電磁波知多少:從有線到無線

 
2014/08/07 吳美枝 | 特約文字編輯     7,331
 
2010年6月,美國蘋果公司推出了新一代智慧型手機iPhone 4,當時最引人的話題並非是其刷新銷售記錄的新聞,而是iPhone 4特殊的「天線設計」所造成的通訊不穩定情況,引發了全球廣大消費者的不滿;無獨有偶,在100多年前也曾發生一個和天線、電磁波有關的大新聞:義大利工程師馬可尼(Guglielmo Marconi)利用電磁波,成功實現了橫跨大西洋的無線電報通訊。此後,人類生活進入了一個與電磁波、天線緊密結合的「無線」世界。
 
 容易被遺忘的偉大成就
       
要了解電磁波、天線、無線通訊的發展,要先從「電」與「磁」的歷史說起。今天,若談起物理學中最重要的幾個人物,絕大多數人腦中都會浮現「牛頓」和「愛因斯坦」,但是臺灣大學電機工程學系的陳士元教授卻還提出了「Maxwell」這個名字。他說:「牛頓的三大運動定律與愛因斯坦的相對論,名氣如雷貫耳,但在和我們日常生活無法脫鉤的「電」與「磁」相關領域裡,馬克斯威爾的電磁方程式卻是一個偉大但容易被遺忘的成就,然而其重要性並不亞於前兩人。」
 
摩擦布料能產生靜電、雷雨會伴隨發生閃電、指南針能指引方向,因此「電」與「磁」的現象自古就出現在我們的周圍,但人類真正開始研究「電」與「磁」卻是18世紀末期的事。在歷經庫侖(Charles Augustin de Coulomb)、厄斯特(Hans Christian Ørsted)、安培(André-Marie Ampère)與法拉第(Michael Faraday)等人的研究,我們好不容易才對「電」與「磁」的特性有一些初步的認識,但是對於二者間的關聯性,卻沒有一個完整的系統觀念。
 
法拉第的弟子:馬克斯威爾(James Clerk Maxwell),是一位天才數學家,他34歲時(西元1864年),就嘗試整理、歸納前人諸多的電磁實驗結果,在補足所需的假設後,終於提出一套能完整描述電與磁關係的「馬克斯威爾方程組」(Maxwell’ s equations):這組數學方程式不僅清楚敘述了電與磁的交互作用,更預測了「電磁波」的存在;「電學」與「磁學」自此合為一家,而他在物理學上的重要性,也被公認與牛頓、愛因斯坦等人齊名。
 
 看不見的電磁波卻真實存在
 
馬克斯威爾方程式的理論,初期並未為大眾所採信,除了太過「前衛」之外,缺乏實驗證明也是一大缺點;尤其是要證明電磁波的存在,更是難上加難。這個帶有「缺陷」的理論,在廿多年之後,終於由另一位德國學者赫茲(Heinrich Hertz)成功實驗證明,才得以完滿。
 
西元1887年,赫茲設計了一套以「火花放電」為基本結構的裝置,其中一組先通以高壓電流,使其在兩條導線端點之間產生放電現象,並產生電磁波;而在不遠處,另外一組感應線圈的末端,則因為接收到此電磁波而產生了「火花放電」的現象。藉此,赫茲證明了看不見的電磁波確實是存在的。這套實驗裝置成為人類歷史上的第一組天線,其中負責發出電磁波的那部分稱為「偶極天線(dipole antenna)」,而接收電磁波的部分則稱為「迴路天線(loop antenna)」。
 
 天時、地利、人和的實驗
 
在赫茲證明電磁波存在的實驗中,「天線」扮演了極重要的角色,可說是傳送與接收電磁波最關鍵的部分。另一方面,科學家也多方面構思電磁波的可能應用,其中最早也最成功的就屬「通訊」領域。
 
在19世紀末期,義大利工程師馬可尼(Guglielmo Marconi)先嘗試了利用電磁波來傳遞電報的訊號:他在湖中的小船上放置電報機與電磁波發射裝置(偶極天線),並在岸邊設置接收裝置(迴路天線),結果成功接收到電報訊號,這是人類第一次利用電磁波來進行無線通訊。
 
馬可尼的「湖心實驗」得到世人極大的關注,不久他更進一步地邁向更大的挑戰。西元1901年,馬可尼嘗試利用無線電波「跨洋的」傳遞電報訊號。他先在英格蘭南端設立一組極高功率的大型電報發射裝置,同時在大西洋另一端的紐芬蘭,則安排了以高空風箏為接收天線的裝置。實驗結果訊號雖然不甚穩定,但這已是人類第一次成功跨洋、即時的無線通訊,而電報訊號傳遞技術自此從「有線」跨進「無線」的世代。
 
馬可尼的實驗成功展現跨洋無線電報的可能性,這使他獲得1909年諾貝爾物理學獎,帶來名利雙收的成果。有趣的是,後人再回頭檢視這項實驗時,發現若以馬可尼當時的硬體裝置,電磁波其實是無法「直接」跨洋傳遞的(這是因為發射、接收天線的高度,皆與地球表面曲率有關);人們幾經推敲後才發現,當時會成功的原因可能是電磁波訊號是由「電離層」的反射,才使遠在大西洋另一端的人能接收到,所以這並非馬可尼當時所宣稱的「直線傳遞」。這樣的「幸運」其實瑕不掩瑜,因為這也間接展現了電磁波在長距離、無線通訊上的應用潛力。
 
 無心插柳的發明影響了世界歷史
 
天線的外型,自從赫茲實驗成功後,便不斷地被研究與改進,這是由於天線的形狀會直接影響到電磁波傳遞時的行為,例如將電磁波訊號以全方向「廣播」傳送,或是把訊號「集中」朝向某一特定方位。而這些不同的傳播型式,正是電磁波可應用於諸多不同領域的潛力。
 
西元1926年,日本學者宇田新太郎和八木秀次,共同研發了一款新天線:八木天線(或稱魚骨天線,Yagi-Uda antenna)。這種天線的特色能讓電磁波訊號聚焦、具指向性,最初是為了研究「無線傳能」所設計;但實驗結果並未能達到預期效果,故這種天線在日本並未獲得青睞。但是,多年後這種天線,卻在地球的另一端,掀啟了無線科技歷史新的一章。
 
1940年代初期,第二次世界大戰爆發,戰火快速的蔓延,同盟國與軸心國都傾全力將最先進的科技與工業技術運用在各式武器與戰場上,「八木天線」因具有能將電磁波有效聚焦與指向的特點,而被廣泛地運用在「雷達系統」上。當時,同盟國中的英國也因為充分利用了這種「先進的」雷達系統,故能提早近20分鐘掌握到德軍轟炸機的行蹤,做出充分的應變,因而取得戰情的優勢;此外,當時的各式航空載具與戰機也都配備有這類型的天線裝置,以便能快速掌握敵我動態的情況。
 
「八木天線」遲至第二次世界大戰晚期才重獲發明母國,日軍的關愛。戰後,還變成當時電視廣播系統最常用的接收天線,原因也是利用其「能量集中」、「高指向性」的特色:只要調整好合適的方向,就可輕鬆獲得極好的收視訊號。這種接收天線,後來甚至流傳到世界各國,為民間廣泛使用。
 
 一根螺旋棒改變了世界的溝通
 
另一個也是因天線外型的小改變,造成人類歷史極大突變的例子,則發生在西元1946年。美國科學家克勞斯(John D. Kraus)發明了一種螺旋型天線(Helical antenna)。這種外形似螺旋型棒狀的天線,可以依照需求而設計成兩種形式,一者是外形較大,但具有極佳的訊號「指向性」,另一種則是體積很小,卻可以全方位收發訊號。後來,前者積極地被運用在「全球定位系統(GPS)」的衛星訊號傳輸上;後者則是在1990年代,被放入「個人行動電話」的設計裡,由於這種天線的體積可以非常小,使得行動電話的外型也得以縮小到能隨身攜帶,進而改變了人類通訊的模式。
 
在物理的世界裡,「電磁波」的驗證與了解,相較於其他科技領域,是相對較晚的,但它融入人類生活並影響世界的程度,卻是數一數二,無與倫比的;而藉由「天線」形態的變化,可大量運用於通訊與遙測相關的領域,也不斷地改變著人類的歷史。未來,電磁波與天線的發展除了會更廣泛的運用在其他科學領域外,也會以更多元的方式深入人群。以致,我們幾乎可以感受到一個全然「無線」的世界即將來臨。