除了大家熟知的收音机、对讲机、手机、WIFI、蓝牙，很多人不知道的是，身份证、公交卡、银行卡也使用了无线电技术。它们使用基于无线电原理的射频识别和近场通信技术。每次刷卡都是一个无线电通讯的过程。另外，飞机、轮船、高铁都离不开无线电。无论飞船飞得离地球多远，都可以通过无线电进行控制和通讯。你甚至可以用射电望远镜接收来自宇宙边缘的信息！
无线电技术诞生至今已有120多年，培育了许多产业形态，深刻改变了人类的生活方式，拓展了人类的科学视野，成为20世纪文明的标志之一。无线电通信技术的代表先驱、意大利人马可尼也因此受到世人敬仰，获得诺贝尔物理学奖。但是，美国一位著名的教育家说过，“无论我们从无线电中获得多么大的快乐，无论无线电和无线电给人类生活带来什么，马可尼的贡献几乎可以忽略不计。”你从哪里开始？
收音机到底是什么？怎么用？
让我们来看看什么是无线电。
毕竟，无线电是一种利用电磁波传输信息或能量的技术。之所以叫收音机，是因为它摆脱了电线的束缚。它以非接触的方式传递信息和能量，帮助人们突破距离的障碍。只要有无线电信号，任何距离都可以通信。太空探测器的信号发射和接收原理和我们的手机一样:在发射端通过电磁振荡产生无线电波，通过天线耦合到接收端无线电波的能量，然后转换成电路信号进行分析处理。
电磁波速度公式及示意图
电磁波是由电和磁相互感应产生的，其速度为光速，约为每秒30万公里，等于频率和波长的乘积。电磁波的波长越短，频率越高，能量越强。电磁波有两种来源:一种是自然的，如闪电、太阳和宇宙射线；一种是人为的，比如高压电力线，雷达，收音机，WIFI。根据频率从低到高，电磁波可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。无线电的频率在3000GHz以内[2]，所以是电磁波家族的一员。
电磁波谱族
除了利用无线电波的波动特性传递信息，人们还可以利用无线电波的反射特性实现目标探测，如雷达、遥测、遥感、导航等。无线电还有传递能量的特性，可以用来制作微波炉、电磁炉等加热物体的装置。基于无线电波的这些特性，人们开发了各种医疗设备来诊断和治疗疾病。
鹊桥中继星为嫦娥四号和玉兔二号提供无线电信号中继服务。
如今，在我们这个信息时代，可以说地球被无线电的海洋所包围。无线电的实际应用我们就不列举太多了。无线电技术的所有原理都可以从麦克斯韦方程组推导出来。
无线电频谱:一种看不见摸不着的稀有资源
如果把信息比作货物，无线电波是运载货物的汽车，那么无线电频谱就是移动通信中的信息运输之路。就像以不同的方式驾驶一样，不同的无线电服务应该使用不同的频率。把频率按照高低顺序排列，就像乐谱一样，是无线电频谱，是实现移动通信不可或缺的核心资源。无线电频谱作为一种特殊的自然资源，具有巨大的经济、社会和战略价值，是近百年来人类新发现的巨大宝藏。
与石油、水、矿产、森林等自然资源不同，无线电频谱资源不会被消耗。人用或不用，它就在那里，不增不减，不生不死。然而，在特定的技术条件下，频谱资源的可用范围是有限的。在一定的区域、时间和频率域内，一旦使用了某个频率，其他设备就不能再使用，否则会造成干扰。因此，它的科学使用可以获得价值。如果不使用，会造成浪费。
无线电频谱资源虽然是人类共有的，但对于一个主权国家来说，是国家拥有的稀缺战略和经济资源。它们的开发利用关系到国家经济社会发展，也关系到国家主权和安全，应由我国专门的政府机构进行分配和管理[3]。在国际上，世界各国都必须按照国际电信联盟制定的无线电规则对无线电频谱资源进行规划和管理[4]。
无线电管理部门根据频率划分规定和划分图为各行各业划分频率。
诺贝尔经济学奖获得者、“频率政策改革之父”科斯通过在大学教书时对无线电等公共资源配置的研究，于1959年发表了《联邦通信委员会》一文[5]。同年，他提出了著名的“科斯定律”。其核心思想是产权是市场交换的前提。“科斯定律”为无线电频谱的市场化交易奠定了理论基础。
“频率政策改革之父”——科斯
随着移动通信的兴起，无线电频谱资源变得非常受欢迎。1989年，新西兰首次拍卖无线电频谱。1994年，美国举行了首次无线电频谱拍卖。随后，许多欧美国家开始尝试无线电频谱的市场分配，全球电信业进入新的发展阶段，各种无线服务更加便捷和深入地服务于公众。
2000年，德国第三代移动通信频谱单次拍卖价格达到510亿欧元。1994年至2015年间，美国组织了96次频谱拍卖。其中，2015年的拍卖为美国政府带来了450亿美元的净收入。
当然，无线电频谱也给我国带来了巨大的经济增长。相关机构通过研究1999-2005年国内生产要素对经济增长的贡献率，计算出当时频谱资源的贡献率为4.61%，早已超过人力资本对经济增长的贡献率[6]。而我国政府并没有对频谱资源征税，这大大降低了我国三大移动通信运营商的成本，这也是我国手机信号覆盖远优于欧美国家的主要原因之一。很多欧美国家的通信网络还没开始建设，运营商就因为频谱资源的获取而背负巨额债务。
马可尼:无线电通信技术的先驱
远距离无线电通信的成功是20世纪文明的标志之一，它前所未有地拉近了世界的距离。跨大西洋无线电通信的成功被历史学家视为具有世界历史意义的技术事件，马可尼是无线电通信技术的代表先驱。
马可尼出生在意大利博洛尼亚的一个富裕家庭。虽然他没有接受完整的学历教育，但是他接受了良好的家庭教育。他家不仅有私人图书馆和实验室，在他十几岁的时候，他还聘请了博洛尼亚大学的物理学教授奥古斯托·里吉(Augusto Rigi)担任导师。
马可尼|图片来源:维基百科
德国物理学家赫兹从1886年到1889年通过实验证明了电磁波的存在。赫兹发现的电磁波引起了马可尼的兴趣。1895年，马可尼在家中开始实验，实现了无线电波的发射和接收，并逐渐扩大了发射和接收的距离。但是向意大利政府申请资助失败了，于是马可尼和他的母亲去了英国寻求机会。
1896年2月，马可尼到达伦敦，幸运地得到了英国邮政局总工程师威廉·普莱斯的赏识和帮助。他在英国继续实验，提高了设备的性能，扩大了传输的有效范围，大大提升了通信的应用价值，得到了英国海军和陆军部门的重视和支持，为他次年成立公司奠定了基础。
1999年3月，马可尼首次横渡英吉利海峡，完成了英法之间的国际无线电通信。1901年12月12日，马可尼成功地用莫尔斯电码传输了无线电信号，将字母“S”从英国康沃尔的陶尔发到了加拿大纽芬兰的圣约翰。它第一次穿越大西洋，距离达2100英里，在世界上引起了轰动。1907年10月，马可尼进一步开通了英国和加拿大之间的跨大西洋商业无线电报通信服务。
马可尼建造的第一台无线电发射机可以通过莫尔斯电码传送无线电信号。
1909年，马可尼因对无线电报发展的贡献与德国物理学家布劳恩分享了诺贝尔物理学奖。
1914年，第一次世界大战爆发后，马可尼回到意大利服兵役，1916年在海军司令部晋升为中校军衔。今年以来，马可尼开始了10米以下波长无线电技术的研究，从而奠定了现代远距离无线电通信的基础。1919年，马可尼在中国上海成立了一家公司，经营电子管、整流器和其他无线电产品。
1922年，马可尼的公司作为出资人之一，参与建立了英国广播公司，即BBC。
1929年，马可尼被封为侯爵，并担任意大利皇家学院院长。
1333年，马可尼在环球旅行中访问了中国，受到了军政学界团体的热烈欢迎。[7]
1937年7月20日，马可尼在罗马因心脏病去世，意大利政府为他举行了国葬。
值得一提的是波波夫、特斯拉、洛奇等。几乎与马可尼同时也在进行无线电应用。
从无用的理论到有用的无线电
20世纪20年代的一天，美国著名教育家flexner遇到了一位七十多岁的老先生Eastman，这位公认的大众摄影之父，柯达公司的创始人。当时，伊士曼正准备将毕生积蓄的很大一部分投入到美国高等教育中，以促进“有用学科”的发展。
弗莱克斯纳问伊士曼:“你心目中最‘有用’的科学家是谁？”
伊斯曼不假思索地说:“马可尼。”在伊斯曼看来，马可尼的发明从根本上改变了人类的交流方式，推动了整个人类文明的发展。
没想到，弗莱克斯纳语出惊人:“亲爱的伊士曼先生，在我看来，无论我们从无线电中获得多么大的快乐，无论无线电和无线电给人类生活带来什么，马可尼的贡献几乎可以忽略不计。”
面对这位老先生震惊的目光，普林斯顿高等研究院的创始人[8]解释道，“伊斯曼先生，马可尼的出现是必然的，因为在此之前，一位巨人已经默默为无线电的发明铺好了所有的台阶，只有当有人爬上台阶赢得桂冠时，那个人就是麦克斯韦”。正是在1865年，他对电磁场进行了数学研究，并于1873年发表了《电学和磁学》。[9]
麦克斯韦|图片来源:维基百科
1931年，爱因斯坦在庆祝麦克斯韦百岁诞辰时提出了“麦克斯韦方案”:用场来描述物理现实，用偏微分方程来解释场。经典场论应该是量子定律的起点，没有经典场论就没有量子理论。正是麦克斯韦的这些思想启发了爱因斯坦。[10]
类似于flexner著名的“有用无用论”，还有一个故事值得一提。
诚然，麦克斯韦是电磁场理论的开创者和集大成者，为人类认识自然做出了无可比拟的贡献，他的理论研究是以法拉第为基础的。
法拉第家境贫寒，没有接受过学历教育。凭着刻苦自学和刻苦钻研的智慧，他在电磁学和化学领域做出了杰出的贡献。他是个简朴的人，不求名利。他不仅放弃了利润丰厚的商业工作，还拒绝了皇家学会的主席和骑士的职位。他在皇家学院的实验室里做了一辈子平民，只为探索科学真理。
法拉第|图片来源:维基百科
1837年，法拉第引入了电场和磁场的概念，指出电和磁的周围都有场，打破了牛顿力学中“距离作用”的传统概念。1838年，他提出了电力线的新概念来解释电和磁的现象，这是物理学理论的重大突破。1843年，法拉第用著名的“冰桶实验”证明了电荷守恒定律。1845年，他发现了“磁光效应”，用实验证明了光和磁的相互作用，奠定了电、磁、光统一理论的基础。法拉第和他的前辈一样，研究电和磁是为了了解自然，追求真理，而不是实用性。
19世纪50年代的一天，新任财政大臣格莱斯顿[11]去皇家学院听法拉第关于电磁学的讲座。当他离开时，他问，“但是法拉利先生，这有什么用？”法拉第回答说:“部长先生，也许用不了多久你就可以收它的税了！”几十年后，电真的成了实用的东西，英国政府真的收了电税。[12]
当时的科学家法拉第和政治家格拉德斯通大概都无法想象，一百多年后，电磁学发展出来的技术的应用，还让政府收取了一大笔更为可观的“税”——也就是上面提到的无线电频谱资源使用费。
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的确，理论研究是应用和发展的前提。没有理论作为基础，就没有后期的技术实现、工程应用、市场转化和价值分配。1864年，麦克斯韦从理论上预言了电磁波和电磁场的存在，并计算推导出电磁波和光具有相同的速度。这些预测在20多年后被赫兹的实验完美地证明了。赫兹证实了这个事实，但是没有考虑应用它。马可尼和波波夫又过了20年才真正使用无线电。到了20世纪末，无线电频谱资源的市场配置及其经济价值的体现，也是几十年前基于科斯定律预测出来的。收音机就是这样一步步走过来的。希望你能多关注基础理论研究，回归扎实的基础理论，往往能引发无穷无尽的创新实践。
人类对火的认识、利用和掌握是认识和改造自然的第一次实践。从此，人类告别了吃皮毛喝鲜血的蒙昧时代，拉开了文明的序幕。无线电波和电磁场，这种看不见摸不着的特殊物质，一百多年来代代相传，如今已成燎原之火。不得不说，这是人类认识和改造自然的又一次伟大飞跃！
文末推荐《今日归园——麦克斯韦方程组进化史》中的三篇文章。作者詹姆斯·劳蒂奥是十四行诗软件的创始人。这篇文章对电磁学做了更深入具体的介绍。本刊主编温小刚教授也在2016年4月推荐了这篇文章。
注释和参考文献
[1]2013年1月14日，联合国大会批准了联合国教科文组织将2月13日定为世界无线电日的提议。
[2]根据《中华人民共和国无线电频率划分条例》1.1.4，无线电波是指规定频率在3000GHz以下，在空之间传播，不需要人工波导的电磁波。
[3]龙，夏春丽，《法兰西电台研究》，法律出版社，2014年8月，第一版，
[4]国际电信联盟的前身是国际电报公约组织，是联合国机构中历史最悠久的国际组织。
[5]联邦通信委员会法律与经济学杂志2 : 1-40
[6]杨伟峰，无线电频谱资源的巨大价值，无线电杂志，人民邮电出版社，2019年5月，P61。
[7]刘伯杰和李言平，马可尼1933年的中国之行，《广西民族大学学报》，2008年8月。
[8]普林斯顿高等研究院，简称IAS，1930年成立于美国新泽西州普林斯顿。它是世界著名的理论研究机构，但不是普林斯顿大学的一部分。普林斯顿高等研究院是一个研究机构，各个领域的顶尖学者在这里做最纯粹的前沿研究，没有任何教学任务、研究经费或资助人的压力。早期的著名学者有爱因斯坦、冯·诺依曼、哥德尔、奥本海默。
[9]亚伯拉罕·弗莱克斯纳:1939年。“无用知识的有用性”。哈珀杂志。
[10]许等译:《爱因斯坦全集》，第一卷，商务印书馆，1976年，P292。
[11]格莱斯顿是英国著名的政治家。他在1853年成为财政大臣，然后四次担任英国首相。格莱斯顿是美国总统伍德罗·威尔逊的偶像，被学者们列为最伟大的英国首相之一。
[12]秦关根:法拉第，中国青年出版社，2010年，P286。
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