电磁波，看见宇宙的“眼睛”

    人类能看到世界，就是因为电磁波。

    在地球生命进化史上，眼睛的出现是一次划时代的事件，意味着动物开始利用可见电磁波（光波）来感受、理解世界。通俗地说，我们“感受”电磁波的波长来“理解”颜色，“感受”电磁波的振幅来“理解”明暗。

    视网膜接收外部光源照射物体反射的光，激活我们拥有的三种视锥细胞，它们分别对波长564、534和420纳米的电磁波最为敏感，可以粗略简化为红、绿、蓝三种颜色。当我们接收到一种任意波长的光波，三种视锥细胞以不同程度“响应”该波长，这就实现了类似“编码”的效果，供大脑后期“解码”并成像。也就是说，我们看到的“颜色”是一种“错觉”，是我们对不同波长电磁波的主观感知，即大脑处理三种视锥信号后的结果。

    人们认识到电磁波的存在是在19世纪中后期。之后的100多年，是利用电磁波技术的井喷时代。从波长最短、频率最高的伽马射线，到波长最长、频率最低的无线电波，电磁波的应用越来越广泛。

    通俗而言，电磁波是电场和磁场交替变化、彼此垂直并共同向外传播的一种波动现象。我们可以想象扔一块石头到水里，水面溅起向四周传播的水波，石头就是激发电磁波的波源，起伏的水面就是电场或磁场。当然这个比喻并不完善，例如水波只有“水”一种向外扩散的“起伏”，电磁波有“电场”和“磁场”两种相互垂直、均向外扩散的“起伏”——相当于“上下”起伏的水波身上，同时原地叠加一个“左右”起伏的水波，这就是电磁波的奇妙之处——电场与磁场互相垂直，又共同向外传播。

    更有趣的是，变化的电场会产生磁场，变化的磁场又反过来激发电场，它们彼此交替，源源不断地向远方传播。水波的扩散需要水作为介质，而电磁波传播无需介质，能在真空中以光速穿越宇宙，它有波长、频率、速度、振幅、极化等属性，不同波长决定了不同的穿透力、能量和用途——比如X射线能穿透人体组织，红外线携带热量，射电波能穿越尘埃厚幕传回深空图像。正是这些差异，让电磁波成为我们探知世界的“多功能工具箱”。

    过去，人类在较长时间里依赖光波段理解世界。伽利略用自制望远镜确认了木星有四颗卫星围绕公转，开启了天文观测的新时代。此后天王星、海王星、冥王星等，也都是通过光学望远镜观测被确认存在的。当地基光学望远镜到达瓶颈，可以绕开大气影响的、以哈勃和韦伯为代表的一系列太空望远镜登上舞台，探测波段也从光波段拓展到更多电磁波频段——人类观察世界的眼睛，正逐步从“看光”走向“读全谱”，打开了更广阔的观察世界的窗口。

    从地球大气层，到太阳系的行星与小天体，再到银河系边缘、星系团甚至宇宙大尺度结构，电磁波为我们绘制出一幅幅细致入微的多尺度图谱，帮助我们理解宇宙的全貌。

    近年来，我国在电磁波探测方面有了长足的进步。从看向宇宙深处的“眼睛”，到探测地球大气层、电离层、磁层和日地空间等与日常生活息息相关的区域，我们开展了电磁波多频段的综合观测。其中，可着重介绍的，是由中国科学院国家空间科学中心牵头建设的国家重大科技基础设施项目“子午工程”。其最具代表性的设备，是圆环阵太阳射电成像望远镜（DART）。它坐落在四川稻城海拔近4000米的高原之上，由313面抛物面天线组成，分布在直径1公里的圆环上。

    DART工作频段在150~450MHz之间，是全球唯一能实现高速实时太阳射电成像的设备。它能以极高的时间分辨率捕捉太阳活动的完整动态，在瞬息万变的电磁爆发中精准提取图像，为我国在电离层监测、太阳预警、中高层大气动力学等多个前沿领域的科学研究与实用应用提供了坚实支撑。

    （《光明日报》7.10 高东兴）