捕捉瞬間的信息

央視國際 2004年10月14日 16:32

　　觀眾朋友，歡迎收看今天的走近科學，我們人，總是有一些以自我為中心的成見，有一句俗話叫做：眼見為實，耳聽為虛。意思是耳朵聽到的信息總是靠不住的，只有親眼見到了才是可信的。但是大自然的很多現象就挑戰了我們的這種成見。蝙蝠利用超聲波來感知周圍的世界就是其中的一種，他不但讓我們改變了這種觀點，而且還讓我們從中受到了不少啟發。

　　蝙蝠，一種小型的獸類動物。在西方人的眼中，總是象徵著邪惡、神秘。

　　在西方電影中，蝙蝠具有一種靈異的力量，它可以是吸血惡魔，也可以是巫婆施展魔法的神秘道具。作為影視作品中表現懸疑、恐怖氛圍的絕好符號，他有著兇狠的面孔外形詭秘的巨大雙翼以及他置身其中的，無邊黑暗空間。

　　但是，吸引科學家的並非是蝙蝠在傳説中的靈異力量，而是他們在蒐集信息的特殊本領。從生物學的研究來看，大多數蝙蝠正是在黑暗的環境裏完成他們的主要活動——靈活自如的繞開障礙物，準確無誤的捕食昆蟲，但是並不用他們的眼睛。這種奇異的本領讓很多科學家對此感到不可思議。

　　最早將目光投向蝙蝠這種能力的人是18世紀的一位意大利生物學家，斯帕蘭扎尼。同時也是教堂牧師的，對蝙蝠的這種生物本領充滿了好奇。

　　採 訪：張樹義

　　這個人當時提出一個假設，蝙蝠可能和貓頭鷹一樣，因為貓頭鷹也是在晚上捕食的，他可能需要一些微弱的廣，才可以捕食，於是他就作了一系列試驗，現在有些試驗看來是比較殘忍的，他把蝙蝠的眼睛挖出來，一開始是用布蒙上，後來擔心用布不是很嚴密，就用解剖的方法把眼睛挖出來，但是即使蝙蝠沒有眼睛，他仍然靈活自如，幾乎和他有眼睛沒有太大的區別。

　　這位生物學家當時斷定，蝙蝠並不是用眼睛來感受周圍的世界，而是用我們還不清楚的一種感覺機制。(找格裏芬和哈佛校園圖)一百多年後的1930年，美國人唐納.格裏芬終於揭開了這個謎團，當時的格裏芬還是哈佛大學的一個學生，對與斯帕蘭扎尼留下來的“蝙蝠問題”，他産生了濃厚的興趣。這一次，他遇到了一次絕好的機會。

　　採 訪：就像歷史上任何偉大的發現一樣，當兩個學科的人在一起的時候就會有一個大的發現，學校的物理系的學生，研製出一套能夠探測超聲波的設備，他聽説了這一個事情之後，就帶了蝙蝠去那個實驗室拜訪，看究竟蝙蝠有沒有可能是超聲，結果一去，搞物理的同事探測超聲波的一起就嘩啦嘩啦響，當時可以説長期以來人們都在探索的一個問題有了最終的答案，人們發現蝙蝠使用超聲波，人耳聽不到。

　　在此基礎上，格裏芬進一步研究了蝙蝠發出超聲波的特性。他發出超聲波的器官是他的嘴或者喉部，這也是一些蝙蝠在飛行的時候，始終張著他們的嘴的原因。此外，發出超聲波的蝙蝠在頭部有著碩大的耳朵，最大的蝙蝠耳朵可以超過蝙蝠身體長度的一半。耳朵裏面有類似蝸牛形狀的器官，這一部分負責接收返回的超聲波。最關鍵的一環在於大腦，他能夠通過聲波來回所經歷的時間，來精確的判斷出目標的距離和方位。格裏芬把這套濃縮在蝙蝠精巧身體裏的系統機制稱為“回聲定位”。

　　而僅僅在幾年之後，發生在英國的一件事情，拉開了人類利用回聲定位的序幕。1936年，在當時的英國空軍總司令道丁的命令下，英國皇家海軍實驗室研製出了一種新型的電子儀器。利用它能夠遠距離偵察前來侵襲的敵軍飛機。道釘的判斷無疑是正確的，此時的歐洲大陸，納粹的力量正在滋長，戰爭的烏雲已經瀰漫開來。

　　這種儀器的名稱叫做“無線電偵察與測距”，在英文裏，他的每個首寫字母拼起來就是我們通常所説的雷達。他同樣依靠發射和接收來判斷目標的方位和距離。和蝙蝠不同的是，他使用的是電磁波，而蝙蝠則是生物學上的超聲波。

　　雷達從開始研製的時候起，就是為軍事上的攻擊和防禦服務的。二戰之前，在各國不斷發展空中力量的形勢下，人類首次利用回聲定位的原理製造出來的儀器註定要發揮它強大的功能。基於對戰爭局勢的判斷，從1936年到1940年，英國利用這項發明，迅速完成了針對天空的偵察與佈防。這種戰略部署讓英國的飛機和高射火炮有充足的時間迎戰前來侵襲的德國飛機。而在這之前，英國的飛機往往還沒來得及起飛，就被敵軍的轟炸機摧毀了。

　　1940年的8月13日，德國人出動幾千架飛機，開始向大不列顛的方向進發，當時的英國，用於防禦的飛機數量還不到德國人的一半。但是，這一次，德國人雄心勃勃的征服計劃遭到了重大挫折。由於有雷達的預警和引導，英國的飛機和防空火炮巴作用發揮到了極限，第一天，德國飛機損失慘重。德國空軍司令戈林把首戰失利歸結于英國的雷達系統，在後續的進攻中，曾下令攻擊英國的雷達系統，但是德軍飛機還沒有靠近雷達站，就被提前獲知消息的英國飛機升空攔截了。在大不列顛空戰第一次亮相，雷達取得了前所未有的成功。

　　從雷達被用作軍事設備，因為它強大的探測能力，在出現後的一段時間裏，確實讓他的使用者獲得了一定的優勢，但是雷達是不是真的無往不利，戰無不勝呢? 在二戰後期，在雷達開始發展起來的同時，反雷達的戰術、方法以及儀器其實也在發展。而在自然中，這場在夜蛾和蝙蝠之間進行的定位與反定位的無聲戰爭，幾千萬年來就一直在上演。

　　蝙蝠是一種古老的動物，他們在地球上的存在的歷史可以追溯到恐龍時代。這是一些遠古蝙蝠的化石，根據研究者的推測，他很可能是在幾千萬年前的一次氣體中毒事件中突然死亡的，從他的胃裏還能發現沒有消化過的昆蟲肢體。在高倍顯微鏡下，研究者發現了翅膀上的磷粉。這説明從幾千萬年前開始，蝙蝠就開始以蛾類為他們的食物。那麼在這漫長的進化史中，蛾類是否就任由蝙蝠捕食呢？

　　採訪：我們知道絕大多數蝙蝠是吃昆蟲，和昆蟲長期形成捕食與被捕食的關係，我們知道，昆蟲要生存下來，他也要有逃避的策略，如果沒有，就消滅了，在生態學動物學上，我們叫協同進化，二者之間並不是説隨便就可以吃掉。昆蟲進化出了包括行為，生理結構，可 以逃避。

　　科學家們在夜蛾的身上發現了令人驚異的功能。這是蝙蝠捕食的一種夜蛾，科學家發現，在他的腿關節裏面隱藏著一種能夠震動發生的器官。科學家認為，他應該是一種逃生用的工具。（20秒）

　　採 訪：張樹義

　　同時有些昆蟲可以發出干擾的超聲波，蝙蝠不是要探測嗎？我就發出干擾，這樣可以在短期內給蝙蝠製造混亂，昆蟲是一個好的逃跑時機，所以昆蟲並不是完全坐以待斃，被蝙蝠吃掉，也要採取精心設計的策略去逃避。

　　同樣在軍事領域裏，飛機在面對雷達的時候並不總是無所作為，在雷達出現後不久，專門針對雷達探測的戰術就開始被使用了。

　　採 訪：宋

　　這個從電子對抗的角度講，開始有了雷達，以後就有了反雷達措施，最早的反雷達措施就是在飛機上往下面撒鋁箔，一片一片的鋁箔，這樣撒下好多的鋁箔來，雷達看到的就是一大片飛機；另外以後出現的有干擾機，無線電來干擾。

　　而對於蝙蝠的雷達探測，干擾並不是夜蛾惟一的方法。這是科學家們在夜蛾的翅膀下面找到的一個特殊器官。通過解剖，科學家發現裏面其中的結構十分簡單，只有兩個特殊的傳感細胞和用來傳導的神經。那麼，他是用來做什麼的呢？

　　採 訪：張樹義

　　實際上又的昆蟲在進化中能夠探聽到蝙蝠超聲波的結構，能力。相當多的蛾類在身體側面有兩個單細胞的耳，也可以説是耳，結構很簡單，但是他的結構非常簡單，和大型動物的耳朵無法比，是聽器，它可以聽到的頻率甚至可以達到60千赫，意味著相當多的蝙蝠發出的超聲波集中在這個頻率，就是説進化出的器官就是為了探聽超聲波。1745一旦聽器告訴他附近有蝙蝠，會採取不同的方式，比如説體形比較大的，就飛，因為大，速度快，可能蝙蝠追不上。

　　科學家在實驗室中驗證了這一現象，他們把這種飛蛾固定在一個地方，然後用儀器對他發出模擬蝙蝠頻率的超聲波，這時候，飛蛾開始大幅的振動翅膀，這是飛蛾想要逃跑的表現。同時這也表明飛蛾對於這種超聲波確實能産生感應。而一旦超聲波被關掉的時候，飛蛾的這種行為馬上就停止了。

　　不管怎樣，蛾子的這種逃生行為的成功幾率有限，而且，對於蝙蝠來説，這也構不成對他的威脅，最多不過是進行下一輪搜尋。而在雷達和飛機，導彈的角逐過程中，情況就沒有這麼簡單了。飛機上的感應器在捕捉到雷達的信息後，會發射跟蹤導彈，在一聲巨響之後，雷達站就灰飛煙滅了。

　　我們剛才看到，蝙蝠和夜蛾之間以及飛機和雷達之間的這種在戰略上的較量，其實這種較就像兩個人打架一樣，打不贏我可以跑，但是要是跑不快呢，在被抓住之後肯定又是一陣暴打。那麼有沒有一種一勞永逸的方法擺脫這種被動的局面呢？有的小孩可能會想，在敵人面前突然消失可能是最好的辦法，我們可以想象對手在對著一團無形的空氣時，臉上驚愕的表情。其實，這種辦法並不是不能做到，被蝙蝠追擊的有些夜蛾就可以這樣，人類製造出的飛機在雷達面前也可以做到這一點。

　　但是，千萬別以為這是齊天大聖的變戲法。

　　很多的蛾類都能探測到蝙蝠發出的超聲波，但是他們逃跑的方式卻各有不同。

　　這是一架模擬蝙蝠發射超聲波的儀器，當夜蛾飛進超聲波覆蓋的範圍時，它做出了一個令人意想不到的動作，他突然收起翅膀，直接掉向地面。通過高速攝像機拍攝到的鏡頭我們可以清楚的看清他的運動軌跡。

　　採 訪：張樹義

　　還有一種可能是蝙蝠靠近時採取一种家死的方式，接近時突然假死，好像沒有生命一樣，枯葉一樣掉下來。而蝙蝠一開始在後面緊追不捨，突然垂直調到地面上，蝙蝠在一瞬間，還沒有反應過來就衝過去了。

　　可以想象，在蝙蝠看來，仿佛是一瞬間，夜蛾就從他的超聲波探測屏幕上消失得無影無蹤。（延續演示）

　　不過，對於夜蛾來説，這種動作的技術難度顯然太大，他只被少數種類的夜蛾掌握。除此之外，還有更為省力的方法被用來對付蝙蝠。（發現的蝙蝠）

　　在某些夜蛾的身體表面有著一種類似毛髮的結構，他們的質地和排列方式，能有效的吸收蝙蝠所發出的超聲波能量。這樣，蝙蝠就幾乎聽不到他反射的超聲回波。

　　即使是這一招不管用，夜蛾在逃跑的時候也會採取另一種方法來增加逃生成功的幾率。他們能改變翅膀表面對著蝙蝠的角度，以減少身體對蝙蝠超聲波的反射。（動畫：目標框）

　　採 訪：張樹義

　　和表面積形狀肯定是有關係，如果波剛好撞倒翅膀上，翅膀有相對較大，又是以90度的方向撞倒的，或者以側面撞倒的，對這個波的反射是不一樣的。

　　現在，人類製造的某些産品也利用了相似的原理。從電視新聞裏經歷過上個世紀海灣戰爭的人對於這種外形奇特的飛機估計不會陌生，這種飛機曾經讓伊拉克的雷達防空系統對他防不勝防。這就是美國空軍使用的f117隱形轟炸機。

　　那麼是什麼使這架飛機具備了隱形能力？是她黑色的機身嗎，在夜間飛行的f117看起來確實像是飄忽無形的鬼魅，但是如同夜間捕食的蝙蝠不會理會昆蟲的顏色一樣，飛機外觀的顏色對於雷達探測來説，也是沒有影響的。

　　但是，隱形的奧秘就在機身的表面！在他的黑色機身下面，覆蓋的一層輕薄的特殊材料，雷達波的能量在遇到這種材料後，大部分就被加熱散發掉了。這樣，就像蝙蝠探測不到能夠吸收超聲波的夜蛾一樣，雷達也很難探測這種飛機反射的回波。

　　不過，吸收雷達波的材料並不是這架飛機能夠隱形的全部奧秘。他更為重要的隱形設計來自他不可思議的詭異外形。

　　F117隱形技術的起源應該追溯到上個世紀60年代早期，美國洛克西德公司生産的黑鳥偵察機。黑鳥的出現是隱形技術發展的里程碑。不能攜帶武器的偵察機，在執行偵察任務的同時，要儘量躲避雷達的追蹤。那時研究反雷達的科學家們已經發現，體積同等大小的兩個物體，在雷達屏幕上看起來，大小可以完全不一樣。問題的關鍵在於物體表面形狀以及他對雷達波的反射。這和夜蛾改變翅膀的角度，以減少超聲回波的效果基本上是一樣的。

　　黑鳥偵察機的設計者們完全遵循了這一理念。黑鳥儘管體積龐大，但是當他正面對著雷達的時候，體積卻顯得非常小巧。此外，機身某些部位的外形，也是經過了精心設計，一切都只為了一個目的，那就是最大限度的降低雷達波的發射。黑鳥的設計者之一，工程師裏奇在黑鳥進行模型的雷達探測試驗時，遇到了一件非常有趣的事情。模型被放置在距離雷達半裏的範圍內，當雷達被打開以後，在場的工程師們從雷達的屏幕上沒有發現一點蹤跡（雷達屏幕），這時候，意外的情況出現了，一隻飛鳥落在了模型上，雷達立即就捕捉到飛鳥反射的信號。

　　上個世紀七十年代末，同樣也是在這個理念的指導下，f117隱形飛機誕生了。在雷達探測中，當常規的戰鬥機如f15遇到雷達波的時候，他龐大的體積會産生強大的雷達反射波，雷達的電磁信號在他的機體上頻頻回爆，但是f117的菱形機體卻可以把雷達波向機身的兩側折射，對於雷達而言，他雖然不能做到完全隱形，但確實相當難發現。F117在海灣戰爭中第一次投入實戰就獲得了巨大成功。借助它卓越的隱形能力， f117可以更加從容，精確的實施對目標的轟炸。在海灣戰爭中，他一共完成了美國空軍近四分之三的轟炸任務，但是他卻能全身而退，直到戰爭的最後一刻，美國空軍沒有損失一架這種戰鬥機。

　　我們發現，利用回波定位的原理，人類製造出了雷達，但是他最直接的目的就是為戰爭服務，説得不好聽一點，也就是自相殘殺，那麼這種技術到底能不能用在民用上呢？科學家根據蝙蝠精確的回聲定位機制，已經製造出了一種超聲波導盲杖，利用它盲人可以準確的判斷四週的障礙物的位置。此外，用於軍事上的雷達在現在也已經廣泛地進入民用，氣象雷達就是其中的一種，而且，最新氣象雷達利用的某些原理和蝙蝠回聲定位中的一些特殊功能也很接近。

　　氣象雷達是一種用來監測天氣的雷達，通過它，我們可以知道降水以及一些災害天氣的範圍和強度等氣象信息。他也是雷達發明以後第一個用於民用的例子。

　　採 訪：中國氣象局 李柏

　　2510 天氣雷達的起源於二次世界大戰，英國當時把雷達用於軍事探測，在探測過程中經常會發現一些不是飛機的目標，後來經過專家發現，這些目標就是一些降水回波，就是天氣系統的反射，造成的。從那開始，世界各國的科學家們就致力於天氣雷達的研究，發展。

　　對於一般的氣象雷達來説，降水強度以及範圍是要獲取的主要信息，但是，現在看來，這些信息還遠遠不夠，及時的知道氣團和雲團的移動的速度對預報也十分重要，他可以讓我們根據速度去預測災害天氣到達的準確時間。而傳統的氣象雷達卻做不到這一點。

　　這是位於天津的渤海灣氣象預警中心，2001年安裝在這裡的氣象雷達就增加了這個功能，但是我們可能想不到，探測到物體的移動速度，這個功能在自然界的生物身上早已經實現了。

　　在蝙蝠捕食的過程中，蝙蝠不但要知道目標的距離和方位，還要知道他的飛行速度。這樣他才能不斷的修正自己的飛行路線，在空中某個點準確的捕獲獵物。在這裡，蝙蝠利用了一個人類直到18世紀才發現的一個普遍的自然現象——多普勒效應。

　　採 訪：肖中舉

　　就像我們聽火車對著我們開過來的時候，火車鳴笛的頻率是一個頻率，但是在我聽來的話，它是逐步在增高的。就有這麼一種效應，這就叫多普勒效應。

　　而對蝙蝠來説，夜蛾不管是靠近還是離開，都會使他聽到的回聲改變。蝙蝠正是通過這些差異來判斷夜蛾的飛行速度，再結合夜蛾的方位和距離，來精確的計算夜蛾的位置，從而完成他的捕食過程。

　　而用於監測天氣的多普勒氣象雷達運用的也正是這個原理。利用它，人們可以更為準確、及時地對天氣和災害天氣進行預報。

　　今天，不管是雷達還是反雷達的設備，他們的應用已經不是軍事上的專利，在民用飛機的導航上，在對汽車速度的監測中，雷達已經融入了我們的生活。而對於自然界像蝙蝠和夜蛾這些生物的進一步研究，也會使雷達——這種人造設備更加精密和完備。

　　毫無疑問，跟生物進化相比較，我們人類根據生物發明的所有設備的歷史都是很短的，但我們還是經常為人類自身所取得的科技成就感到驕傲，甚至是自滿。雷達從出現到現在也不到一百年，而自然界最早的“雷達”在幾千萬年前就已經出現了，而且它的複雜和精巧的程度是我們任何模擬的設備難以比擬的。直到現在，一些對這種精密系統的最新發現還是能讓我們驚嘆不已。而科學家們也從未停止過對這種定位機制的探索和研究，從自然界不斷的學習，註定是我們人類永遠向前的不息動力。