電磁波，看見宇宙的“眼睛”

來源：光明網-《光明日報》

子午工程——麗江臺玉龍站光譜成像日冕儀

子午工程——圓環陣太陽射電成像望遠鏡。

子午工程——威海臺榮成站米波太陽射電頻譜儀12米口徑天線。

當我們仰望星空，究竟是如何“看到”宇宙的？當我們俯視大地，又是如何“讀懂”世間萬物的？人類對世界的感知始於光，但光只是電磁波中的一種。從自然界的動物視覺進化，到人類高科技觀測設備，我們“看”世界的視角，已經由可見光波段拓展到電磁波全波段。

人類爲什麼能“看”

人類能看到世界，就是因爲電磁波。

在地球生命進化史上，眼睛的出現是一次劃時代的事件，意味着動物開始利用可見電磁波（光波）來感受、理解世界。通俗地說，我們“感受”電磁波的波長來“理解”顏色，“感受”電磁波的振幅來“理解”明暗。

視網膜接收外部光源照射物體反射的光，激活我們擁有的三種視錐細胞，它們分別對波長564、534和420納米的電磁波最爲敏感，可以粗略簡化爲紅、綠、藍三種顏色。當我們接收到一種任意波長的光波，三種視錐細胞以不同程度“響應”該波長，這就實現了類似“編碼”的效果，供大腦後期“解碼”併成像。也就是說，我們看到的“顏色”是一種“錯覺”，是我們對不同波長電磁波的主觀感知，即大腦處理三種視錐信號後的結果。

其他動物視錐細胞的種類和特性與我們不同，貓狗只有二色視覺（兩種視錐細胞），只能分辨藍和黃；大多數鳥類、爬行動物擁有四色視覺，它們眼裡的世界更加繽紛多彩；而蝦蛄則擁有動物界最複雜的視覺系統之一，每隻眼都分爲多個區域，能獨立感知影像，擁有多達12種感光類型，宛如“視覺怪獸”。

看，在我們還不知道什麼是電磁波時，就已經開始利用它了。

人們認識到電磁波的存在是在19世紀中後期。1864年，麥克斯韋結合前人成果，預言了電磁波的存在，揭示了其基本的內在規律；1886年，赫茲用著名的“電火花實驗”證明了電磁波的存在；1896年，馬可尼第一次用電磁波實現了通信，後續又於1901年實現跨洋通信。之後的100多年，是利用電磁波技術的井噴時代。從波長最短、頻率最高的伽馬射線，到波長最長、頻率最低的無線電波，電磁波的應用越來越廣泛。

那麼，什麼是電磁波？通俗而言，電磁波是電場和磁場交替變化、彼此垂直並共同向外傳播的一種波動現象。我們可以想象扔一塊石頭到水裡，水面濺起向四周傳播的水波，石頭就是激發電磁波的波源，起伏的水面就是電場或磁場。當然這個比喻並不完善，例如水波只有“水”一種向外擴散的“起伏”，電磁波有“電場”和“磁場”兩種相互垂直、均向外擴散的“起伏”——相當於“上下”起伏的水波身上，同時原地疊加一個“左右”起伏的水波，這就是電磁波的奇妙之處——電場與磁場互相垂直，又共同向外傳播。

更有趣的是，變化的電場會產生磁場，變化的磁場又反過來激發電場，它們彼此交替，源源不斷地向遠方傳播。水波的擴散需要水作爲介質，而電磁波傳播無需介質，能在真空中以光速穿越宇宙，它有波長、頻率、速度、振幅、極化等屬性，不同波長決定了不同的穿透力、能量和用途——比如X射線能穿透人體組織，紅外線攜帶熱量，射電波能穿越塵埃厚幕傳回深空圖像。正是這些差異，讓電磁波成爲我們探知世界的“多功能工具箱”。

全頻段的“眼睛”，看見光“看不到”的

我們人眼所見的可見光，只不過是整個電磁波譜中一小段狹窄條帶。正如前文所說，生物的視覺方式，本質上都是通過細胞對固定波長電磁波的響應來進行編碼，這就決定了包括我們人類在內的視覺系統，對電磁波的感知只能是離散的、跳變的，無法實現連續色譜的“真彩色”。

自然界中，還有另一種色彩——結構色，它來自微觀結構對電磁波的精巧幹涉與衍射。當物體表面的微觀結構尺寸與外部光源照射的某些電磁波的波長相近時，入射光在這些結構中發生反射與疊加。若結構層之間的高度差恰好滿足一定條件，就可能對特定波長產生增強，對另一些波長形成抵消，最終只留下某種特定“顏色”的電磁波被反射出來。不同微結構反射的“顏色”也千差萬別，因此結構色是真正由“波”塑造的連續色譜的顏色。

例如，某些甲蟲的奇異金屬光澤，某些昆蟲翅膀的鮮豔炫彩，孔雀羽毛的部分亮帶，都是結構色的典型體現。有趣的是，擬態章魚雖然沒有典型的視錐細胞，被認爲是無法區分波長的全色盲，但卻可以巧妙利用結構色。它們能通過獨特的光敏結構“感知”周圍環境的結構光，進而調整自身色素水平，模擬出與周圍環境相近的反射波長，實現對所有視覺動物的全頻段迷彩僞裝。

這種連續波段的感知方式，爲我們設計跨波段觀測儀器提供了寶貴啓示。正是這些自然啓示，推動人類從生物視覺向技術感知延伸。

過去，人類在較長時間裡依賴光波段理解世界。伽利略用自制望遠鏡確認了木星有四顆衛星圍繞公轉，開啓了天文觀測的新時代。此後天王星、海王星、冥王星等，也都是通過光學望遠鏡觀測被確認存在的。

當地基光學望遠鏡到達瓶頸，可以繞開大氣影響的、以哈勃和韋伯爲代表的一系列太空望遠鏡登上舞臺，探測波段也從光波段拓展到更多電磁波頻段——人類觀察世界的眼睛，正逐步從“看光”走向“讀全譜”，打開了更廣闊的觀察世界的窗口。

一個著名的例子便是“巨引源”的觀測。它是位於拉尼亞凱亞超星系團的一部分區域的巨大引力異常處，因恰好處在地球視角的銀河系盤面方向，各種天體和塵埃層層遮擋，使得幾乎無法通過可見光探測，成爲宇宙地圖上的盲區。正是射電望遠鏡通過接收低頻電磁波信號，我們得以間接瞭解其引力匯聚特徵和大尺度物質分佈結構，逐步揭開了它的神秘面紗。

類似的例子還有很多：我們通過微波波段測量宇宙微波背景輻射，藉助紅外波段穿越塵埃看到恆星誕生的搖籃，用X射線揭示高能噴流與黑洞吸積盤的動力過程，甚至用伽馬射線幫助捕捉宇宙中最劇烈的爆發現象，如伽馬射線暴與中子星合併事件。不同波段的電磁波，共同構成了我們“看見”宇宙不同面貌的全譜視野。

從地球大氣層，到太陽系的行星與小天體，再到銀河系邊緣、星系團甚至宇宙大尺度結構，電磁波爲我們繪製出一幅幅細緻入微的多尺度圖譜，幫助我們理解宇宙的全貌。

在祖國大地，打造仰望星空的“眼睛”

近年來，我國在電磁波探測方面有了長足的進步。從看向宇宙深處的“眼睛”，到探測地球大氣層、電離層、磁層和日地空間等與日常生活息息相關的區域，我們開展了電磁波多頻段的綜合觀測。或直接接收不同頻段電磁信號，或主動發射雷達信號探測目標，兩者互爲補充，極大拓展了人類對自然環境的認知能力，爲人類科技發展作出中國貢獻。通過這些特定頻段的全波段的感知裝置，我們不僅能“看到”物體或現象，也能理解其內在的物理規律，瞭解其現象背後的動力機制。

其中，可着重介紹的，是由中國科學院國家空間科學中心牽頭建設的國家重大科技基礎設施項目“子午工程”。其最具代表性的設備，是圓環陣太陽射電成像望遠鏡（DAocheng Radio Telescope，DART）。它坐落在四川稻城海拔近4000米的高原之上，由313面拋物面天線組成，分佈在直徑1公里的圓環上。

DART工作頻段在150～450MHz之間，是全球唯一能實現高速實時太陽射電成像的設備。它不僅是一臺“太陽相機”，更是一把解析太陽“情緒波動”的科學鑰匙——能以極高的時間分辨率捕捉太陽活動的完整動態，在瞬息萬變的電磁爆發中精準提取圖像。

山東大學也參與了“子午工程”的建設。除了位於四川稻城的DART，山東大學還協同牽頭單位和各兄弟參與單位，由空間科學與技術學院和機電與信息工程學院協作，分別在威海文登、榮成槎山佈設了具有代表性的地基觀測設備，它們各自承擔不同層次的觀測任務，構成了一張持續運行的空間環境感知網絡。

坐落於山東威海文登的，是GNSS電離層TEC與閃爍監測儀、電離層數字測高儀以及流星雷達。GNSS監測儀通過分析來自北斗、GPS等導航衛星發射的電磁波，在穿越電離層過程中產生的相位延遲和閃爍效應，實時獲取上空電離層的總電子含量與擾動信息，爲導航誤差預警與空間環境建模提供關鍵數據支持。電離層測高儀則通過發射1至30MHz的高頻電磁波，測量其在不同高度電離層反射回波的延遲和強度，繪製頻高圖進而反演電子密度剖面，相當於“剖開”電離層、透視其層次結構。流星雷達則工作在30至60MHz波段，藉助流星劃過夜空時在高空形成的電離尾跡，反推出70至110公里中高層大氣的風場分佈，是研究中高層大氣動力學的重要手段。

在威海榮成槎山，則部署了國內首個覆蓋15MHz至15GHz波段的寬頻太陽射電監測系統。它如同一臺“多波段廣播接收機”，全天候監聽太陽的“電磁波語言”，追蹤日冕物質拋射、耀斑爆發等高能事件。這些觀測數據不僅有助於深入理解太陽活動的物理機制，也爲我國的衛星通信和導航系統提供早期預警保障。

這些觀測設備，如仰望天空的“眼睛”，默默記錄着地球空間環境的每一次波動與擾動，爲我國在電離層監測、太陽預警、中高層大氣動力學等多個前沿領域的科學研究與實用應用提供了堅實支撐。

電磁波是自然賜予我們的一把萬能鑰匙，它揭示的不僅是物質的狀態，更是人類認識世界的尺度；不僅是我們仰望宇宙的“眼睛”，也照亮我們腳下的未來！

你問我答

問：電磁波跟我們的生活有關嗎？

高東興：電磁波是由電場和磁場交替振盪並向外傳播的一種波動現象，它既是物理規律的體現，也是一種能量傳播方式。我們熟悉的可見光其實就是電磁波的一種，而它還包括射電波、微波（含毫米波）、紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波無處不在，影響着我們的日常生活：從手機通信、Wi-Fi、微波爐，到醫療中的X射線檢查，再到衛星導航與天文觀測，電磁波的應用無處不在，與生活息息相關。

問：文中的這些觀測設備是靠什麼“看見”世界的？

高東興：這些觀測設備利用的是電磁波探測原理，主要分爲兩類：一種是被動接收型，如望遠鏡、射電接收器，通過接收天體或環境自然發出的電磁波信號，來分析其結構和狀態；另一種是主動發射型，如雷達，通過發射電磁波並接收從目標反射回來的信號，判斷目標的距離、高度、運動狀態等。這使我們即使在黑夜、雲層、塵埃甚至深空中，也能“看見”那些肉眼無法識別的現象。

（作者：高東興，系山東大學機電與信息工程學院副教授）

圖片均由中國科學院國家空間科學中心提供