射電望遠鏡與電磁波的應用

韓佳奇

摘 要：中國500米口徑球面射電望遠鏡即將在九月正是運行，這將是目前我國乃至世界上最大的射電望遠鏡。FAST的建成，將在未來一段時間內成為中國天文領域探索的一大助力。本文以射電望遠鏡的基礎理論原理為出發點，結合中學物理對電磁波知識的涉及，介紹了電磁波的原理與應用，并對其未來的發展進行了展望。

關鍵詞：射電望遠鏡；電磁波；原理與應用

一、射電望遠鏡

射電望遠鏡作為天文望遠鏡的一種，通常是指用于觀測和研究天體的射電波的一種基本設備，可以用于測量天體射電的強度、頻譜及偏振等。射電望遠鏡的發展過程一定程度上代表了人類對宇宙探索的不斷進步。電磁波這一概念最早由英國物理學家麥克斯韋預測并提出，1873年，其著作《電磁理論》問世，全面系統地闡述了電磁場的理論。經過更多科學家的不斷證實和完善，人們才逐漸意識到：原來光也是一種電磁波，并且在電磁波譜上，可見光只占了其中極小的一部分。

在進入20世紀之后，科學家們在一次測量地球電離層的高度時意外發現：波長短于60米的電磁波在穿過地球電離層時，幾乎全部一去不返。通過這一現象讓研究者們大膽猜測：如果波長短于60米的電磁波能從地球毫無遮擋地沖向宇宙，反過來，來自宇宙的類似的電磁波或許也能順利穿過大氣層抵達地球。

從此，人類對宇宙無線電的觀測就此拉開大幕。1931年，美國貝爾實驗室借助天線陣接收到了遠自銀河系中心的無線電波。就這樣，一個新興的科學門類——射電天文學正式誕生了。此后，隨著觀測的不斷深入，脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子相繼“浮出水面”。

二、電磁波

我們雖然無法感受到電磁波，但電磁波卻實實在在的應用于我們的日常生活中，其實電磁波不是現代科技的產物，無論在上古時期的史前文明，還是高度科技化的當下社會，電磁波始終存在于人類文明的長河之中，帶給世間一切生命溫暖和光明，一直影響并推動著整個人類文明的發展與進步。

但是電磁波這一概念的提出，最早追溯到由英國物理學家麥克斯韋十九世紀中葉預測并提出相應概念，并在20年后由德國物理學家赫茲實驗證實。其概念可通俗的表達為：已知電場變化產生磁場，磁場變換產生電場。當電場磁場共同變化時，就會產生電磁波。其實電磁波本身是電磁場傳播的一種表現形式，是電場方向與磁場方向以及傳播方向三者相互垂直的一種能量傳播形態，也因此可以認定，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”三個字的概括是遠遠不夠的。雖然統稱為“電磁波”，但不同頻段以及不同頻率的電磁波，顯現出的性質是有顯著差別的。

電磁波的范疇涵蓋無線電波，可見光，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共同的特點即在相同介質內的其傳播速度相同，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λ，頻率f）

不難看出，波長越長的電磁波，頻率越低，如果將不同頻率的電磁波按頻率關系進行排列，即為電磁波譜圖。

下面我們圍繞著兩種中學常常接觸的電磁波加以介紹。

三、可見光

可見光顧名思義，就是我們人類能看見的光。作為電磁波的一部分，應該算是我們最熟悉的電磁波了，通常我們將波長380nm到760nm這一波長范圍內的電磁波稱為可見光，因為這一波段的電磁波是可以被肉眼識別的。

可見光對人類的重要意義不言而喻，一直是人類認知和感受世界的重要途徑，并在歷史的發展中被賦予更多哲學意義。我們平時看到的光主要是白光，但在光學上的定義并非白色的光，而是沒有顏色的光，它是多種不同顏色的光的混合。如果將我們身邊最常見的可見光，如太陽光，利用分光器材，就可以看見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、紫。這七種顏色的光都可以通過紅、藍、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”。一個非常常見的應用就是——電視機，老式的顯像管彩色電視機屏幕上其實只有三種顏色的色點，但卻可以播放出任意畫面，應用的就是這個道理。

可見光領域的科技發展的速度相當快，從前可見光波段只是用來照明，但現階段無論光能發電技術還是新型發光材料的研究都是科學界非常熱門的課題，人類對可見光的研究和利用逐步上升到了一個新的高度。

四、無線電波

無線電波的出現稱得上是人類現代文明的一次重大進步。無線電波業已成為當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載體，書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。但隨著無線電波的出現，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，無線電波迅速的架起一座溝通的橋梁。

一般的，3KHz至3THz頻段內的電磁波都可以稱之為無線電波，多由導體中的電流變化而產生。這一頻段內的電磁波可謂是整個電磁波頻譜內的明星！日常生活中的手機，收音機，雷達，衛星電話，甚至包括現在我們使用最多的WIFI，這些設備和技術所使用的信號都隸屬于這一頻段。

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

五、總結與展望

電磁波包圍著我們生活的世界，在我們的現代生活中發揮著及其重要的作用。伴隨著科技的發展，我們對于電磁波的認識和應用逐步深入，比如γ射線既可以在醫療領域應用治療癌癥，也可以在工業上進行金屬探傷。很多本文未能一一列舉的電磁波，其在實際生活，甚至醫療、軍事等領域中都有著不可或缺的應用，像是紅外線因為其發熱性好，被用來制造理療儀器，另外因為任何溫度高于絕對零度的物體都會輻射紅外線，軍事上用紅外線來制造夜視儀。

這些都是電磁波帶給我們生活和生產上的進步，從前太陽利用電磁波將能量傳遞給地球而創造了文明社會，現如今在電磁波的推動下，人類文明正在快步走向一個新的高度！

參考文獻：

[1] 光學.高等教育出版社.