圖解電波與光的基礎和運用

從技術的歷史講起，最適合入門者的一本書！
當今世界可說是由「電波」建構而成。我們的周遭隨處可見電波的存在，如廣播、電視、手機、Wi-fi、藍牙等。與電波同屬電磁波的「光」也一樣。除了照明用的燈光之外，我們也會將光的各種特性應用在我們的日常生活中。
各種「電波與光」的尖端技術支持著現代社會，要瞭解這些技術的原理，就必須學會基礎知識才行。

將高中物理的內容簡化，
一本搞懂「電波與光」的誕生與應用！
本書會盡量擺脫複雜難解的數學公式，結合最新、最切身的具體實例，簡單說明各種生活中的物理現象。
不同於一般教科書將各個理論拆開說明，讓我們從起點「電波的發現」開始，隨著簡潔直白的文字，循序漸進認識這個世界吧！


第一章 生活中不可或缺的電波
第二章 電磁波的本質
第三章 電波和光是同樣的東西
第四章 光的各種性質
第五章 接下來是光子學的時代

井上伸雄（Inoue Nobuo）
1936年出生於福岡市。1959年畢業於名古屋大學工學部電氣工學科，進入日本電信電話公社（現在的NTT）工作。於該公司的電氣通訊研究所研究開發數位傳輸、數位網路等技術。1989年成為多摩大學的教授，現為該大學的名譽教授。工學博士。
○在電氣通訊研究所工作時，致力於日本數位傳輸的實用化，之後亦參與了高速數位傳輸方式與數位網路的研究開發。從日本開始發展數位通訊產業起，二十五年來皆致力於數位通訊技術的研究。
○1989年離開NTT後，於日經Communication誌（日經BP社）連載網路講座專欄。以此為契機，開始執筆寫書，希望能用簡單易懂的方式說明通訊技術。至今寫過的主要作品包括《情報通信早わかり講座》（共著，日經BP社）、《通信＆ネットワークがわかる事典》、《通信のしくみ》、《通信の最新常識》、《図解 通信技術のすべて》（以上皆為日本實業出版社）、《基礎からの通信ネットワーク》（OPTRONICS社）、《「通信」のキホン》、《「電波」のキホン》（以上皆為SOFTBANK Creative）、《全彩圖解通信原理》（臉譜）、《図解 スマートフォンのしくみ》（PHP研究所）、《モバイル通信のしくみと技術がわかる本》（animo出版）、《通読できてよくわかる電気のしくみ》、《情報通信技術はどのように発達してきたのか》（BERET出版）等。
○興趣是海外旅行（超過70次，曾到訪40個以上的國家），與東京六大學棒球賽觀戰。從昭和20年秋的早慶戰以來，幾乎每季都會到神宮球場觀戰，是個老早稻田迷。

前言
「電波」與「光」乍看之下是毫無關係的兩種東西，但事實上它們都是「電磁波」的一種，只差在波長不同而已。電磁波除了電波與光之外，還包括了紅外線、紫外線、X光攝影中會用到的X射線、令人聞之色變的輻射線中的γ射線等。電波與光（可見光）只是電磁波的其中一部分而已。
本書將會用淺顯易懂的方式，介紹各種電磁波的性質、產生電磁波的原理，以及如何應用這些電磁波。
電波與光皆屬於電磁波，如名所示，它們都是一種「波」，故兩者都有著像波一樣的行為。不過在二十世紀後，陸續有人提出光可能是「粒子」的理論。時至今日，人們已確立光同時擁有「波」和「粒子」的性質，如同擁有雙重人格的角色。然而對一般人而言，這樣的敘述應該很難理解吧。
打開高中的物理教科書，是可以看到書上寫著「電波與光皆屬於波」、「光同時擁有波和粒子這兩種性質」、「除了光以外，還存在著如電子射線般，原本應以粒子狀態存在的電子，卻能展現出波的性質」之類的敘述，但只看教科書的話還是讓人覺得一知半解。為了讓學生理解這些敘述，高中的老師們會想盡辦法用各種有趣、易懂的方式說明。不過要是說明方式太爛，學生們就會覺得物理很難懂、很無聊，進而排斥學習物理，讓許多人逐漸遠離理科的學問。
本書的目標是將高中物理教科書中所提到的知識，以盡可能簡單、易懂的方式說明清楚。除了讓高中生看懂以外，也能回答一般人對電磁波的疑問。即使一般人覺得這些問題很困難而敬而遠之，也能在讀過這本書後，在某種程度上理解這些問題的答案。
手機和電視都會用到電波，是我們日常生活中常接觸到的應用，不過很少人知道它們分別是用那些頻率的電波，本書將對此詳細說明。
說到光，其實可以談到不少一般人不太清楚的故事。本書會試著詳細說明這些內幕，讓大家看完後能有「啊，原來如此，是這個樣子啊」的感覺。
最近在天文學的領域內也出現了許多大新聞。這些天文學上的發現並非只靠肉眼可見的光，還用到了無線電波、X射線等新型天文學研究方法。本書也花了一些篇幅介紹這些研究。
如果讀者在看過本書之後，能夠對原本覺得很困難而避之唯恐不及的電磁波開始有點興趣，並進一步試著瞭解相關知識，對我而言就是最大的回報了。
2018年5月
井上伸雄

前言
第一章 生活中不可或缺的電波
1-1 電波的發現――赫茲的實驗與馬克士威的預言
1-2 電波的頻率――1秒內有幾個波峰呢
1-3 再複雜的波也可視為sin波的組合――瞭解電波的性質
1-4 電波的各種傳播方式――直線前進、繞射、反射、折射
1-5 電波的干涉――同相會增強、反相會減弱
1-6 以頻率為電波分類――分為通訊、電視廣播、雷達等用途
1-7 天空中有一層可反射電波的電離層――業餘無線電玩家的功勞
1-8 頻率的寬度是什麼――頻寬越廣品質越好
1-9 電視廣播所使用的電波――NHK東京為FM 82.5 MHz的意思
1-10 手機所使用的電波――白金頻段的爭奪戰
1-11 雷達所使用的電波――極度精密的氣象雷達
1-12 放出電波、處理電波的天線――長度為波長的一半的效率最好
1-13 可自由改變電波方向的「相位陣列天線」――應用在神盾艦與5G手機上
1-14 利用電波傳送電力的「微波無線供電」――應用在海上風力發電與太空中的太陽能發電

第二章 電磁波的本質
2-1 電場與磁場――開放的電力線、封閉的磁力線
2-2 電力與磁力的關係――電力產生磁力、磁力產生電力
2-3 馬克士威的預言――光也是一種能在真空內前進的電磁波
2-4 電磁波是電波與磁波糾纏在一起所形成的波――360度往外擴張前進
2-5 電磁波的極化是什麼――手機所使用的垂直極化波、電視所使用的是水平極化波
2-6 電子的振動會產生電磁波――溫度提升時會產生電磁波
2-7 電磁波可讓電子振動――電波如何將水加熱
2-8 電磁波對人體的影響――對心律調節器的影響
物理之窗 弗萊明定則

第三章 電波和光是同樣的東西
3-1 光也是電磁波――從紅外線、可見光，到X射線、γ射線
3-2 物體溫度上升時會產生電磁波――黑體輻射的光譜
3-3 太陽與恆星所放出的電磁波――由光譜測量星體的溫度
3-4 紅通通的太陽――夕陽為什麼是紅的？
3-5 X射線是波長較短的電磁波――如何產生X射線？
3-6 對人體來說危險性很高的γ射線――不過可以用來滅菌或消毒
3-7 以電波觀測星星的電波天文學――甚至用到亞毫米波來觀測
3-8 從電波可以瞭解到宇宙的什麼呢？――黑洞與宇宙背景輻射
3-9 可見光窗、電波窗――之所以只能在大氣層外捕捉到來自宇宙的X射線，也是肇因於此
3-10 極光的成因與顏色――極光與霓虹燈的原理相同
3-11 各種物質所發射出來的光譜――當激發態的電子回歸基態時
3-12 用光譜研究宇宙中的物質――從天體的速度，到宇宙的膨脹
3-13 尋找「第二地球」――由吸收光譜分析大氣成分
物理之窗 原子結構

第四章 光的各種性質
4-1 光擁有波的性質――楊格的光干涉實驗
4-2 繞射光柵――可用來測量波長
4-3 光通過結晶時可觀察到繞射――由布拉格定律瞭解結晶結構
4-4 光是波還是粒子――愛因斯坦的光量子假說
4-5 電子的波――同時是波也是粒子的波粒二相性模型
4-6 光學顯微鏡與電子顯微鏡――波長越短，解析度越高
4-7 光會產生壓力嗎？――藉由太陽光的壓力推進探查機
4-8 光速為秒速30萬公里――羅默的觀測與斐索的實驗
4-9 光速一定，不會改變――邁克生與莫雷的實驗
4-10 光為什麼會折射呢――隨著介質與波長的不同，光會有不同程度的折射
4-11 光的全反射――鑽石的光彩奪目來自於它很高的折射率
4-12 藉由光纖纜線來傳送光訊號――前進20 km後仍有一半的強度
4-13 天空與大海為什麼是藍色的呢――波長較短的藍光會在空氣中漫射，在大海中則可持續前進
4-14 對人類肉眼有害的光：紫外線與藍光――請避開短波長的光

第五章 接下來是光子學的時代
5-1 光子學是什麼――以電子學控制光子的技術
5-2 雷射光――用於光通訊的同調光
5-3 半導體雷射――1秒內發出數百億次光脈衝
5-4 LED是二十一世紀的照明工具――藍光LED的發明拓展了LED的用途
5-5 CD、DVD、BD――藍光雷射可記錄五倍於DVD的資料密度
5-6 用光來通訊――容量越來越大、速度越來越快
5-7 會用到光的「量子電腦」――什麼是「量子疊加態」？
物理之窗 愛因斯坦預言了「重力波」的存在
索引

1-1 電波的發現――赫茲的實驗與馬克士威的預言
我們的周圍充斥著各式各樣的電波。雖然我們在二十世紀之後才真正懂得如何利用這些電波，但電波這種東西早在人類誕生以前就已經存在於自然界中。雷聲響起、閃電劃過天空時，放出的電流會在空中產生電波。地球上也可接收到來自太空的各種電波。
但是，肉眼看不到電波，手也摸不到電波。直到1888年，德國物理學家赫茲才以實驗首次確認到電波的存在。
有一次，赫茲用圖1-1的裝置進行實驗。圖的左側有兩根彼此靠得很近的金屬棒，當通以高壓電時，金屬棒間會產生火花放電。赫茲發現，此時一個放在附近，有一個狹小缺口的金屬環也會產生火花。當赫茲停止金屬棒的通電後，金屬環缺口的火花也會消失。這兩根金屬棒與金屬環並沒有直接接觸，故只能想像可能是金屬棒間隙的火花產生了某種東西，經過空氣跑到金屬環的缺口，並在那裡產生了火花。而這所謂的某種東西，其實就是電波。