微波如何幫助我們彼此溝通，並聆聽宇宙的聲音

當時教宗正在觀看，一切必須成功。1932年，古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）在梵蒂岡花園架設一座特製天線時，教宗庇護十一世（Pope Pius XI）在一旁注視，也許馬可尼心中正閃過這樣的念頭。

這座天線是用來建立一條無線電連線，將梵蒂岡與教宗的夏日別墅——岡道爾夫堡（Castel Gandolfo）連接起來。但這不只是一般的無線電連線，它使用的是微波——一種頻率極高的無線電波。馬可尼還設置了一套可攜式微波通訊系統，安裝在一輛汽車上，讓教宗在外出途中也能與梵蒂岡保持聯繫。有人甚至認為，這就是世界上第一個行動電話，儘管體積非常龐大。

十三年前，馬可尼因對無線電報的貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。當時正值無線電時代蓬勃發展之際。但當馬可尼轉向微波技術時，他開始探索無線電頻譜中具有特殊性質的一部分。

微波能夠傳輸大量資訊，也能加熱食物，甚至干擾敵方的電子設備。微波技術甚至協助人類揭示了宇宙的起源。

嘀——嘀——嘀——

早在馬可尼為教宗打造微波電話之前，已有其他人開始研究類似頻率的技術。

19世紀末，一位才華橫溢的印度科學家賈加迪什·錢德拉·玻色（Jagadish Chandra Bose）——如今遺憾地已被世人遺忘——開發了最早期的微波技術。

他研製出第一套能產生毫米波的設備——這正是現今5G裝置所使用的波段。1895年，玻色展示了毫米波能夠使鈴鐺響起，甚至能遠端觸發槍械發射。

可以說，馬可尼的成名，部分也得益於玻色的工作。

1901年12月12日，馬可尼使用非微波頻率，完成了首次橫越大西洋的無線電傳輸。當時他坐在紐芬蘭一座懸崖上的小屋裡，耳機中充斥著嘈雜的聲音，他耐心地聆聽了好幾個小時——直到他聽到了期待已久的訊號：

嘀——嘀——嘀——

摩斯密碼中的字母「S」。他激動地將耳機遞給同伴，問道：「你聽到什麼了嗎？」對方也聽到了。

這是一項驚人的壯舉。那些無線電波從英格蘭南部穿越超過2,000英里的海洋傳送而來，而他此前的最長距離傳輸紀錄僅為80英里。

多年以來，有人質疑馬可尼所描述的那次傳輸是否真的發生過。然而，近期的研究顯示，即使使用他當時的早期無線電設備，這在理論上是可能的。

在這些設備中，有一種名為「同調器」（coherer）的裝置，是一種簡單的無線電訊號接收器。而儘管相關紀錄略顯模糊，據信這個同調器的設計者正是玻色本人。

「他發明了許多令人驚嘆的儀器，」玻色的傳記作者蘇迪普托·達斯（Sudipto Das）說道。

但玻色或許太過超前於他的時代。首先，在20世紀初，微波技術尚未有太多實用的應用場景，而低頻無線電波已能滿足當時的需求。於是玻色將研究重心從物理學轉向他更感興趣的植物生理學領域，並「幾乎被遺忘」，達斯如此形容。

微波爆米花

然而，第二次世界大戰讓微波技術再次變得重要。雷達技術使軍方能夠透過反射無線電訊號來偵測敵方飛機。而一種名為「多腔磁控管」（cavity magnetron）的微波裝置於1940年在英國研發成功，成為當時最強大、最有效的雷達技術之一。

這種裝置體積小巧，足以安裝在飛機上，其卓越的探測範圍與精準度為同盟國帶來了關鍵優勢，協助他們贏得戰爭。

1945年，美國雷神公司的工程師珀西·史賓塞（Percy Spencer）正是受到微波發射磁控管的啟發，發明了微波爐。他在實驗室走過磁控管時，口袋裡的花生糖開始融化。後來他拿起一包爆米花靠近磁控管，結果爆米花突然爆開，「在整個實驗室裡炸得四處都是」，《讀者文摘》的一篇文章如此回憶。

這一現象的背後，是微波在特定頻率下能激發食物中的分子，使其以相同頻率振動，進而產生摩擦並加熱食物。

微波爐所使用的頻率是2.4 GHz——這也是許多Wi-Fi路由器使用的頻率。不過，路由器釋放的微波功率遠低於微波爐，因此你無法靠上網來製作爆米花。

麻省理工學院的卡羅琳·羅斯（Caroline Ross）指出，選擇正確的烹飪頻率非常重要。2.4GHz的微波能夠有效穿透食物，並讓食物分子均勻吸收輻射能量。

「如果你使用更高的頻率，例如數十GHz，穿透深度就會非常淺，幾乎任何物質都能阻擋它——甚至是空氣中的水分，」她解釋道。

微波之所以特別，部分原因就在於它在某些頻率下能與物質產生互動。當然，用微波加熱剩飯剩菜可能不算什麼驚天動地的事——但如果用微波來在人的腦中引發聲音呢？這就變得相當戲劇化了。

哈瓦那症候群

在第二次世界大戰期間，曾在大型微波雷達設施附近工作的軍人回憶，他們能感覺到雷達正在運作。「當我們站在天線喇叭附近時，可以聽到雷達的重複頻率，」一位見證者在1950年代寫道。

芝加哥伊利諾大學的榮休教授詹姆斯·林（James Lin）聽聞這些故事後，在1970年代嘗試在實驗室重現這種現象。

「基本上，我是用自己當實驗品，」他回憶道。他架設了一個微波天線，直接對準自己的頭部。

林推測，微波在他頭部內部引發了壓力波，讓他感覺到聲音。為了避免他的大腦被煮熟，他刻意將功率保持在低水平。「我能聽到脈衝聲，」他說。「我現在還活著……應該不算太糟吧。」

這種現象後來被稱為微波聽覺效應，而它也可能有助於解釋美國外交官在全球各地——最著名的是古巴哈瓦那——所報告的一連串神秘疾病。

哈瓦那症候群的受害者報告稱，他們曾聽到奇怪刺耳的聲音，感覺耳朵內部壓力逐漸升高，並出現頭暈、噁心和記憶力衰退等症狀。是否有敵人對他們發射微波束？儘管有些人否定這一假設，但詹姆斯·林認為，這仍是解釋聽覺症狀最合理的理論。

微波武器確實存在，儘管公開的討論多半是針對機器而非人類。例如，美國軍方擁有能以微波癱瘓敵方電子設備的導彈，甚至能擊落無人機。

與此相對，詹姆斯·林致力於開發利用微波進行治療的方法——例如用來治療肌肉疾病和心律不整。

針對後者，他表示可以透過導管將一個小型的微波發射裝置植入心臟，來摧毀異常的心臟組織。這項技術如今已廣泛應用，且比更具侵入性的傳統開胸手術有優勢。他指出：「只需以高功率發射一個微波，就能灼傷病變組織。」

宇宙在說話

但微波不只是用來救命，它也幫助人類揭示了宇宙的起源。1960年代初，美國新澤西州的兩位無線電天文學家——阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）與羅伯特·伍德羅·威爾遜（Robert Woodrow Wilson）——試圖使用一座大型喇叭形天線作為無線電波望遠鏡。但他們不斷收到惱人的嘶嘶聲或靜電噪音。

他們一度以為是天線的鴿子排泄物造成的干擾，於是驅趕鴿子並清理乾淨。但問題並不在鴿子——彭齊亞斯與威爾遜所聽到的，其實是宇宙本身的聲音。

「那是一張早期的快照，」英國伯明翰大學的肖恩·麥基（Sean McGee）說。彭齊亞斯與威爾遜發現了我們今天所稱的宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation）——這是宇宙大爆炸後留下的痕跡，約發生在138億年前，宇宙由此誕生。

他們因此獲得1978年諾貝爾物理學獎的一半獎項。

他們所偵測到的殘餘輻射遍佈整個宇宙。事實上，傳統模擬電視螢幕上的雪花雜訊，有一小部分就是來自這種宇宙微波背景輻射。換句話說，在LED螢幕普及之前，人們在客廳裡還能感受到宇宙大爆炸的殘留。

後來，衛星幫助天文學家繪製出宇宙微波背景的地圖，並記錄其微小的溫度波動。這些波動似乎影響了星系在宇宙膨脹過程中的形成位置。

「我們都是早期宇宙中量子波動的結果，這些波動成為星系的種子，」肖恩·麥基說。

如今，人們在進行國際通話時，只要透過衛星連線，就會使用微波技術。這與馬可尼在1930年代為教宗安裝在汽車上的通訊設備相比，可說是一次巨大的飛躍。

人們日復一日地用微波互相交流，這很合情理——因為這也是宇宙與我們交流的方式，幫助我們確認了有史以來最偉大的故事——萬物起源的故事。

本內容由Nobel Prize Outreach與BBC共同製作。

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