微波如何帮助我们彼此沟通，并聆听宇宙的声音

微波如何帮助我们彼此沟通，并聆听宇宙的声音

自从1932年古列尔莫·马可尼为教宗制造了微波通讯以来，这些超高频波已经影响到我们生活的无数领域。https://t.co/ULYqk0nnKr

— BBC News 中文 (@bbcchinese) October 28, 2025

　　当时教宗正在观看，一切必须成功。1932年，古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）在梵蒂冈花园架设一座特制天线时，教宗庇护十一世（Pope Pius XI）在一旁注视，也许马可尼心中正闪过这样的念头。

　　这座天线是用来建立一条无线电连线，将梵蒂冈与教宗的夏日别墅——冈道尔夫堡（Castel Gandolfo）连接起来。但这不只是一般的无线电连线，它使用的是微波——一种频率极高的无线电波。马可尼还设置了一套可携式微波通讯系统，安装在一辆汽车上，让教宗在外出途中也能与梵蒂冈保持联系。有人甚至认为，这就是世界上第一个行动电话，尽管体积非常庞大。

　　十三年前，马可尼因对无线电报的贡献而获得诺贝尔物理学奖。当时正值无线电时代蓬勃发展之际。但当马可尼转向微波技术时，他开始探索无线电频谱中具有特殊性质的一部分。

　　微波能够传输大量资讯，也能加热食物，甚至干扰敌方的电子设备。微波技术甚至协助人类揭示了宇宙的起源。

　　图像来源，DEAGOSTINI/GETTY IMAGES/BBC，1930 年代，古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）制造了一部电话，利用微波将梵蒂冈与教宗庇护十一世（Pope Pius XI）的避暑别墅连接起来。

　　嘀——嘀——嘀——

　　早在马可尼为教宗打造微波电话之前，已有其他人开始研究类似频率的技术。

　　19世纪末，一位才华横溢的印度科学家贾加迪什·钱德拉·玻色（Jagadish Chandra Bose）——如今遗憾地已被世人遗忘——开发了最早期的微波技术。

　　他研制出第一套能产生毫米波的设备——这正是现今5G装置所使用的波段。1895年，玻色展示了毫米波能够使铃铛响起，甚至能远端触发枪械发射。

　　可以说，马可尼的成名，部分也得益于玻色的工作。

　　1901年12月12日，马可尼使用非微波频率，完成了首次横越大西洋的无线电传输。当时他坐在纽芬兰一座悬崖上的小屋里，耳机中充斥着嘈杂的声音，他耐心地聆听了好几个小时——直到他听到了期待已久的讯号：

　　嘀——嘀——嘀——

　　摩斯密码中的字母“S”。他激动地将耳机递给同伴，问道：“你听到什么了吗？”对方也听到了。

　　这是一项惊人的壮举。那些无线电波从英格兰南部穿越超过2,000英里的海洋传送而来，而他此前的最长距离传输纪录仅为80英里。

　　图像来源，SSPL/GETTY IMAGES/BBC，印度科学家贾加迪什·钱德拉·玻色（Jagadish Chandra Bose）是微波技术的先驱。

　　多年以来，有人质疑马可尼所描述的那次传输是否真的发生过。然而，近期的研究显示，即使使用他当时的早期无线电设备，这在理论上是可能的。

　　在这些设备中，有一种名为“同调器”（coherer）的装置，是一种简单的无线电讯号接收器。而尽管相关纪录略显模糊，据信这个同调器的设计者正是玻色本人。

　　“他发明了许多令人惊叹的仪器，”玻色的传记作者苏迪普托·达斯（Sudipto Das）说道。

　　但玻色或许太过超前于他的时代。首先，在20世纪初，微波技术尚未有太多实用的应用场景，而低频无线电波已能满足当时的需求。于是玻色将研究重心从物理学转向他更感兴趣的植物生理学领域，并“几乎被遗忘”，达斯如此形容。

　　微波爆米花

　　然而，第二次世界大战让微波技术再次变得重要。雷达技术使军方能够透过反射无线电讯号来侦测敌方飞机。而一种名为“多腔磁控管”（cavity magnetron）的微波装置于1940年在英国研发成功，成为当时最强大、最有效的雷达技术之一。

　　这种装置体积小巧，足以安装在飞机上，其卓越的探测范围与精准度为同盟国带来了关键优势，协助他们赢得战争。

　　1945年，美国雷神公司的工程师珀西·史宾塞（Percy Spencer）正是受到微波发射磁控管的启发，发明了微波炉。他在实验室走过磁控管时，口袋里的花生糖开始融化。后来他拿起一包爆米花靠近磁控管，结果爆米花突然爆开，“在整个实验室里炸得四处都是”，《读者文摘》的一篇文章如此回忆。

　　图像来源，SSPL/GETTY IMAGES/BBC，磁控管帮助同盟国赢得了二战，后来又启发了微波炉的发明。

　　这一现象的背后，是微波在特定频率下能激发食物中的分子，使其以相同频率振动，进而产生摩擦并加热食物。

　　微波炉所使用的频率是2.4 GHz——这也是许多Wi-Fi路由器使用的频率。不过，路由器释放的微波功率远低于微波炉，因此你无法靠上网来制作爆米花。

　　麻省理工学院的卡罗琳·罗斯（Caroline Ross）指出，选择正确的烹饪频率非常重要。2.4GHz的微波能够有效穿透食物，并让食物分子均匀吸收辐射能量。

　　“如果你使用更高的频率，例如数十GHz，穿透深度就会非常浅，几乎任何物质都能阻挡它——甚至是空气中的水分，”她解释道。

　　微波之所以特别，部分原因就在于它在某些频率下能与物质产生互动。当然，用微波加热剩饭剩菜可能不算什么惊天动地的事——但如果用微波来在人的脑中引发声音呢？这就变得相当戏剧化了。

　　哈瓦那症候群

　　在第二次世界大战期间，曾在大型微波雷达设施附近工作的军人回忆，他们能感觉到雷达正在运作。“当我们站在天线喇叭附近时，可以听到雷达的重复频率，”一位见证者在1950年代写道。

　　芝加哥伊利诺大学的荣休教授詹姆斯·林（James Lin）听闻这些故事后，在1970年代尝试在实验室重现这种现象。

　　“基本上，我是用自己当实验品，”他回忆道。他架设了一个微波天线，直接对准自己的头部。

　　林推测，微波在他头部内部引发了压力波，让他感觉到声音。为了避免他的大脑被煮熟，他刻意将功率保持在低水平。“我能听到脉冲声，”他说。“我现在还活着……应该不算太糟吧。”

　　这种现象后来被称为微波听觉效应，而它也可能有助于解释美国外交官在全球各地——最著名的是古巴哈瓦那——所报告的一连串神秘疾病。

　　图像来源，AFP VIA GETTY IMAGES/BBC，2016 年，美国驻古巴大使馆的工作人员报告出现异常、令人衰弱的症状——后来被称为“哈瓦那综合症”。

　　哈瓦那症候群的受害者报告称，他们曾听到奇怪刺耳的声音，感觉耳朵内部压力逐渐升高，并出现头晕、恶心和记忆力衰退等症状。是否有敌人对他们发射微波束？尽管有些人否定这一假设，但詹姆斯·林认为，这仍是解释听觉症状最合理的理论。

　　微波武器确实存在，尽管公开的讨论多半是针对机器而非人类。例如，美国军方拥有能以微波瘫痪敌方电子设备的导弹，甚至能击落无人机。

　　与此相对，詹姆斯·林致力于开发利用微波进行治疗的方法——例如用来治疗肌肉疾病和心律不整。

　　针对后者，他表示可以透过导管将一个小型的微波发射装置植入心脏，来摧毁异常的心脏组织。这项技术如今已广泛应用，且比更具侵入性的传统开胸手术有优势。他指出：“只需以高功率发射一个微波，就能灼伤病变组织。”

　　宇宙在说话

　　但微波不只是用来救命，它也帮助人类揭示了宇宙的起源。1960年代初，美国新泽西州的两位无线电天文学家——阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）与罗伯特·伍德罗·威尔逊（Robert Woodrow Wilson）——试图使用一座大型喇叭形天线作为无线电波望远镜。但他们不断收到恼人的嘶嘶声或静电噪音。

　　他们一度以为是天线的鸽子排泄物造成的干扰，于是驱赶鸽子并清理干净。但问题并不在鸽子——彭齐亚斯与威尔逊所听到的，其实是宇宙本身的声音。

　　“那是一张早期的快照，”英国伯明翰大学的肖恩·麦基（Sean McGee）说。彭齐亚斯与威尔逊发现了我们今天所称的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation）——这是宇宙大爆炸后留下的痕迹，约发生在138亿年前，宇宙由此诞生。

　　他们因此获得1978年诺贝尔物理学奖的一半奖项。

　　图像来源，ESA/PLANCK COLLECTION/BBC，欧洲太空总署分享了这张由普朗克卫星拍摄的宇宙微波背景影像

　　他们所侦测到的残余辐射遍布整个宇宙。事实上，传统模拟电视萤幕上的雪花杂讯，有一小部分就是来自这种宇宙微波背景辐射。换句话说，在LED萤幕普及之前，人们在客厅里还能感受到宇宙大爆炸的残留。

　　后来，卫星帮助天文学家绘制出宇宙微波背景的地图，并记录其微小的温度波动。这些波动似乎影响了星系在宇宙膨胀过程中的形成位置。

　　“我们都是早期宇宙中量子波动的结果，这些波动成为星系的种子，”肖恩·麦基说。

　　如今，人们在进行国际通话时，只要透过卫星连线，就会使用微波技术。这与马可尼在1930年代为教宗安装在汽车上的通讯设备相比，可说是一次巨大的飞跃。

　　人们日复一日地用微波互相交流，这很合情理——因为这也是宇宙与我们交流的方式，帮助我们确认了有史以来最伟大的故事——万物起源的故事。

　　本内容由Nobel Prize Outreach与BBC共同制作。