電磁波，看見宇宙的“眼睛”

子午工程——麗江臺(tái)玉龍站光譜成像日冕儀

子午工程——圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡。

子午工程——威海臺(tái)榮成站米波太陽射電頻譜儀12米口徑天線。

當(dāng)我們仰望星空，究竟是如何“看到”宇宙的？當(dāng)我們俯視大地，又是如何“讀懂”世間萬物的？人類對(duì)世界的感知始于光，但光只是電磁波中的一種。從自然界的動(dòng)物視覺進(jìn)化，到人類高科技觀測(cè)設(shè)備，我們“看”世界的視角，已經(jīng)由可見光波段拓展到電磁波全波段。

人類為什么能“看”

??人類能看到世界，就是因?yàn)殡姶挪ā?/span>

??在地球生命進(jìn)化史上，眼睛的出現(xiàn)是一次劃時(shí)代的事件，意味著動(dòng)物開始利用可見電磁波（光波）來感受、理解世界。通俗地說，我們“感受”電磁波的波長來“理解”顏色，“感受”電磁波的振幅來“理解”明暗。

??視網(wǎng)膜接收外部光源照射物體反射的光，激活我們擁有的三種視錐細(xì)胞，它們分別對(duì)波長564、534和420納米的電磁波最為敏感，可以粗略簡化為紅、綠、藍(lán)三種顏色。當(dāng)我們接收到一種任意波長的光波，三種視錐細(xì)胞以不同程度“響應(yīng)”該波長，這就實(shí)現(xiàn)了類似“編碼”的效果，供大腦后期“解碼”并成像。也就是說，我們看到的“顏色”是一種“錯(cuò)覺”，是我們對(duì)不同波長電磁波的主觀感知，即大腦處理三種視錐信號(hào)后的結(jié)果。

??其他動(dòng)物視錐細(xì)胞的種類和特性與我們不同，貓狗只有二色視覺（兩種視錐細(xì)胞），只能分辨藍(lán)和黃；大多數(shù)鳥類、爬行動(dòng)物擁有四色視覺，它們眼里的世界更加繽紛多彩；而蝦蛄則擁有動(dòng)物界最復(fù)雜的視覺系統(tǒng)之一，每只眼都分為多個(gè)區(qū)域，能獨(dú)立感知影像，擁有多達(dá)12種感光類型，宛如“視覺怪獸”。

??看，在我們還不知道什么是電磁波時(shí)，就已經(jīng)開始利用它了。

??人們認(rèn)識(shí)到電磁波的存在是在19世紀(jì)中后期。1864年，麥克斯韋結(jié)合前人成果，預(yù)言了電磁波的存在，揭示了其基本的內(nèi)在規(guī)律；1886年，赫茲用著名的“電火花實(shí)驗(yàn)”證明了電磁波的存在；1896年，馬可尼第一次用電磁波實(shí)現(xiàn)了通信，后續(xù)又于1901年實(shí)現(xiàn)跨洋通信。之后的100多年，是利用電磁波技術(shù)的井噴時(shí)代。從波長最短、頻率最高的伽馬射線，到波長最長、頻率最低的無線電波，電磁波的應(yīng)用越來越廣泛。

??那么，什么是電磁波？通俗而言，電磁波是電場和磁場交替變化、彼此垂直并共同向外傳播的一種波動(dòng)現(xiàn)象。我們可以想象扔一塊石頭到水里，水面濺起向四周傳播的水波，石頭就是激發(fā)電磁波的波源，起伏的水面就是電場或磁場。當(dāng)然這個(gè)比喻并不完善，例如水波只有“水”一種向外擴(kuò)散的“起伏”，電磁波有“電場”和“磁場”兩種相互垂直、均向外擴(kuò)散的“起伏”——相當(dāng)于“上下”起伏的水波身上，同時(shí)原地疊加一個(gè)“左右”起伏的水波，這就是電磁波的奇妙之處——電場與磁場互相垂直，又共同向外傳播。

??更有趣的是，變化的電場會(huì)產(chǎn)生磁場，變化的磁場又反過來激發(fā)電場，它們彼此交替，源源不斷地向遠(yuǎn)方傳播。水波的擴(kuò)散需要水作為介質(zhì)，而電磁波傳播無需介質(zhì)，能在真空中以光速穿越宇宙，它有波長、頻率、速度、振幅、極化等屬性，不同波長決定了不同的穿透力、能量和用途——比如X射線能穿透人體組織，紅外線攜帶熱量，射電波能穿越塵埃厚幕傳回深空?qǐng)D像。正是這些差異，讓電磁波成為我們探知世界的“多功能工具箱”。

全頻段的“眼睛”，看見光“看不到”的

??我們?nèi)搜鬯姷目梢姽猓徊贿^是整個(gè)電磁波譜中一小段狹窄條帶。正如前文所說，生物的視覺方式，本質(zhì)上都是通過細(xì)胞對(duì)固定波長電磁波的響應(yīng)來進(jìn)行編碼，這就決定了包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的視覺系統(tǒng)，對(duì)電磁波的感知只能是離散的、跳變的，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)色譜的“真彩色”。

??自然界中，還有另一種色彩——結(jié)構(gòu)色，它來自微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的精巧干涉與衍射。當(dāng)物體表面的微觀結(jié)構(gòu)尺寸與外部光源照射的某些電磁波的波長相近時(shí)，入射光在這些結(jié)構(gòu)中發(fā)生反射與疊加。若結(jié)構(gòu)層之間的高度差恰好滿足一定條件，就可能對(duì)特定波長產(chǎn)生增強(qiáng)，對(duì)另一些波長形成抵消，最終只留下某種特定“顏色”的電磁波被反射出來。不同微結(jié)構(gòu)反射的“顏色”也千差萬別，因此結(jié)構(gòu)色是真正由“波”塑造的連續(xù)色譜的顏色。

??例如，某些甲蟲的奇異金屬光澤，某些昆蟲翅膀的鮮艷炫彩，孔雀羽毛的部分亮帶，都是結(jié)構(gòu)色的典型體現(xiàn)。有趣的是，擬態(tài)章魚雖然沒有典型的視錐細(xì)胞，被認(rèn)為是無法區(qū)分波長的全色盲，但卻可以巧妙利用結(jié)構(gòu)色。它們能通過獨(dú)特的光敏結(jié)構(gòu)“感知”周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)光，進(jìn)而調(diào)整自身色素水平，模擬出與周圍環(huán)境相近的反射波長，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有視覺動(dòng)物的全頻段迷彩偽裝。

??這種連續(xù)波段的感知方式，為我們?cè)O(shè)計(jì)跨波段觀測(cè)儀器提供了寶貴啟示。正是這些自然啟示，推動(dòng)人類從生物視覺向技術(shù)感知延伸。

??過去，人類在較長時(shí)間里依賴光波段理解世界。伽利略用自制望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)了木星有四顆衛(wèi)星圍繞公轉(zhuǎn)，開啟了天文觀測(cè)的新時(shí)代。此后天王星、海王星、冥王星等，也都是通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)被確認(rèn)存在的。

??當(dāng)?shù)鼗鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡到達(dá)瓶頸，可以繞開大氣影響的、以哈勃和韋伯為代表的一系列太空望遠(yuǎn)鏡登上舞臺(tái)，探測(cè)波段也從光波段拓展到更多電磁波頻段——人類觀察世界的眼睛，正逐步從“看光”走向“讀全譜”，打開了更廣闊的觀察世界的窗口。

??一個(gè)著名的例子便是“巨引源”的觀測(cè)。它是位于拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的一部分區(qū)域的巨大引力異常處，因恰好處在地球視角的銀河系盤面方向，各種天體和塵埃層層遮擋，使得幾乎無法通過可見光探測(cè)，成為宇宙地圖上的盲區(qū)。正是射電望遠(yuǎn)鏡通過接收低頻電磁波信號(hào)，我們得以間接了解其引力匯聚特征和大尺度物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)，逐步揭開了它的神秘面紗。

??類似的例子還有很多：我們通過微波波段測(cè)量宇宙微波背景輻射，借助紅外波段穿越塵埃看到恒星誕生的搖籃，用X射線揭示高能噴流與黑洞吸積盤的動(dòng)力過程，甚至用伽馬射線幫助捕捉宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，如伽馬射線暴與中子星合并事件。不同波段的電磁波，共同構(gòu)成了我們“看見”宇宙不同面貌的全譜視野。

??從地球大氣層，到太陽系的行星與小天體，再到銀河系邊緣、星系團(tuán)甚至宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，電磁波為我們繪制出一幅幅細(xì)致入微的多尺度圖譜，幫助我們理解宇宙的全貌。

在祖國大地，打造仰望星空的“眼睛”

??近年來，我國在電磁波探測(cè)方面有了長足的進(jìn)步。從看向宇宙深處的“眼睛”，到探測(cè)地球大氣層、電離層、磁層和日地空間等與日常生活息息相關(guān)的區(qū)域，我們開展了電磁波多頻段的綜合觀測(cè)。或直接接收不同頻段電磁信號(hào)，或主動(dòng)發(fā)射雷達(dá)信號(hào)探測(cè)目標(biāo)，兩者互為補(bǔ)充，極大拓展了人類對(duì)自然環(huán)境的認(rèn)知能力，為人類科技發(fā)展作出中國貢獻(xiàn)。通過這些特定頻段的全波段的感知裝置，我們不僅能“看到”物體或現(xiàn)象，也能理解其內(nèi)在的物理規(guī)律，了解其現(xiàn)象背后的動(dòng)力機(jī)制。

??其中，可著重介紹的，是由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“子午工程”。其最具代表性的設(shè)備，是圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡（DAocheng Radio Telescope，DART）。它坐落在四川稻城海拔近4000米的高原之上，由313面拋物面天線組成，分布在直徑1公里的圓環(huán)上。

??DART工作頻段在150～450MHz之間，是全球唯一能實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)太陽射電成像的設(shè)備。它不僅是一臺(tái)“太陽相機(jī)”，更是一把解析太陽“情緒波動(dòng)”的科學(xué)鑰匙——能以極高的時(shí)間分辨率捕捉太陽活動(dòng)的完整動(dòng)態(tài)，在瞬息萬變的電磁爆發(fā)中精準(zhǔn)提取圖像。

??山東大學(xué)也參與了“子午工程”的建設(shè)。除了位于四川稻城的DART，山東大學(xué)還協(xié)同牽頭單位和各兄弟參與單位，由空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和機(jī)電與信息工程學(xué)院協(xié)作，分別在威海文登、榮成槎山布設(shè)了具有代表性的地基觀測(cè)設(shè)備，它們各自承擔(dān)不同層次的觀測(cè)任務(wù)，構(gòu)成了一張持續(xù)運(yùn)行的空間環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)。

??坐落于山東威海文登的，是GNSS電離層TEC與閃爍監(jiān)測(cè)儀、電離層數(shù)字測(cè)高儀以及流星雷達(dá)。GNSS監(jiān)測(cè)儀通過分析來自北斗、GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的電磁波，在穿越電離層過程中產(chǎn)生的相位延遲和閃爍效應(yīng)，實(shí)時(shí)獲取上空電離層的總電子含量與擾動(dòng)信息，為導(dǎo)航誤差預(yù)警與空間環(huán)境建模提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。電離層測(cè)高儀則通過發(fā)射1至30MHz的高頻電磁波，測(cè)量其在不同高度電離層反射回波的延遲和強(qiáng)度，繪制頻高圖進(jìn)而反演電子密度剖面，相當(dāng)于“剖開”電離層、透視其層次結(jié)構(gòu)。流星雷達(dá)則工作在30至60MHz波段，借助流星劃過夜空時(shí)在高空形成的電離尾跡，反推出70至110公里中高層大氣的風(fēng)場分布，是研究中高層大氣動(dòng)力學(xué)的重要手段。

??在威海榮成槎山，則部署了國內(nèi)首個(gè)覆蓋15MHz至15GHz波段的寬頻太陽射電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它如同一臺(tái)“多波段廣播接收機(jī)”，全天候監(jiān)聽太陽的“電磁波語言”，追蹤日冕物質(zhì)拋射、耀斑爆發(fā)等高能事件。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅有助于深入理解太陽活動(dòng)的物理機(jī)制，也為我國的衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)提供早期預(yù)警保障。

??這些觀測(cè)設(shè)備，如仰望天空的“眼睛”，默默記錄著地球空間環(huán)境的每一次波動(dòng)與擾動(dòng)，為我國在電離層監(jiān)測(cè)、太陽預(yù)警、中高層大氣動(dòng)力學(xué)等多個(gè)前沿領(lǐng)域的科學(xué)研究與實(shí)用應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

??電磁波是自然賜予我們的一把萬能鑰匙，它揭示的不僅是物質(zhì)的狀態(tài)，更是人類認(rèn)識(shí)世界的尺度；不僅是我們仰望宇宙的“眼睛”，也照亮我們腳下的未來！

??你問我答

??問：電磁波跟我們的生活有關(guān)嗎？

??高東興：電磁波是由電場和磁場交替振蕩并向外傳播的一種波動(dòng)現(xiàn)象，它既是物理規(guī)律的體現(xiàn)，也是一種能量傳播方式。我們熟悉的可見光其實(shí)就是電磁波的一種，而它還包括射電波、微波（含毫米波）、紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波無處不在，影響著我們的日常生活：從手機(jī)通信、Wi-Fi、微波爐，到醫(yī)療中的X射線檢查，再到衛(wèi)星導(dǎo)航與天文觀測(cè)，電磁波的應(yīng)用無處不在，與生活息息相關(guān)。

??問：文中的這些觀測(cè)設(shè)備是靠什么“看見”世界的？

??高東興：這些觀測(cè)設(shè)備利用的是電磁波探測(cè)原理，主要分為兩類：一種是被動(dòng)接收型，如望遠(yuǎn)鏡、射電接收器，通過接收天體或環(huán)境自然發(fā)出的電磁波信號(hào)，來分析其結(jié)構(gòu)和狀態(tài)；另一種是主動(dòng)發(fā)射型，如雷達(dá)，通過發(fā)射電磁波并接收從目標(biāo)反射回來的信號(hào)，判斷目標(biāo)的距離、高度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。這使我們即使在黑夜、云層、塵埃甚至深空中，也能“看見”那些肉眼無法識(shí)別的現(xiàn)象。

??作者：高東興，系山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院副教授

??圖片均由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心提供

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