英雄经常在乱世一展豪情壮志，不仅战士有机会变成英雄，像诸葛孔明这样的智将在赤壁一役同样扮演着重要的角色：向曹操借箭、向老天借东风以及火烧战船等，功劳不输战马战船上的勇将。第二次世界大战时，有一群科学家英雄默默地扭转战事，让同盟国获得最后胜利。这群科学家一开始只是为免受纳粹德国的空袭而发展雷达系统，结果反而改变颓势，并且在大战结束后成了电波天文学的发展基础。

光的科学研究

想想我们早晨睡醒的第一件事：睁开双眼，看到外在世界，映入眼帘的可能是天花板、可能是另一半或是宠物， 这些视觉图像都是透过太阳光的反射、经过瞳孔印在视网膜的结果。然而，古希腊人一开始并不这样认为，在他们的观念里，视觉的产生是眼睛「向外发射光线」而 非接收反射光线。无论发射或反射，人类一直将太阳光的可见特性视为理所当然，从没想过大自然是否存在肉眼看不见的光线。

「自然与自然定律，在黑夜里隐藏；上帝说，让牛顿来吧， 于是，一切化为了光」， 这是英国诗人波普为牛顿写下的墓志铭，因为牛顿透过三棱镜首次分解太阳光，让世人重新认识了可见光。

速度如光的无线电波

后来，科学家不仅研究光，也研究电学和磁学并各自发展出一套定律。19世纪末，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）以四条方程式将电学和磁学整合起来，并预测了以光速传播的电磁波。科学除了提出理论解释，还要实验验证，电磁波的实验证实是由德国物理学家赫兹（Heinrich Hertz）完成。1886年， 赫兹进行一系列线圈放电实验，发现电磁波可在空间传播，更进一步证实其传播速度符合麦克斯韦的预测，就是光速。赫兹的发现非常重要，「赫兹」一词后来也被当作物理量，表示每秒循环的次数。

当时，赫兹发现的是内眼不可见、波长6米的无线电波，可见光也是电磁波的一种，只是波长比无线电波要短。 无线电波一开始用作传输讯息，取代古人骑马逸信或飞鸽传书。1876年，加拿大的贝尔（Alexander Graham Bell）首先申请电话专利，人们透过电话传递讲话的声音， 电话将声波转成电信号，并以载体（电线）传给对方。 1895年，意大利工程师马可尼（Guglielmo Marconi） 则透过无线电波传递信息，此时人类讲话的声音不再需要透过载体连接。1901年12月12日，马可尼研究小组首次收到横跨大西洋的无线电信号，这是多么振奋人心的发明， 不仅是人类科技文明的一大贡献，也让许多人参与无线电的研究，一般人甚至可以自己在家进行无线通信，也就是俗称的火腿族。

改善无线通信的路上巧遇宇宙无线电波

此外，为改善无线通信质量，贝尔的实验室有许多科学家开始研究造成短波噪声的来源，美国科学家央斯基 （Karl Jansky）设计了一个特别的天线，寻找噪声中的大气扰动来源，结果于1932年意外发现了来自外太空的无线电波源（后来知道是来自于银河系）。这是人类第一次测量到来自宇宙的无线电波，1933年5月5日的《纽约 时报》更以头版《追踪无线电波，竞追到银河系的中心》报导，央斯基就此成为无限电波天文学之父，「央斯基」一词还被定义为频谱通量密度（spectral flux density）

央斯基虽然是发现来自宇宙电波的第一个人，但他并没有继续研究下去，而是回到老本行继续做无线电通信的工作。央斯基的研究后来激励了另一位住在伊利诺州的雷伯 （Grote Reber），他是一名火腿族且拥有相当了得的无线通信技术。原本他打算应征贝尔实验室的工作，虽没成功，却在自家后院独力建造出第一台碟形无线电望远镜，透过这台直径将近10米的碟形天线，证实了央斯基的发现，甚至可以描绘出银河系的无线电源的分布图。眼见无线电天文学即将开展，却被第二次世界大战打断。

二战虽然中断了无线电天文学的发展，但英美在二次大战发展的雷达科技及培养的科学家（尤其是物理学家），对无线电天文学的后续发展起到了重要的支撑，这些科学家也在战争结束后分别在英美和澳大利亚等地开花结果，各自闯出一片天地，无线电天文学就是其中一项成果。

无线电天文望远镜的技术沿革

望远镜口径越做越大，主要是为了看得清楚。望远镜的角解析度（angular resolution）和口径成反比，和观测的波长成正比，图像若小于角分辨率就看不清楚。无线电波波长比可见光长，相同口径的接收面积，其角解析度比可见光大，因此若想要有相同的角分辨率，口径就必须要大·。

但受限于建造大型无线电望远镜的结构强度，现在可移动式单一天线的口径大约是100米，接收天线本身不可移动的口径可达数百米。现今，全世界最大的就属中国贵州500米口径的无线电望远镜，俗称天眼。

在无线电望远镜的工程技术上，二战结束后的物理学家分别在英国和澳大利亚发展出无线电干涉的观测技术。 英国物理学家包恩（Eddie Bowen）战后移居澳大利亚，为澳大利亚无线电天文学的发展奠定了基础，他的团队成员在1946年时将八木天线（Yagi antennas）建造在悉尼附近的海边悬崖上：一支天线接收来自天体的无线电信号，另一支则接收天体反射海面后的信号，并将两个信号收集叠加产生干涉效果，借此提高电波信号的分辨率，这个概念来自二战，当时船载雷达在做定位侦测时，雷达回波讯 号同时会和反射自海面的信号产生干涉效应，促使科学家针对无线电干涉做深入了解。

在英国，由剑桥大学莱尔爵士（Sir Martin Ryle）所领导的团队也成功发展出「孔径合成技术」，使用 两台无线电望远镜同时观测某个天体，这部分类似澳大利亚的干涉技术。不过，英国团队更进一步利用地球自转的特性，两台望远镜所构成的基线因地球自转组成更多的基线数据，经数学分析后得到清楚的无线电图像。莱尔爵士在1974年获得诺贝尔物理奖殊荣，同年获奖的还有英国无线电天文学家休伊什（Antony Hewish），他和当时的学生贝尔（Jocelyn Bell Burnell）在1967年首次发现脉冲星的无线电信号·。

雷达波被水气吸收的美好意外

大战期间，参与雷达研发的科学家有多人获得诺贝尔物理奖，得奖内容都和雷达脱不了关系。除了之前提的干涉技术，还有一项是为分析数据而发展的半导体技术， 剩下四项则和大气吸收有关。二战期间，为了增加雷达的分辨率，让它能看得远、看得清楚，科学家不断缩短雷达的波长，从一开始的10公分波长，一直减少到1公分左右，这时发生了战地使用上的困难，他们发现1公分的雷达波会被水气吸收，这是一个严重的问题。科学家想破头也搞不清楚水气吸收的原因，更不知道如何解决水气吸收的问题，当时雷达在战争上的运用很广，也很关键，举凡空用拦截飞机需要预先知道来犯敌机、利用雷达追踪海底下的潜艇、敌我辨识系统，甚至长程导航、 导引轰炸机的攻击行动以及防空用雷达都派得上用场， 若雷达在天气状况不佳时失灵，将严重影响战情，所幸两颗原子弹结束了二次大战，暂时抒解了科学家的压力。

然而，这个问题仍困扰科学家许久，后来才知道这个吸收和水分子的量子能级跃迁有关，进而发展出核磁共振、 氢光谱细微结构等技术，

其中，氢光谱细微结构和迈射与无线电天文学关系更是密切。迈射和激光原理相同，都是透过特定波长光子的受激发射（stimulatedemission），使得高能阶电子掉到低能阶，发出相同波长的光子，整个过程光子数增加，进而放大辐射，迈射主要是针对微波，激光则是在可见光范围。一般状况的稳定物质有较多电子处在低能阶，发射和吸收光子的反应会同时发生，但大多数电子处在低能阶， 总体来说吸收过程较多，必须要有外加能量让大多数电子处在高能阶，才能有受激发射而产生迈射，因此大质量恒 星或黑洞的吸积盘附近会有迈射现象，这些迈射现象提供了当地的物理特性，如运动速度，而吸积盘的旋转速度可以提供天文学家估计黑洞质量的重要依据。

宇宙中最多的元素是氢，可见光望远镜主要是看发光的星体，例如：恒星和星系，除了这些发光星体，它们之间的无限空间充满了无线电波信号，以氢原子为例，它是由一颗质子和一颗电子组成，电子本身轨道能阶的变化可以产生特定光谱，主要有红外光、可见光和紫外线， 质子和电子的自转关系也可以产生不同的能阶，两者自转方向相同的能量比自转方向相反的能量高一些，当从能阶较高的状态掉下来，便会释放出约21公分波长的无线电波。

除了氢原子的光谱细微结构，分子本身的转动、振动、摆动，甚至原子间的伸展都有不同的量子能阶状态，能阶间的跃迁就会吸收或发射特定波长的光子，产生各种光谱线， 这使得无线电望远镜能观测的对象更加多元， 也让人类了解宇宙中充满各式各样的原子和分子。

电波天文学为了解宇宙打开了另一扇窗，天文学家不仅加大接收天线的口径，甚至利用干涉法，将许多无限电望远镜结合成等效口径更大的望远镜，就在今（2019）年4月10日， 全球同步发布了事件视界望远镜的重大发现，事件视界望远镜结合分布在全世界各地的大型无线电望远镜，其等效口径几近地球的半圆截面积，角分辨率高达20微角秒， 相当于从巴黎咖啡店内看一份远在纽约的报纸，以这样高的角分辨率才得以看到M87星系中心的超大质量黑 洞。

总结

无线电天文学的发展不仅在探索宇宙前沿上奋力前进，为了达到科学上的极限，科学家更在各方面技术上寻求突破，建造口径最大的电波天线，在干燥的沙漠高原建设「阿塔卡玛大型毫米及次毫米波数组」， 在酷寒高纬度的格陵兰和南极放置无线电望远镜进行观测， 甚至为了进一步提高望远镜的等效观测面积，将无线电望远镜发射到地球轨道，与地面的望远镜形成更大的阵列望远镜，这让人类得以直视星系中心的超大质量黑洞， 甚至能直达宇宙的尽头，一窥宇宙形成初期的景象，这些成就都成为人类未来发展的珍贵遗产，让人类了解我们是从何而来，又将朝哪个未来前进。