雷达的发明与蝙蝠有关吗

　　说到雷达的发明，很多人会想到曾在小学语文教科书中学过的一篇课文《蝙蝠与雷达》。这篇课文提及，科学家通过反复实验研究，发现蝙蝠嘴里可以发出超声波，超声波遇到障碍物会反射回来，传到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠据此来改变飞行方向。课文明确写道，“科学家模仿蝙蝠探路的方法，给飞机装上了雷达”，不过与蝙蝠发出超声波不同，雷达通过天线发出的是无线电波。几十年来，这篇课文被各个不同版本的小学语文教科书收录，也被2019年出版的、教育部组织编写的统编小学语文教科书收录，位于四年级上册。不只是语文教科书，有些生物学教科书在介绍动物与人类的关系时，也会引用这个例子。例如，人教版初中生物教科书在八年级上册就有一幅插图“蝙蝠的回声定位与雷达”，很多生物教师将其作为仿生学的经典案例介绍给学生。

　　我们现在知道，蝙蝠判断方位的方式叫作回声定位。那么问题来了：雷达真的是模仿蝙蝠的回声定位发明的吗？蝙蝠发出的超声波和雷达发射的无线电波是不是一回事呢？让我们一起回到100多年前，看看历史上到底发生了什么。

　　蝙蝠回声定位的发现

　　人类在很久之前就认识了蝙蝠这种生物，并且注意到蝙蝠的生活习性与人类不同，属于昼伏夜行类。很自然地，人类想了解蝙蝠在夜间是如何飞行的，有人猜测它们的视力可能非常好。

　　在18世纪，一位名为斯巴兰扎尼的意大利生物学家对这个问题产生了兴趣，并进行了实验研究。他先是把蝙蝠关在完全漆黑且没有任何障碍物的房间里，发现蝙蝠几乎不会飞了。但这似乎说明不了什么，万一是房间太黑，蝙蝠看不见，不敢飞呢？于是他又设计了进一步的实验。当他将蝙蝠致盲或将其鼻子遮蔽后，再放入有障碍物的房间中，结果发现它们仍然可以自如地飞行；当他将蝙蝠的耳朵塞起来以后，发现蝙蝠就很容易撞到障碍物了。由此他推断，蝙蝠是通过听觉来导航的。随后，他把自己的发现分享给其他研究者。这一发现引起了瑞士博物学家查尔斯·朱利安的兴趣。

　　朱利安做了这样一个实验：他把蝙蝠的耳朵用蜡封住，发现蝙蝠总是会撞到电线上，由此他确认蝙蝠是通过听觉来导航的。斯巴兰扎尼又重复了朱利安的实验，并试图追根究底，可惜并未完成。更加遗憾的是，斯巴兰扎尼的想法实在有些超前，因为当时（1794年前后）人类尚未发现超声波，因此他的创见非但没有产生轰动效应，反而引起了别人的嘲讽。法国著名的博物学家居维叶，就批评了斯巴兰扎尼和朱利安的实验，他认为蝙蝠可以通过体表或翼膜的触觉来躲避障碍物。

　　顺便补充一下，斯巴兰扎尼简直是一位天才型的科学家。除了上述蝙蝠实验研究外，他还发现可以通过煮沸杀死空气中的微生物（法国科学家巴斯德受其启发通过曲颈甑实验驳斥了自然发生说）；他通过实验证明消化包括化学变化，而非简单的物理变化；他还是第一个对狗进行人工授精的人。因此，巴斯德称斯巴兰扎尼为世界上最伟大的实验科学家之一。

　　斯巴兰扎尼关于蝙蝠的实验和猜想被埋没了一个多世纪。一直到1908年，美国动物学家哈恩才通过改进的实验验证了斯巴兰扎尼的实验结果。然而，真正的谜底揭晓则是在1938年。美国哈佛大学的皮尔斯设计出了可以探测超声波（频率高于20000赫兹，超过人的听力范围）的设备，当时还在哈佛读书的格里芬抓着蝙蝠跑去找皮尔斯，首次发现蝙蝠可以发出超声波。又过了两年，格里芬与高拉姆博什通过实验证明，蝙蝠的嘴能够发出超声波，其耳朵可以接收遇到障碍物反射回来的超声波，从而进行导航和定位。1944年，格里芬将蝙蝠的这种本领命名为“回声定位”。需要说明的是，不仅是蝙蝠，其他一些哺乳动物和鸟类也有这种本领。

　　蝙蝠是通过反射的声波来定位的，你是否由此想到了人们使用声呐在海洋中判断方位和测距？其实，声呐早在1906年就被英国的刘易斯·尼克森发明出来了，在第一次世界大战中被应用到战场上，用于侦察潜水艇的位置。后来，声呐的技术也在进步，应用领域也不断扩展。总的来说，声呐的使用要比发现蝙蝠回声定位的原理更早一些。

　　雷达的发明与应用

　　雷达是一项重要的军事发明，得益于电磁波理论和技术的进步。德国物理学家赫兹在1888年证明了电磁波的存在，无线电报、无线电收音机、无线电广播相继问世。对于电磁波会被物体反射的现象，赫兹早就注意到了。1897年，俄国科学家波波夫提出了在海上利用无线电波探测目标的设想，但并未付诸实践。因为那是在电磁波研究的早期阶段，尚未投入应用。

　　进入20世纪以后，电磁波的发送与接收已经应用于航海领域。1904年，德国工程师胡尔斯迈耶制造出一种可以探测船舶的装置，它可以发射和接收电磁波；1922年，美国海军在海上航道两侧安装电磁波发射和接收装置，用以探测来往船只。当时的电磁波收发装置是分离的，这些装置被认为是早期的雷达。

　　说到雷达的发明，有一个不得不提的关键人物—英国物理学家沃森·瓦特。1915年，瓦特进入空军气象部门工作。考虑到飞机的飞行受到雷电天气的影响，瓦特认为，雷电会让空气分离从而发出电磁波，如果能探测到这些电磁波信号，就可以知道雷电的区域。他提出了“沃森·瓦特测向体制”，采用阴极射线管显示无线电信号，成功解决了对电磁信号进行定位和可视化的难题。在此研究过程中，瓦特还发现了微波磁控管的热效应，后人根据这个原理发明了微波炉。1933年，瓦特成为英国国家物理实验所无线电研究室的主任。

　　由于飞机在第一次世界大战中（1914—1918年）投入军用，从20世纪30年代开始，各国开始秘密研制远距离寻找飞机的仪器。1934年，瓦特偶然注意到无线电波可以在荧光屏上显示出来。次年2月，他向英国政府提交了《采用无线电方法探测飞机》的秘密备忘录，与之相关的研究计划很快被政府批准并付诸实践，当年瓦特就研制出第一部可以探测飞机的雷达，该雷达可以发出波长为1。5厘米的微波，探测距离达到80千米。从1936年开始，瓦特协助英国架设了第一个雷达站。后来，英国建成长达200千米的雷达网（被称为CH系统），在第二次世界大战中发挥了巨大作用。瓦特因此在1941年被授予爵士头衔。不仅是英国，其他国家也在同期研制雷达，包括美国、法國、德国、意大利、日本、苏联、荷兰等。到1939年，雷达进入完全实用阶段，并在第二次世界大战中大显神威。

　　总的来说，雷达的发明与改进是技术不断进步的表现。由于雷达的研制后来跟军事活动牵涉甚多，基本上是在保密条件下开展的，可以说是在几个不同国家同时获得发展进步的。值得一提的是，“雷达”这个名词一直到20世纪40年代中期才出现，英文Radar是Radio Detection And Ranging这几个单词的缩写。

　　蝙蝠回声定位与雷达之异同

　　蝙蝠回声定位和雷达的原理既有相似点，又有差异。相似点在于，二者都是利用了波被物体反射可以测定方位的原理；差异在于，蝙蝠回声定位使用的是超声波，超声波是一种声波，其本质是物体的振动在空气等介质中的传播，如果没有了介质，比如在真空环境下，声波是无法传播的，回声定位就无法实现；雷达使用的是无线电波，其本质是电磁波，电磁波既可以通过介质传播，也可以在真空中传播。此外，从频率（即每秒振动的次数）上看，超声波的频率在20000赫兹以上，医用超声波一般在1～30兆赫（1兆赫=106赫兹）；雷达使用的无线电波具有从极低频到极高频的一个频谱，频率可以从3000赫兹到3000吉赫兹（1吉赫兹=109赫兹）。

　　通过梳理这段历史，我们可以发现，蝙蝠回声定位的发现与雷达的发明是两个独立的事件，就现有的证据而言，无法证实后者是受到前者的启发。由于斯巴兰扎尼的实验结果长期被忽视，直到20世纪40年代才被格里芬等人揭晓谜底，而彼时雷达已经在军事中获得实际应用，这就让雷达的发明受蝙蝠回声定位启发的说法难以自圆其说。我们在惊叹于造物主的鬼斧神工和人类的智慧时，在感谢大自然对人类的馈赠和启发时，更要坚持科学精神，尊重历史，尊重事实。

　　付雷

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