雷達的發明與蝙蝠有關嗎

付雷

說到雷達的發明，很多人會想到曾在小學語文教科書中學過的一篇課文《蝙蝠與雷達》。這篇課文提及，科學家通過反復實驗研究，發現蝙蝠嘴里可以發出超聲波，超聲波遇到障礙物會反射回來，傳到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠據此來改變飛行方向。課文明確寫道，“科學家模仿蝙蝠探路的方法，給飛機裝上了雷達”，不過與蝙蝠發出超聲波不同，雷達通過天線發出的是無線電波。幾十年來，這篇課文被各個不同版本的小學語文教科書收錄，也被2019年出版的、教育部組織編寫的統編小學語文教科書收錄，位于四年級上冊。不只是語文教科書，有些生物學教科書在介紹動物與人類的關系時，也會引用這個例子。例如，人教版初中生物教科書在八年級上冊就有一幅插圖“蝙蝠的回聲定位與雷達”，很多生物教師將其作為仿生學的經典案例介紹給學生。

我們現在知道，蝙蝠判斷方位的方式叫作回聲定位。那么問題來了：雷達真的是模仿蝙蝠的回聲定位發明的嗎？蝙蝠發出的超聲波和雷達發射的無線電波是不是一回事呢？讓我們一起回到100多年前，看看歷史上到底發生了什么。

蝙蝠回聲定位的發現

人類在很久之前就認識了蝙蝠這種生物，并且注意到蝙蝠的生活習性與人類不同，屬于晝伏夜行類。很自然地，人類想了解蝙蝠在夜間是如何飛行的，有人猜測它們的視力可能非常好。

在18世紀，一位名為斯巴蘭扎尼的意大利生物學家對這個問題產生了興趣，并進行了實驗研究。他先是把蝙蝠關在完全漆黑且沒有任何障礙物的房間里，發現蝙蝠幾乎不會飛了。但這似乎說明不了什么，萬一是房間太黑，蝙蝠看不見，不敢飛呢？于是他又設計了進一步的實驗。當他將蝙蝠致盲或將其鼻子遮蔽后，再放入有障礙物的房間中，結果發現它們仍然可以自如地飛行；當他將蝙蝠的耳朵塞起來以后，發現蝙蝠就很容易撞到障礙物了。由此他推斷，蝙蝠是通過聽覺來導航的。隨后，他把自己的發現分享給其他研究者。這一發現引起了瑞士博物學家查爾斯·朱利安的興趣。

朱利安做了這樣一個實驗：他把蝙蝠的耳朵用蠟封住，發現蝙蝠總是會撞到電線上，由此他確認蝙蝠是通過聽覺來導航的。斯巴蘭扎尼又重復了朱利安的實驗，并試圖追根究底，可惜并未完成。更加遺憾的是，斯巴蘭扎尼的想法實在有些超前，因為當時（1794年前后）人類尚未發現超聲波，因此他的創見非但沒有產生轟動效應，反而引起了別人的嘲諷。法國著名的博物學家居維葉，就批評了斯巴蘭扎尼和朱利安的實驗，他認為蝙蝠可以通過體表或翼膜的觸覺來躲避障礙物。

順便補充一下，斯巴蘭扎尼簡直是一位天才型的科學家。除了上述蝙蝠實驗研究外，他還發現可以通過煮沸殺死空氣中的微生物（法國科學家巴斯德受其啟發通過曲頸甑實驗駁斥了自然發生說）；他通過實驗證明消化包括化學變化，而非簡單的物理變化；他還是第一個對狗進行人工授精的人。因此，巴斯德稱斯巴蘭扎尼為世界上最偉大的實驗科學家之一。

斯巴蘭扎尼關于蝙蝠的實驗和猜想被埋沒了一個多世紀。一直到1908年，美國動物學家哈恩才通過改進的實驗驗證了斯巴蘭扎尼的實驗結果。然而，真正的謎底揭曉則是在1938年。美國哈佛大學的皮爾斯設計出了可以探測超聲波（頻率高于20000赫茲，超過人的聽力范圍）的設備，當時還在哈佛讀書的格里芬抓著蝙蝠跑去找皮爾斯，首次發現蝙蝠可以發出超聲波。又過了兩年，格里芬與高拉姆博什通過實驗證明，蝙蝠的嘴能夠發出超聲波，其耳朵可以接收遇到障礙物反射回來的超聲波，從而進行導航和定位。1944年，格里芬將蝙蝠的這種本領命名為“回聲定位”。需要說明的是，不僅是蝙蝠，其他一些哺乳動物和鳥類也有這種本領。

蝙蝠是通過反射的聲波來定位的，你是否由此想到了人們使用聲吶在海洋中判斷方位和測距？其實，聲吶早在1906年就被英國的劉易斯·尼克森發明出來了，在第一次世界大戰中被應用到戰場上，用于偵察潛水艇的位置。后來，聲吶的技術也在進步，應用領域也不斷擴展。總的來說，聲吶的使用要比發現蝙蝠回聲定位的原理更早一些。

雷達的發明與應用

雷達是一項重要的軍事發明，得益于電磁波理論和技術的進步。德國物理學家赫茲在1888年證明了電磁波的存在，無線電報、無線電收音機、無線電廣播相繼問世。對于電磁波會被物體反射的現象，赫茲早就注意到了。1897年，俄國科學家波波夫提出了在海上利用無線電波探測目標的設想，但并未付諸實踐。因為那是在電磁波研究的早期階段，尚未投入應用。

進入20世紀以后，電磁波的發送與接收已經應用于航海領域。1904年，德國工程師胡爾斯邁耶制造出一種可以探測船舶的裝置，它可以發射和接收電磁波；1922年，美國海軍在海上航道兩側安裝電磁波發射和接收裝置，用以探測來往船只。當時的電磁波收發裝置是分離的，這些裝置被認為是早期的雷達。

說到雷達的發明，有一個不得不提的關鍵人物—英國物理學家沃森·瓦特。1915年，瓦特進入空軍氣象部門工作。考慮到飛機的飛行受到雷電天氣的影響，瓦特認為，雷電會讓空氣分離從而發出電磁波，如果能探測到這些電磁波信號，就可以知道雷電的區域。他提出了“沃森·瓦特測向體制”，采用陰極射線管顯示無線電信號，成功解決了對電磁信號進行定位和可視化的難題。在此研究過程中，瓦特還發現了微波磁控管的熱效應，后人根據這個原理發明了微波爐。1933年，瓦特成為英國國家物理實驗所無線電研究室的主任。

由于飛機在第一次世界大戰中（1914—1918年）投入軍用，從20世紀30年代開始，各國開始秘密研制遠距離尋找飛機的儀器。1934年，瓦特偶然注意到無線電波可以在熒光屏上顯示出來。次年2月，他向英國政府提交了《采用無線電方法探測飛機》的秘密備忘錄，與之相關的研究計劃很快被政府批準并付諸實踐，當年瓦特就研制出第一部可以探測飛機的雷達，該雷達可以發出波長為1.5厘米的微波，探測距離達到80千米。從1936年開始，瓦特協助英國架設了第一個雷達站。后來，英國建成長達200千米的雷達網（被稱為CH系統），在第二次世界大戰中發揮了巨大作用。瓦特因此在1941年被授予爵士頭銜。不僅是英國，其他國家也在同期研制雷達，包括美國、法國、德國、意大利、日本、蘇聯、荷蘭等。到1939年，雷達進入完全實用階段，并在第二次世界大戰中大顯神威。

總的來說，雷達的發明與改進是技術不斷進步的表現。由于雷達的研制后來跟軍事活動牽涉甚多，基本上是在保密條件下開展的，可以說是在幾個不同國家同時獲得發展進步的。值得一提的是，“雷達”這個名詞一直到20世紀40年代中期才出現，英文Radar是Radio Detection And Ranging這幾個單詞的縮寫。

蝙蝠回聲定位與雷達之異同

蝙蝠回聲定位和雷達的原理既有相似點，又有差異。相似點在于，二者都是利用了波被物體反射可以測定方位的原理；差異在于，蝙蝠回聲定位使用的是超聲波，超聲波是一種聲波，其本質是物體的振動在空氣等介質中的傳播，如果沒有了介質，比如在真空環境下，聲波是無法傳播的，回聲定位就無法實現；雷達使用的是無線電波，其本質是電磁波，電磁波既可以通過介質傳播，也可以在真空中傳播。此外，從頻率（即每秒振動的次數）上看，超聲波的頻率在20000赫茲以上，醫用超聲波一般在1～30兆赫（1兆赫=106赫茲）；雷達使用的無線電波具有從極低頻到極高頻的一個頻譜，頻率可以從3000赫茲到3000吉赫茲（1吉赫茲=109赫茲）。

通過梳理這段歷史，我們可以發現，蝙蝠回聲定位的發現與雷達的發明是兩個獨立的事件，就現有的證據而言，無法證實后者是受到前者的啟發。由于斯巴蘭扎尼的實驗結果長期被忽視，直到20世紀40年代才被格里芬等人揭曉謎底，而彼時雷達已經在軍事中獲得實際應用，這就讓雷達的發明受蝙蝠回聲定位啟發的說法難以自圓其說。我們在驚嘆于造物主的鬼斧神工和人類的智慧時，在感謝大自然對人類的饋贈和啟發時，更要堅持科學精神，尊重歷史，尊重事實。