這是一個(gè)研究霍金輻射的射電工程師，沒能探測到黑洞回音，卻陰差陽錯(cuò)解鎖了Wi-Fi關(guān)鍵技術(shù)的故事。

如今這個(gè)年代，也許是最好的時(shí)代。

我們只需手機(jī)在手，無論地鐵、公交、打的、共享單車，都能做到出行無憂。同樣的，購物看片游戲，聊天語音視頻，每個(gè)人與方便快捷、多姿多彩的生活之間，也不過是一部智能手機(jī)的距離。

現(xiàn)代人，似乎已經(jīng)很少因現(xiàn)金不足而惶恐。他們轉(zhuǎn)向因手機(jī)電量不足而焦慮暴躁，因流量告罄而捶胸頓足，因免費(fèi)Wi-Fi而歡欣雀躍。

不過，在我們理所當(dāng)然地享受著現(xiàn)代科技的累累碩果之余，有沒有想過，這種種便捷的背后離不開那些在應(yīng)用前沿添磚加瓦的工程師，以及那些筑建基石的基礎(chǔ)研究者。

今天的故事就是關(guān)于奧蘇利文博士，以及他和黑洞、Wi-Fi那些不得不提的往事。

有心栽花之霍金輻射

約翰·奧蘇利文（John O’Sullivan）博士是一名電力工程師，也是一名射電天文學(xué)家。他和天文的不解之緣可以追溯到20世紀(jì)70年代初，英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出了學(xué)術(shù)生涯中里程碑式的成就——霍金輻射，一時(shí)間引無數(shù)天文學(xué)家競折腰。

傳統(tǒng)意義上講，黑洞之所以被稱為黑洞，正是由于其巨大的引力勢，可以捕獲其周圍的所有物質(zhì)，包括光子，是一個(gè)只吞不吐，類似神獸貔貅的存在。但根據(jù)霍金的理論，黑洞不僅不黑，相反還可能會(huì)蒸發(fā)，輻射能量，甚至損失質(zhì)量，這便是霍金輻射。

圖1. 霍金輻射概念圖（圖片由作者提供）

霍金輻射的提出源于物理學(xué)家對(duì)真空更為深刻的認(rèn)識(shí)。根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，能量是有漲落的，真空也并非是完全的虛空，里面充斥著許許多多正反虛擬粒子對(duì)，不過存在時(shí)間極短，堪稱轉(zhuǎn)瞬即逝（見圖1）。

同樣的，黑洞的視界邊緣也存在虛擬粒子對(duì)。如果某些虛粒子對(duì)中的負(fù)能量粒子掉入黑洞，而正能量粒子逃逸到遠(yuǎn)方，則對(duì)應(yīng)黑洞能量降低，質(zhì)量減輕，黑洞就好像在蒸發(fā)一樣[1]。

霍金證明了黑洞蒸發(fā)過程中所產(chǎn)生的輻射接近黑體輻射，且輻射溫度與其質(zhì)量成反比。換言之，黑洞質(zhì)量越大，其輻射溫度越低。

對(duì)于一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞來說，霍金輻射溫度很低，大概只比絕對(duì)零度高那么一點(diǎn)點(diǎn)，約為6.2億分之一開爾文（水的沸點(diǎn)是373開爾文）。

這么低的輻射溫度，意味著幾乎可以忽略不計(jì)的低能耗，其輻射峰值對(duì)應(yīng)的波長長達(dá)48 千米。也就是說，這一類型的黑洞將經(jīng)歷漫長悠久的歲月才可能蒸發(fā)殆盡，保守估計(jì)也得1067年（1千億億億億億億億億年）。要知道，我們的宇宙年齡也不過區(qū)區(qū)138億年。

不過，一個(gè)誕生于太陽系之初的迷你黑洞（1012千克=1萬億千克），倒有可能在宇宙的有生之年內(nèi)蒸發(fā)完畢。

霍金預(yù)言，在這個(gè)迷你黑洞壽終正寢之前，它將在0.1秒之內(nèi)釋放高達(dá)1023焦耳的能量，產(chǎn)生一個(gè)集中在伽馬射線段的爆炸[1]。這和現(xiàn)今大家熟知的伽馬射線暴有些類似，不過總能量小很多（雖然依然很強(qiáng)大），約為百萬個(gè)百萬噸級(jí)氫彈爆炸所釋放的能量。

不過，鑒于大氣層良好的屏蔽效果，即使迷你黑洞產(chǎn)生的伽馬輻射（暴）真實(shí)存在，彼時(shí)的地面望遠(yuǎn)鏡設(shè)備也很難探測到。

即使如此，科學(xué)家依舊沒有放棄對(duì)于這個(gè)理論預(yù)言的探測。在2008年6月，美國的費(fèi)米衛(wèi)星就探測到了一個(gè)可疑的伽馬閃，可能來自于蒸發(fā)的微型黑洞。

對(duì)于黑洞蒸發(fā)最后所產(chǎn)生的粒子是光子還是其它奇異粒子，科學(xué)家們并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，不同的理論給出不同的結(jié)果。不過，盡管這些理論在小尺度上所預(yù)言的粒子類別有差異，等到這些原有的粒子膨脹到宏觀大尺度時(shí)，主要成分都將會(huì)是正負(fù)電子對(duì)。

在霍金提出霍金蒸發(fā)理論之后，來自英國天文學(xué)會(huì)的著名天體物理學(xué)家馬丁·里斯（Martin Rees）就另辟蹊徑。他于1977年發(fā)表在《自然》雜志上的文章，就假設(shè)所有能量都轉(zhuǎn)換成為正負(fù)電子對(duì)，然后考慮電子對(duì)所產(chǎn)生的觀測效應(yīng)。

在這樣的背景下，如果黑洞周圍的星際物質(zhì)（interstellar medium）存在磁場，這些以接近光速運(yùn)動(dòng)的高能正負(fù)電子生成的“火球”（fireball；注：后來伽馬射線暴的火球模型也是來自于此）在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將進(jìn)一步觸發(fā)短時(shí)間大規(guī)模的射電輻射（射電暴）[2]。

基于這一想法，天文學(xué)們轉(zhuǎn)而將探測黑洞輻射的一腔熱情重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)射電暴的探尋上去。

彼時(shí)的奧蘇利文（見圖2）剛剛從悉尼大學(xué)畢業(yè)，懷揣著新鮮出爐的電氣工程學(xué)博士學(xué)位，在荷蘭謀得了一份射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)備相關(guān)的工作，光榮地成為了一名仰望星空的天文從業(yè)人員。作為霍金輻射的追隨者之一，奧蘇利文也磨刀霍霍地加入了探尋射電暴的浩蕩大軍。

然而，他出師不利。一方面，宇宙中的迷你黑洞距離遙遠(yuǎn)，信號(hào)微弱。另一方面，這些微弱的信號(hào)跨過星際穿越塵埃，風(fēng)塵仆仆而來時(shí)，早已面目全非，夾雜在鋪天蓋地的射電噪聲中難以辨別[3]。

如何才能從嘈雜的背景音中提取到真實(shí)但微弱的黑洞信號(hào)呢？這個(gè)問題成為橫亙?cè)趭W蘇利文等一眾天文觀測者心中的巨石，難以解決。

圖2. 約翰.奧蘇利文（左3）和他的團(tuán)隊(duì)（圖源：參考資料[4]）

古語有云：世上無難事，只怕有心人。結(jié)果證明，奧蘇利文恰恰就是這樣一位有心人，而且，他還是一位數(shù)理背景強(qiáng)大的有心人。

經(jīng)過一段時(shí)間的摸索，奧蘇利文和他的合作者開始嘗試?yán)每焖俑盗⑷~變換（Fast Fourier Transform, FFT），更有效地分離這些魚龍混雜的觀測數(shù)據(jù)。FFT即離散傅立葉變換的快速算法，是一項(xiàng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過程。具體多復(fù)雜無需贅述，簡而言之，這一算法可以將信號(hào)由時(shí)域空間變換到頻域空間，從而提取信號(hào)的特征頻譜。

這一通操作下來，大家驚喜地發(fā)現(xiàn)，原本淹沒在嘈雜背景音中泯然眾人矣的信號(hào)，在變換到頻域空間后，變得遺世而獨(dú)立。

據(jù)此，奧蘇利文團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步掌握了進(jìn)行高效圖像傳輸?shù)姆椒ǎ磳⑤敵鲂盘?hào)拆分成不同的頻段，由接受器接受之后再逐一提取、重新組合。這套技術(shù)可以極大地規(guī)避傳輸過程中的各項(xiàng)干擾，提高傳輸效率，增強(qiáng)射電天文圖像的清晰度[5]。

同年，奧蘇利文及其合作者總結(jié)了此番數(shù)據(jù)處理的技術(shù)心得，并且發(fā)表在《美國光學(xué)學(xué)會(huì)》雜志上[6]，為后文埋下伏筆。

然而，天不遂人愿，即便他們提升了圖像清晰度，選取了包括球狀星團(tuán)、類星體在內(nèi)的大量目標(biāo)天體，仍未能成功探測到任何一個(gè)來自迷你黑洞的射電暴[7]。

此番鎩羽而歸，雖然順便發(fā)了篇《自然》文章，卻也難免失望。但奧蘇利文明白，這就是科研的常態(tài)。就如同薛定諤的那只不知是死是活的貓一樣，不到打開盒子的那一刻，誰知道自己辛苦耕耘的領(lǐng)域是顆粒無收還是碩果累累？

無心插柳之解鎖Wi-Fi

時(shí)光如水，歲月如梭。轉(zhuǎn)眼間，十幾年過去了，人屆中年的奧蘇利文早已離開荷蘭，搬到了澳洲，供職于國家科學(xué)及工業(yè)研究機(jī)構(gòu)（CSIRO），繼續(xù)從事射電設(shè)備相關(guān)的工作。

時(shí)值九十年代初期，隨著個(gè)人電腦的普及，通訊業(yè)巨頭競相在無線領(lǐng)域展開廝殺，試圖尋找一種可靠、高效、價(jià)格低廉的無線通信技術(shù)，應(yīng)用于個(gè)人電子設(shè)備。

無線通信（Wireless Communication），顧名思義就是利用電磁波信號(hào)的自由傳播來進(jìn)行信息交換的一種通信方式。雖然原理簡單，但實(shí)現(xiàn)起來困難重重。比如在室內(nèi)環(huán)境下，如何規(guī)避無線信號(hào)因遇障礙物不斷反射而出現(xiàn)的嘈雜混音，從而提高傳輸效率，就是其中一個(gè)久久難以攻克的壁壘。

1992年，奧蘇利文組建了一個(gè)包括物理、數(shù)學(xué)、射電天文學(xué)等專家在內(nèi)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，加入無線混戰(zhàn)。他發(fā)現(xiàn)，這個(gè)困擾整個(gè)通訊業(yè)的室內(nèi)信號(hào)反射問題，與自己當(dāng)初絞盡腦汁研究的霍金輻射有著異曲同工之妙——問題核心都是如何抽絲撥繭，于嘈雜的環(huán)境中，高效提取出高保真信號(hào)。而解決這一問題的答案，自己在十幾年前就總結(jié)發(fā)表了呀（詳見參考資料[6]）！

這也給我們廣大科研工作者提了個(gè)醒，一定要多讀書，廣涉獵，沒準(zhǔn)你熬禿了頭都沒能琢磨明白的難題，早囊括在別人的論文里。這些通訊巨頭們大概平時(shí)只專注于自己的領(lǐng)域，興趣愛好不大廣泛，生生錯(cuò)過了奧蘇利文的這篇好文，才平白耽誤了這么些年的時(shí)光。

時(shí)不我待，奧蘇利文迅速帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，將當(dāng)初自己處理黑洞輻射的數(shù)據(jù)分析技術(shù)改進(jìn)后應(yīng)用到計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)傳輸上，利用無線電波實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)換，并巧妙地解決了多路徑無線電信號(hào)的相互干擾問題。這份新技術(shù)后來成了惠及千家萬戶的無線局域網(wǎng)——Wi-Fi的雛形。

我們現(xiàn)在耳熟能詳?shù)腤i-Fi，實(shí)際上就是將有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過無線路由器，轉(zhuǎn)換成可以高效傳輸?shù)臒o線信號(hào)，從而允許電子設(shè)備連接到無線局域網(wǎng)，不受布線條件的限制。

目前，Wi-Fi信號(hào)頻率主要集中在2.4吉赫（12厘米）和5吉赫（6厘米）的超高頻，信號(hào)發(fā)射功率較低，相對(duì)安全。其接收半徑由數(shù)十米至百米不等，覆蓋范圍廣，傳輸速度高，已成為遠(yuǎn)超其他無線連接方式（比如藍(lán)牙技術(shù)）的首選通訊手段。

所以，雖然奧蘇利文最終也沒能探聽到來自宇宙深處的黑洞“呢喃”，但他因?qū)o線電通訊領(lǐng)域的貢獻(xiàn)而榮耀等身，一舉斬獲了包括澳洲的國家最高科學(xué)獎(jiǎng)和歐洲發(fā)明者大獎(jiǎng)在內(nèi)的眾多獎(jiǎng)項(xiàng)，他本人也被澳洲媒體稱為“Wi-Fi之父”[3]，同時(shí)給他所在的天文臺(tái)帶來了數(shù)億美元的專利費(fèi)。

當(dāng)然，簡單地將奧蘇利文等人歸為Wi-Fi的發(fā)明者有失妥當(dāng)，畢竟Wi-Fi的背后絕非一人一朝一夕之功可以言盡。但奧蘇利文對(duì)于射電天文學(xué)以及無線通訊的意義之深遠(yuǎn)不言而喻，也算是一樁跨界佳話。

仰望星空與腳踏實(shí)地

基礎(chǔ)研究是水，應(yīng)用研究是魚。不能只想吃魚，而忘了水的重要性。李政道

對(duì)于普羅大眾來說，科學(xué)研究無外乎兩種類型：理論型和應(yīng)用型。近年來，應(yīng)用型科研似乎更受青睞，因?yàn)槟_踏實(shí)地、目標(biāo)明確、收效顯著。理論性研究，尤其是基礎(chǔ)性研究似乎日薄西山。

時(shí)間回溯到1905年，愛因斯坦石破天驚地提出狹義相對(duì)論，打破了時(shí)空永恒的慣常思維，指出時(shí)空耦合——對(duì)于一個(gè)移動(dòng)的物體，不僅質(zhì)量會(huì)增加，時(shí)間也將延長。這個(gè)理論后來成為筑建二十世紀(jì)理論物理的基石。

但相信包括愛因斯坦本人在內(nèi)的眾多理論物理學(xué)家不會(huì)想到，一百多年后GPS能夠準(zhǔn)確定位出清華距離世界一流大學(xué)具體多少米的背后，相對(duì)論功不可沒[8]。而奧蘇利文團(tuán)隊(duì)當(dāng)年久尋迷你黑洞而不得，在萬般苦悶之時(shí)，大概也沒想到這套分析觀測數(shù)據(jù)的方法，有朝一日會(huì)成為破解Wi-Fi的密匙，書寫下改變?nèi)祟愅ㄐ欧绞降臐饽夭实囊还P。

所以，倘若在你仰望星空之時(shí)，還有人疑惑地問你：“研究這玩意能為現(xiàn)代化建設(shè)添磚加瓦嗎”，你不妨告訴他這個(gè)故事——

從前有一個(gè)探測黑洞的射電天文學(xué)家，后來，就有了Wi-Fi。