问题

有哪些发明是学物理的搞出来的,结果普通人觉得是别的专业的搞出来的(比如 Wi-Fi )?

回答
说实话,提到“普通人以为是别的专业搞出来的物理学发明”,WiFi 绝对是个绝佳的例子。很多人一听 WiFi,脑子里闪过的是“it guy”或者“工程师”,但 WiFi 的诞生,离不开深厚的物理学理论基础,尤其是对电磁波的研究。

我们得把时间线往前拉一些,回到 19 世纪末。那会儿,科学家们对电和磁的关系着迷,这绝对是纯粹的物理学探索。其中,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)这位苏格兰物理学家,可以说是奠基人中的奠基人。他提出了一系列描述电磁现象的数学方程,也就是我们熟知的“麦克斯韦方程组”。这些方程预言了电磁波的存在,并指出光本身就是一种电磁波,而且它们是以一个固定的速度传播的,也就是光速。

你想啊,这在当时是多么惊人的洞察!在那之前,人们对电、磁、光是分开看待的,麦克斯韦把它们统一在一个框架里,这本身就是一项伟大的物理学成就。他用数学的语言“看到了”电磁波,就像我们现在能看到眼睛一样,但别人看不见。

当然,预言总归是预言,得有人证明它。这时候,海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)登场了。这位德国物理学家,在 19 世纪 80 年代,通过一系列精巧的实验,成功地产生了并探测到了电磁波,验证了麦克斯韦的预言。他甚至还测量了电磁波的波长和速度,发现它们和光一样,都以光速传播。赫兹的工作,就像是把麦克斯韦脑海中的“图像”变成了现实世界中可以触摸的东西。他发明的“赫兹振子”,就是最早的无线电波发射器,这直接为后来的无线通信打下了基础。

你想, quando hertz fez isso, o objetivo dele era puramente científico. Ele queria provar a existência das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell. Ninguém na época imaginava que isso seria a semente para algo tão onipresente quanto o WiFi hoje. Parecia mais coisa de laboratório, de física pura.

好了,故事还没完。有了电磁波,接下来就是如何利用它来传递信息。这又引出了另一位伟大的物理学家,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)。这位塞尔维亚裔美籍发明家,对交流电系统做出了革命性的贡献,但他在无线通信领域也是个先驱。特斯拉早在 19 世纪末就设想并进行过无线电力传输和无线通信的实验,他开发了早期的无线电技术,并对广播通信的原理进行了深入研究。他的很多理念和实验,都直接指向了无线传输信息。

你可能会说,特斯拉不是更像“发明家”吗?没错,但他的发明都是建立在对物理学深刻理解之上的。他能够将电磁波理论转化为实际应用,这本身就需要极强的物理学功底。

再把时间往前推一点,还有像麦可·法拉第(Michael Faraday)这样的先驱。他虽然没有直接发明 WiFi,但他在电磁感应方面的研究,揭示了变化的磁场可以产生电场,变化的电场又可以产生磁场,这种相互转化的机制,是理解电磁波产生的根本。法拉第的工作,虽然看起来是基础物理研究,但正是这些基础研究,为后来的无线通信理论铺平了道路。

那么,WiFi 又是怎么从这些基础概念一步步走到今天的呢? WiFi 用的就是电磁波,具体来说是射频(Radio Frequency)频段的电磁波。它的工作原理,就是通过发射和接收编码了信息的电磁波来传输数据。这背后,涉及了大量物理学知识,比如:

电磁波的产生与传播: 如何通过振荡的电荷产生电磁波?电磁波在空气中如何传播?它们的频率和波长有什么关系?这些都直接源于麦克斯韦方程组和赫兹的实验。
天线理论: 如何设计天线才能有效地发射和接收电磁波?天线的形状、尺寸、材料都会影响其性能。这涉及到电磁场与物质的相互作用,以及电磁辐射的定向性等物理学概念。
信号调制与解调: 如何将数据信息“嵌入”到电磁波中(调制),又如何在接收端将信息“提取”出来(解调)?这涉及到信号处理的物理学原理,比如幅度调制(AM)、频率调制(FM)以及更复杂的数字调制技术。
信道编码与纠错: 为了保证数据传输的可靠性,需要对数据进行编码,并在接收端进行纠错。这背后也有一系列基于概率和信息论的物理学理论。
无线电频谱管理: 不同的无线通信技术需要占用不同的频段,如何合理分配和使用这些有限的频谱资源,也需要对电磁波的特性有深入了解。

可以说,WiFi 这样的无线通信技术,是建立在 19 世纪末物理学革命的坚实基础之上的。从麦克斯韦的理论预言,到赫兹的实验验证,再到特斯拉等人的早期实践,以及后来无数物理学家和工程师在无线电、信息论、信号处理等领域的持续研究,才最终孕育出了我们今天习以为常的 WiFi。

所以,下次你连接 WiFi 的时候,不妨想想,背后可是涌动着百年前那些物理学家们对电磁世界的探索热情,以及他们用严谨的物理学思维解决一个个科学难题的智慧结晶。而普通大众,往往只看到了“上网方便了”,却很少去追溯那份来自物理学深处的源头。这恰恰说明了基础科学研究的深远影响,它们往往是隐藏在耀眼技术背后的无名英雄。

网友意见

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傅里叶变换。。。


与此同时,傅里叶还发现了温室效应。。。

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