诺贝尔物理学奖史演义系列(九)——马可尼和布劳恩

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-02-26

开无线电技术研究先河的两位科学家同时获得1909年度诺贝尔物理学奖。

无线电技术与我们生活息息相关,广播、电视、手机、互联网、雷达、导航等都有它的身影。无线电是指在空气或真空里传播的电磁波,无线电技术则是指用电波传播信号的技术,是电磁学的最重要应用。从发现电磁力到无线电的广泛运用这一百多年里,许多物理学家都做出了重要贡献。其中,开无线电技术研究先河的两位科学家同时获得1909年度诺贝尔物理学奖。

无线通信技术应用一例(来源:新浪)

无线通信技术应用一例(来源:新浪)

无线通讯步步高

19世纪末,经过法拉第、麦克斯韦、赫兹等科学家的不懈努力,电磁学得到长足发展。机缘巧合,意大利物理学家马可尼发现电磁波居然不用电线媒介就能远距离传递信息。其实,这种用看不见的电磁波来传递信息的方式都是无线电通信。

马可尼是正宗的“富二代”,启蒙教育是在家里完成的。10多岁时即对物理学产生兴趣,尤其喜欢读麦克斯韦、洛奇、赫兹等前辈的著作。1895年,21岁的他在自家的庄园做了人生中第一个电磁学实验;他设计了发射机并实现了无线电信号2.4千米距离的传输;他也是世界上首位发现电磁波可以传递信息并付诸实践的科学家。

马可尼设计的发射机(来源:搜狐)

马可尼设计的发射机(来源:搜狐)

很快,马可尼将无线电通信距离提高到13千米,并开始根据电报密码来做发电机电键,进行远距离无线通讯的实验。为了进一步研究无线电的商业应用,他创立了无线电报通信公司(即马可尼无线电公司的前身)。1898年,跨距45千米的英吉利海峡无线电报通信实验成功,两岸可以顺利进行电报联系。马可尼下一个目标就是让无线电横跨大西洋!

无线电报穿越大西洋,这可是个大挑战。大西洋跨越达3700千米,这是真正的超远距离无线传播;而且,当时很多人都认为电磁波和光一样直线传播,大西洋弯曲的地球表面不能传播电磁波。行不行做了再说,马可尼抱着这样的心态,做了很多次实验。1901年,他在加拿大接收到大西洋彼岸英国发射台传来的无线电报,这个实验让世界震惊。很快,从美国向英国《泰晤士报》用无线电传递新闻,可以实现当天见报。许多国家的军事要塞、海港船舰大都装备有无线电设备,比如大西洋航线上行驶的邮船。美国政府请马可尼主持修造了一座大功率的发射台,由美国总统给英国国王发了第一封无线电报。无线电成了全球性的事业。

史上第一次跨大西洋电报通讯图解,出自马可尼的诺贝尔奖讲座(来源:物理双月刊)

史上第一次跨大西洋电报通讯图解,出自马可尼的诺贝尔奖讲座(来源:物理双月刊)

马可尼的成就举世瞩目,很多人称他为“无线电之父”,如此功勋在身,他站在1909年诺贝尔物理学奖的领奖台上也不足为怪。

马可尼让无线电飞遍全球的过程中,不少科学家都在背后默默付出,其中德国物理学家布劳恩最为耀眼。他对无线电报进行改善,从而与马可尼平分年度诺贝尔物理学奖。

无线技术攻难题

卡尔•费迪南德•布劳恩生于德国富尔达市,父亲是正宗的公务员。从小衣食无忧,接受良好教育。1868年,16岁的布劳恩进入德国马尔堡大学,开始接触自然科学。1872年,获得柏林大学物理学博士学位。次年,进入莱比锡的一家中学任教,主要教数学和自然两门。在这家不出名的学校里,他开始系统研究振荡电流,迈出电磁学研究之旅的第一步。此后,他在马尔堡大学、斯特拉斯堡大学及卡尔斯鲁厄大学任物理学教授,直到1895年回到斯特拉斯堡大学任物理研究所主任。从这些经历来看,布劳恩有条件进行电磁学实验。

布劳恩在电学上做出的第一贡献是发明了阴极射线管。19世纪末,很多科学家都在研究阴极射线,其中不乏取得成绩者。德国物理学家伦琴发现X光英国物理学家汤姆孙发现电子的消息传来,布劳恩也投身于这一领域。1897年,他在真空玻璃管的一端装上电极,这样从阴极发出的电子受静电力影响就会发射出电子束(即阴极射线)。磁场改变时电子束也会发生偏转,如此就在荧屏上得到波动的图像。科学家们把这个玻璃管叫做阴极射线管(缩写CRT),又称布劳恩管。由于后人改进此管以用于电视、计算机等电子设备的图像显示,所以布劳恩管又俗称显像管。

用于实验中的布劳恩管(来源:花瓣网)

用于实验中的布劳恩管(来源:花瓣网)

阴极射线管在实验中的广泛应用让布劳恩很受激励。他得知马可尼正在推广无线电的消息后,便投入到无线电技术的研究中。研读无线电论文及相关报道后,发现当时的无线电技术中有两个难题,其一是无法让电磁波沿指定的方向发射。换言之,以前马可尼无线传输实验只是结果,没有对过程进行物理控制。经过多次实验,马可尼发明了定向天线。可以保证在指定的方向上发出无线电波,这样就有效减少了能量消耗。1902年,他用定向天线系统接收到定向发射的信号。

第二个问题是缺少可靠的电报接收机和发射机。为此,布劳恩在接收机里面加入晶体探测器,以提高接收的敏感度。发射机方面,马可尼由于研究太杂又忙于推广无线电,所以只是发明了具基本功能的发报机。布劳恩反复研究马氏发报机后对其进行改装,新发报机由电容器和闭路线圈构成,线圈与不带火花的天线相连。不同电容振荡产生不同的电流。同时,此机的频带被调得很窄。这样,发射机可以发出不同信息的电磁波,接收机接收后再转出即可。马可尼能完成1901年无线电跨越大西洋的壮举,很大程度得益于布劳恩改进的发射器和接收器。

定向天线传播示意图(来源:与非网)

定向天线传播示意图(来源:与非网)

布劳恩解决早期无线电技术的两个难题后,无线电技术进入飞速发展的快车道。如果说马可尼让无线电飞遍全球,那布劳恩则让“飞”的速度变得更快。相对于他们的贡献而言,诺贝尔物理学奖实在微不足道。

马可尼与布劳恩醉心于无线电研究的时候,一位荷兰物理学家正全力向热力学进军。通过对气体、液体的研究,他最终全面、系统地描述气体的物理性质,还弄清了分子间作用力的概念及相关理论。由此,这位阿姆斯特丹大学的著名教授荣获1910年度诺贝尔物理学奖。他是谁?他是如何研究气体和液体的?分子间作用力又是怎么回事?欲知后事如何,且听下集分解。

马可尼和布劳恩的诺贝尔官方照(来源:物理双月刊网)

马可尼和布劳恩的诺贝尔官方照(来源:物理双月刊网)

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【参考资料】

1. 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君。

2. 论文《20世纪物理学的伟大缩影》,作者清华大学郭奕玲,《物理研究》2009年第2期。

3. 资料《1909年诺贝尔物理学奖简介》,见《物理通报》2017年2期。

4. 马可尼事迹:http://story.kedo.gov.cn/c/2018-05-20/918465.shtml。

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