射電望遠(yuǎn)鏡與電磁波的應(yīng)用

韓佳奇

摘 要：中國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡即將在九月正是運(yùn)行，這將是目前我國(guó)乃至世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡。FAST的建成，將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)成為中國(guó)天文領(lǐng)域探索的一大助力。本文以射電望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)理論原理為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合中學(xué)物理對(duì)電磁波知識(shí)的涉及，介紹了電磁波的原理與應(yīng)用，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：射電望遠(yuǎn)鏡；電磁波；原理與應(yīng)用

一、射電望遠(yuǎn)鏡

射電望遠(yuǎn)鏡作為天文望遠(yuǎn)鏡的一種，通常是指用于觀測(cè)和研究天體的射電波的一種基本設(shè)備，可以用于測(cè)量天體射電的強(qiáng)度、頻譜及偏振等。射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展過(guò)程一定程度上代表了人類對(duì)宇宙探索的不斷進(jìn)步。電磁波這一概念最早由英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋預(yù)測(cè)并提出，1873年，其著作《電磁理論》問(wèn)世，全面系統(tǒng)地闡述了電磁場(chǎng)的理論。經(jīng)過(guò)更多科學(xué)家的不斷證實(shí)和完善，人們才逐漸意識(shí)到：原來(lái)光也是一種電磁波，并且在電磁波譜上，可見(jiàn)光只占了其中極小的一部分。

在進(jìn)入20世紀(jì)之后，科學(xué)家們?cè)谝淮螠y(cè)量地球電離層的高度時(shí)意外發(fā)現(xiàn)：波長(zhǎng)短于60米的電磁波在穿過(guò)地球電離層時(shí)，幾乎全部一去不返。通過(guò)這一現(xiàn)象讓研究者們大膽猜測(cè)：如果波長(zhǎng)短于60米的電磁波能從地球毫無(wú)遮擋地沖向宇宙，反過(guò)來(lái)，來(lái)自宇宙的類似的電磁波或許也能順利穿過(guò)大氣層抵達(dá)地球。

從此，人類對(duì)宇宙無(wú)線電的觀測(cè)就此拉開(kāi)大幕。1931年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室借助天線陣接收到了遠(yuǎn)自銀河系中心的無(wú)線電波。就這樣，一個(gè)新興的科學(xué)門(mén)類——射電天文學(xué)正式誕生了。此后，隨著觀測(cè)的不斷深入，脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子相繼“浮出水面”。

二、電磁波

我們雖然無(wú)法感受到電磁波，但電磁波卻實(shí)實(shí)在在的應(yīng)用于我們的日常生活中，其實(shí)電磁波不是現(xiàn)代科技的產(chǎn)物，無(wú)論在上古時(shí)期的史前文明，還是高度科技化的當(dāng)下社會(huì)，電磁波始終存在于人類文明的長(zhǎng)河之中，帶給世間一切生命溫暖和光明，一直影響并推動(dòng)著整個(gè)人類文明的發(fā)展與進(jìn)步。

但是電磁波這一概念的提出，最早追溯到由英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋十九世紀(jì)中葉預(yù)測(cè)并提出相應(yīng)概念，并在20年后由德國(guó)物理學(xué)家赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。其概念可通俗的表達(dá)為：已知電場(chǎng)變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)變換產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)磁場(chǎng)共同變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁波。其實(shí)電磁波本身是電磁場(chǎng)傳播的一種表現(xiàn)形式，是電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向以及傳播方向三者相互垂直的一種能量傳播形態(tài)，也因此可以認(rèn)定，電磁波是橫波。但作為一種重要的能量形式與物理概念，僅僅用“電磁波”三個(gè)字的概括是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。雖然統(tǒng)稱為“電磁波”，但不同頻段以及不同頻率的電磁波，顯現(xiàn)出的性質(zhì)是有顯著差別的。

電磁波的范疇涵蓋無(wú)線電波，可見(jiàn)光，甚至伽馬射線（γ射線）等等許多我們熟悉或陌生的名詞。但是所有電磁波都具有一個(gè)共同的特點(diǎn)即在相同介質(zhì)內(nèi)的其傳播速度相同，均為光速c，傳播速度滿足如下等式：

C=？姿·f 其中（電磁波的波長(zhǎng)λ，頻率f）

不難看出，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的電磁波，頻率越低，如果將不同頻率的電磁波按頻率關(guān)系進(jìn)行排列，即為電磁波譜圖。

下面我們圍繞著兩種中學(xué)常常接觸的電磁波加以介紹。

三、可見(jiàn)光

可見(jiàn)光顧名思義，就是我們?nèi)祟惸芸匆?jiàn)的光。作為電磁波的一部分，應(yīng)該算是我們最熟悉的電磁波了，通常我們將波長(zhǎng)380nm到760nm這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波稱為可見(jiàn)光，因?yàn)檫@一波段的電磁波是可以被肉眼識(shí)別的。

可見(jiàn)光對(duì)人類的重要意義不言而喻，一直是人類認(rèn)知和感受世界的重要途徑，并在歷史的發(fā)展中被賦予更多哲學(xué)意義。我們平時(shí)看到的光主要是白光，但在光學(xué)上的定義并非白色的光，而是沒(méi)有顏色的光，它是多種不同顏色的光的混合。如果將我們身邊最常見(jiàn)的可見(jiàn)光，如太陽(yáng)光，利用分光器材，就可以看見(jiàn)太眼光是七種顏色混合后的光，這七種色光，分別是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫。這七種顏色的光都可以通過(guò)紅、藍(lán)、綠三種顏色的光按比例混合出任意顏色的光，因此這三種顏色被稱為“色光三原色”。一個(gè)非常常見(jiàn)的應(yīng)用就是——電視機(jī)，老式的顯像管彩色電視機(jī)屏幕上其實(shí)只有三種顏色的色點(diǎn)，但卻可以播放出任意畫(huà)面，應(yīng)用的就是這個(gè)道理。

可見(jiàn)光領(lǐng)域的科技發(fā)展的速度相當(dāng)快，從前可見(jiàn)光波段只是用來(lái)照明，但現(xiàn)階段無(wú)論光能發(fā)電技術(shù)還是新型發(fā)光材料的研究都是科學(xué)界非常熱門(mén)的課題，人類對(duì)可見(jiàn)光的研究和利用逐步上升到了一個(gè)新的高度。

四、無(wú)線電波

無(wú)線電波的出現(xiàn)稱得上是人類現(xiàn)代文明的一次重大進(jìn)步。無(wú)線電波業(yè)已成為當(dāng)今人們信息交流的主要手段。在此之前，信息的傳遞均需要物質(zhì)載體，書(shū)信是人們通訊的主要載體，但其可傳遞信息量小，通訊速度慢。但隨著無(wú)線電波的出現(xiàn)，信息傳遞的速度和信息傳遞量均獲得了直接提升，距離不再成為制約因素，無(wú)線電波迅速的架起一座溝通的橋梁。

一般的，3KHz至3THz頻段內(nèi)的電磁波都可以稱之為無(wú)線電波，多由導(dǎo)體中的電流變化而產(chǎn)生。這一頻段內(nèi)的電磁波可謂是整個(gè)電磁波頻譜內(nèi)的明星！日常生活中的手機(jī)，收音機(jī)，雷達(dá)，衛(wèi)星電話，甚至包括現(xiàn)在我們使用最多的WIFI，這些設(shè)備和技術(shù)所使用的信號(hào)都隸屬于這一頻段。

無(wú)線電波不僅可以滿足地球上的通訊需要，更可以用來(lái)觀測(cè)宇宙信息，正如目前馬上完成搭建的世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡FAST，建成之后將可能搜尋到更多的天體，用以觀測(cè)脈沖星，探索宇宙起源及其演化、暗物質(zhì)暗能量、星系與銀河系的演化等等。甚至還可以搜索星際通訊信號(hào)，進(jìn)行對(duì)地外文明的探索。最值得驕傲的是，這臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡是完全由我國(guó)科學(xué)家建造的。

五、總結(jié)與展望

電磁波包圍著我們生活的世界，在我們的現(xiàn)代生活中發(fā)揮著及其重要的作用。伴隨著科技的發(fā)展，我們對(duì)于電磁波的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用逐步深入，比如γ射線既可以在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用治療癌癥，也可以在工業(yè)上進(jìn)行金屬探傷。很多本文未能一一列舉的電磁波，其在實(shí)際生活，甚至醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域中都有著不可或缺的應(yīng)用，像是紅外線因?yàn)槠浒l(fā)熱性好，被用來(lái)制造理療儀器，另外因?yàn)槿魏螠囟雀哂诮^對(duì)零度的物體都會(huì)輻射紅外線，軍事上用紅外線來(lái)制造夜視儀。

這些都是電磁波帶給我們生活和生產(chǎn)上的進(jìn)步，從前太陽(yáng)利用電磁波將能量傳遞給地球而創(chuàng)造了文明社會(huì)，現(xiàn)如今在電磁波的推動(dòng)下，人類文明正在快步走向一個(gè)新的高度！

參考文獻(xiàn)：

[1] 光學(xué).高等教育出版社.