这种穿透天空的电波已经带来了三次变革。
1920年10月2日:KDKA,美国第一个商业广播电台在匹兹堡发出电波。
1941年7月1日:WBNT,第一个商业电视台开始播出。
1973年4月3日:摩托罗拉的马丁·库珀制作出了世界上第一个蜂窝式电话。
无线电已经三次改变了我们的社会,而且它还孕育了整个电子学领域的革命。大概没有哪一种发明能够像无线电一样在诞生时毫不起眼,却对我们的社会产生如此大的影响。在19世纪末无线电出现时,很少会有人想到“无线”通信——也就是穿过天空远距离传输无形的信号——将会在电报电话统治的世界中占有一席之地。早期的发明者主要是研究苏格兰物理学家麦克斯韦的成果,他所列出的方程式组——“麦克斯韦方程”——表达了电磁转换的基本原理,但这种研究是一种纯理论的工作,是为了理解大自然的运行规律。
麦克斯韦方程表明光是电磁波的一种形式,并预言会存在很多其他形式不为人眼所见的电磁波。在1880年代,德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)验证了麦克斯韦的理论,他检测到了无线电波——和光基本相似但波长是光的100万倍。“大师麦克斯韦是正确的,”赫兹说,但他的结论是那些其他形式存在的无线电波是“毫无用处的”。
幸运的是,其他的科学家和工程师并没有把无线频谱当成一个稀奇古怪的东西,而是看成一种全新的通信模式。无线电传输的理论是很简单的。当电流通过导线时会产生磁场,放在附近的另一根导线就会产生感应电流,这样信号便在导线间传递。因为由第一根导线所形成的磁场,也就是发射器,在空间中会生成电场,然后这个电场又会生成磁场,周而复始,以光速向外扩散。当第二根导线,也就是接收器,收到这个信号,在这个场的作用下导线内的电子开始做定向运动,生成可以检测的电流。
美国的频率分配,图片由美国国家电信和信息管理局提供
为了传送信息,发射的信号必须随时间而改变。要做到这一点,最简单的方法就是开关第一个导线中的电流,从而将信息作为一系列的脉冲发出。塞尔维亚工程师尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)采用这种方法,并在1893年短距离的发送了一个无线电信号。不久之后,意大利发明家马可尼(Guglielmo Marconi)意外发现接地天线能够将信号发送超过一英里,而不是之前的几百码。他不经意地利用了地球来传播一个近地无线信号。经过进一步改进,他发明了一种经典的脉冲编码——用于船舶间通讯的摩尔斯码。1896年,刚刚21岁的他远赴英国创立了自己的无线电公司——英国马可尼公司。
一些全球性事件很快证明了这项工作的价值。1905年,日本海军在对马海战中将俄罗斯舰队几乎全部摧毁,其部分战功要属于日本从马可尼公司购买的无线电设备。1912年,部分船只在收到“泰坦尼克号”的遇险信号后赶到出事海域并救出了711名乘客,此后,海事当局要求所有海上船只必须让其无线接收员进行全天候监听。但是马可尼的眼光也是有限的。他能够看到无线电在船舶和其他无法使用电缆的客户之间进行点对点传输时的价值,但也就仅限于此。马可尼“把无线电带入市场,但他从未想过进行广播业务,”密歇根州立大学无线电历史学家苏珊·道格拉斯(Susan J.Douglas)说。
接下来的一个巨大进步是找到一种方法来操纵无线电波,从而使它们能够传送更多的信息。从脉冲转换到持续的电波是这个问题的关键。加拿大的自学成才者雷金纳德·费森登(Reginald Fessenden)发明了一种方法通过改变电波的强度来传送声音和音乐,这种方法被称为“调幅”,从而创建了AM无线广播电台(调幅是把一段变化的音频电波加载到一个固定的频率的无线电波上:当音频达到波峰时,调制的无线电波就达到最高强度,当音频达到波谷时,调制的无线电波则达到它的最低强度)。
费森登最终因为自己的发明而名利双收。另一方面,曾被很多无线电专家赞为业界最出色的无线电工程师之一的美国人埃德温·霍华德·阿姆斯特朗(Edwin Howard Armstrong),在今天却几乎被人遗忘。他注意到通过改变电波的频率而不是幅度,电台能够避免在调幅传送时经常发生的干扰。这种方法就是调频——FM无线广播(假如这样的话,音频的波峰被表达为无线电波频率的增加,音频的波谷则表达为频率的减少)。但其一生的专利诉讼官司在精神上摧垮了阿姆斯特朗,他在1954年自杀身亡。
罗伯特·沃森-瓦特 埃德温·霍华德·阿姆斯特朗 约翰·罗杰·贝尔德
虽然无线电的商业潜力在当今是显而易见,但是广播是由业余爱好者真正发起的:“在十八九岁的人群当中,无线广播的业余爱好者随处可见,”道格拉斯说。这些业余爱好者们“用摩尔斯码来播报棒球和足球的比分以及新闻,随后他们参加了第一次世界大战并发明了电子管。”感谢电子管所带来的放大功率,这些业余爱好者们开始将音乐广播到每个角落。“你只要建立一个发射机,就可以开始广播,”原美国国家广播工作者协会研究室的主任里克·杜希(Rick Ducey)说,“一切就是这么简单。”
西屋电气工程师弗兰克·康拉德(Frank Conrad)因为从他在匹兹堡东部的车库里播出了美国第一次正规的AM广播而获得了广泛好评(虽然在圣何塞、底特律以及其他地方的电台也很活跃)。他在每个周三和周六播出某些赛事的比分和一些谈话,但主要是音乐。当康拉德用完唱片时,他就会向本地的商家寻求更多的支持,作为回报就是通过广播为他们作一些宣传。这些商家被认为是第一代的无线广播广告赞助商。但是到了1920年代中期,已经有很多人在从事电台广播了。
广播从业者越来越多,他们每一个人都占有自己的波长或频率,为了给他们制定一些规则,美国政府建立了联邦无线电委员会。这个机构后来又作为美国联邦通讯委员会(今天的FCC)而得到重建,为不同的用户指定特定的频段。在1920年,康拉德向商务部申请并得到了无线电台KDKA的开通执照。从此无线广播执照诞生了,而且虚拟财产所有权开始逐渐兴盛,也就是对无线频段的竞争。而那些依然业余的无线电爱好者们则发现他们被当局越来越边缘化了。总的来讲,低频比高频的使用成本低,因为越低的频率对装备的要求就越低,这对于一个想占据收音机市场的企业而言是一个很重要的问题。
不久军队也想获得自己的无线频谱,军队对无线通信的使用可以追溯到对马海战,但直到一战之后才得到极大的扩展。至此,各国政府才意识到无线电的巨大潜力,不仅可以用来通信,而且可以作为一种武器:无线电探测和测距,也就是广为人知的雷达。
雷达开始是用于观测雷电释放出的无线信号。作为一名气象学者,苏格兰工程师罗伯特·沃森-瓦特(Robert Watson-Watt)认为:他可以利用这种现象来提醒飞行员规避即将来临的暴风雨。利用定向天线,他发现他能够扫描天空并捕获雷电。随后他意识到如果他发射无线电脉冲并监听它们,那么就能够通过反射信号来确定目标,比如一架靠近的飞机。通过测量信号返回时间的长度,他不仅能够知道目标的方位还能知道它的距离。
1935年,沃森-瓦特同英国航空部取得了联系。在经历了最初的怀疑之后,英国航空部认可了这项发明。在二战爆发时,已经有19个雷达站在运作。“它来得正是时候,并给英国带来了巨大的优势,”乔治华盛顿大学的无线电专家克里斯托弗·斯特林(Christopher Sterling)说。“许多人认为是雷达赢得了不列颠之战。”因为你必须要使雷达信号的波长小于被测对象的尺度,所以雷达需要的是高频电波,波长只有几英寸(频率越高,波长越短)。相对而言,FM信号的波长大约在10英尺,而AM信号则为1000英尺左右。
20世纪的头十年也能看到由无线电传输的视频。第一个电视系统是美国的约翰·罗杰·贝尔德(JohnLogie Baird)在1920年代建立的,采用了一种类似于电影摄像机和放映机的设备来摄制和播放图像。开始播放电视时用的是每帧画面扫描30行——这对于传送一幅粗略的图像来说是足够的,但是相对于目前美国模拟电视广播所采用的每帧484线以及全新数字系统所采用的每帧1080线则是相当粗糙的。
在30年代末,已经有数千名伦敦人在收看贝尔德的电视节目,但这个电视系统被二战所打断,因为德国的轰炸机可能会利用贝尔德的转播作为引导信号。今天所用的电视机可以追溯到美国发明家斐洛·法恩斯沃思(Philo Farnsworth),是他在1928年创建了第一个全电子电视系统。
多年来随着新技术的出现,越来越多的使用者采用各种手段来占用无线频谱。一部分人需要利用超高频来提高每秒钟传输的信息量。因此看到像Wi-Fi这样运行在2.4千兆赫的数据网络技术的出现早已不再令人惊讶。AM和FM已经加入了许多其他的调制方式,这些调制方式的名字五花八门,像“正交相移键控”和“双边带抑制载波传送”等。
今天无线频谱的图示已经是一个色彩斑斓的庞然大物,里面包含了几百条由FCC分配的频段,频率的范围从6千赫直至300千兆赫。甚低频(其频率从3赫兹～30赫兹,波长达几万英里)通常被用来同潜艇进行联系。而婴儿监护器的频率在49兆赫,FM广播是介于88兆赫到108兆赫之间,还有其他的用户诸如警察调度、空中交通管理和移动电话都有自己的频段。
在无线频谱的上端是微波,通常被用作数据传输、雷达,当然还包括加热食物。对于麦克斯韦理论而言,最出乎意料的应用可能是微波炉,它的发明是因为一次偶然的事件:在1945年,雷达工程师珀西·斯宾塞(Percy Spencer)注意到当他接触过一些正在工作的设备之后口袋里的花生融化了。(可怕的思考:你的微波炉的工作频率和你的无线宽带网络(Wi-Fi)连接的频率几乎一模一样。)
工程师们不断地在寻求无线电更多的用途,而且频率也永远看不到尽头。你甚至能够发现摩尔斯码依然在空中穿梭。2009年模拟广播电视将在美国停播——但是频段的投标者已经排起了队,准备为这些频段开发全新的用途。“它实在是奥妙无穷,”杜希说。“如果你停下来想想,就会发现它像魔法一样不可思议。”