书城计算机信息革命
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第6章 信息起源(5)

如果说电报的发明是电信史上的一个重要起点的话,那么电话的发明则是人类通信史上的一个重要里程碑。从此,人类社会伴随着电话及电话交换技术发展的脚步而加速进步。电话从发明到今天已经130多年了,但它依然是当今社会人们的主要通信工具,这充分显示了它强劲的生命力。据统计,全世界已经铺设的电话通信电缆已经超过百万千米,这个长度相当于地球到月亮距离的三倍,如果计算电缆芯线的长度,将超过地球到太阳的距离。随着电子信息技术的飞速发展,电话从人工接续发展到自动接续,从机械式结构发展到半电子、准电子、电子结构,再发展到今天由电子计算机操纵的程控方式,在技术上发生了翻天覆地的变化。现代的电话机不仅数量激增,品种和功能更是今非昔比,而且还增加了许多新的电话功能。除传统的人工电话、自动电话外,还出现了许多特种电话。如能充当“值班秘书”的录音电话和书写电话,闻声见影的可视电话,方便易用的无绳电话,随身携带的移动电话。此外,还有“数字电话”“口呼行动电话”,甚至能使聋哑人通话的“聋人电话”也已试制成功。

1.2.4跨越空间的交流

电报和电话的发明,使人们的信息交流变得既迅速又方便,然而这种交流仅是在两个人或较少的群体之间进行的。现代社会有众多的信息需要及时让各处的人们分享,无线电通信的兴起满足了人们的这种愿望。

无线电通信与早期的电报、电话通信不同,它不是依靠有形的金属导线,而是利用无线电波来传递信息的。上文我们提到,从1855年开始,麦克斯韦专注于电磁理论的研究,他利用19世纪20年代和30年代数学家在理论力学方面的研究成果,把法拉第的观点用数学语言表达出来,于1864年提出了总结电磁现象的两组方程,并预言了电磁波的存在,他还定义了电磁波,并指出电磁波的传播速度与光速相等,都是每秒30万千米。他指出,实际上通常可见的光不过是波长在一定范围内的特殊电磁波。这样,光学、电学和磁学融为一体,使物理学第一次完成了伟大的综合。

1878年,德国著名的物理学家赫尔姆霍兹向他柏林大学的学生们提出了一个竞赛题目,即用实验方法验证麦克斯韦的理论。他的学生之一亨利希·鲁道夫·赫兹从那时起就致力于这个课题的研究。1888年1月,赫兹发表了《论电动效应的传播速度》,证明了电磁波具有与光完全类似的特性,还证明了电磁波的传播速度与光速有相同的量级。赫兹的实验发现不仅证明了麦克斯韦理论的正确性,也为人类利用无线电波开辟了道路。可惜的是,赫兹英年早逝,没能在电磁波的应用技术方面做出他本来完全可能做出的重大贡献。

1894年,意大利工程师伽利尔摩·马可尼和俄国科学家阿·斯·波波夫在麦克斯韦的电磁波理论和赫兹电磁波实验的基础上,采用电磁波作为传播媒介,分别发明了能够快速、远距离传输信息的无线电报,开创了人类现代通信事业的新纪元。无线电通信与有线电通信相比,不需要架设传输线路,不受通信距离限制,机动性好,建立迅速,但缺点是传输质量不稳定,信号易受干扰或易被截获,保密性差。

无线电通信为人类通信开辟了一个潜力巨大的新领域——无线电通信领域,用无线电波传播信息不仅极大地降低了有线电通信面临的架线成本和覆盖面问题,也使人类通信开始走向无限空间。

1906年,美籍加拿大人费森登在纽约附近设立了世界上第一个广播站,开始了人类无线电广播的历史。在首次广播中,费森登播放了两段讲话、一支歌曲和一支小提琴独奏曲,从此开始了人类无线电广播的新时代。1920年11月,美国匹兹堡的KDKA广播电台获得联邦政府所发的实验执照,正式开始播音,这标志着一种新的面向社会的大众媒介——无线电广播电台诞生。

在以后的岁月里,人类又先后发明了调频广播和数字广播。调频广播的节目制作和播出更加精细,传播新闻时杂音少、音色好、音质高,可以更好地满足受众获知新闻信息的需要。数字广播是指对数字化的音频信号以及各种数据信号进行编码、调制和传递处理,并通过地面发射站以发射数字信号来达到广播以及数据信息传输目的。数字广播除了传统意义上的传输音频信号外,还传送包括音频、视频、数据、文字、图形等在内的多媒体信号,受众通过手机、电脑、便携式接收终端、车载接收终端等多种接收装置,可以方便地收看丰富多彩的数字多媒体节目。

1.2.5追寻电子的踪迹

1883年,美国科学家托马斯·爱迪生为了寻找电灯泡灯丝的最佳材料,曾做过一项小实验:他在真空的电灯泡内部炭丝附近安装了一小截铜丝,目的是希望铜丝能阻止炭丝蒸发。虽然实验结果并未让爱迪生如意,他却发现没有连接在电路里的铜丝,因接收到炭丝发射的热电子而产生了微弱的电流。爱迪生把这个现象记录在案,申报了一个名为“爱迪生效应”的专利,由于未找到任何用途,因此他并不重视这个专利。

被爱迪生本人忽略的“爱迪生效应”却引起了大洋彼岸一位青年的注意。1885年,30岁的英国电气工程师弗莱明博士坚持认为,这种热电子真空发射现象一定能够找到实际用途,于是反复进行实验,最后他终于发现,如果在真空灯泡里装上炭丝和铜板,分别充当阴极和屏极,则灯泡里的电子就能实现单向流动。1904年,弗莱明研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊灯泡,即“热离子阀”,这就是世界上第一只电子管,也就是人们所说的真空二极管。

然而实际上,直到真空三极管发明后,电子管才成为实用的器件,其发明者正是美国科学家李·德福雷斯特。

1873年8月26日,德福雷斯特出生于美国的中西部爱荷华州。很小的时候,他父亲就带着全家迁往阿拉巴马州,接管了一所破产的公理会学校,过着拮据的生活。由于当地白人社区反对他父亲收留黑人上学,十分看不起他们家庭,所以小德福雷斯特很少与人交往,养成了较孤僻的性格。

幼时的德福雷斯特并不出众,老师也认为他是个平庸的孩子。虽然他父亲希望儿子将来成为一位牧师,但德福雷斯特很快就被19世纪末科技的飞速发展所吸引,他的唯一爱好是拆装各种机械小玩意,13岁便“发明”了好几种小机器,暗自立志做个机械技师或者当一名机械工。20岁时他考取了耶鲁大学谢菲尔德理学院,并获得了该学院的奖学金。那时班上的同学都叫他“学校里最无聊、最神经质的学生”,因为除了电学,特别是电磁波传播之外,他对其他事都不感兴趣。1899年,他顺利获得了物理学博士学位。

本来,德福雷斯特应该留在大学任教,但有一件事情却永远改变了他的人生轨迹。1899年秋,德福雷斯特正在撰写博士论文《平行导线两端赫兹波的反射作用》,这可能是当时美国所有大学里第一篇涉及无线电技术的学术论文。在这期间,一年一度的国际快艇大赛将要在纽约开幕。《纽约先驱论坛报》连篇累牍地宣传报道意大利无线电发明家马可尼要在快艇大赛上进行无线电表演的消息,一时间纽约城被搅得沸沸扬扬,德福雷斯特自然不会错过这个大开眼界的机会。

那天清晨,马可尼准时登上了停泊在港口的一艘军舰,及时地把比赛的消息用无线电报拍发回来。整整5个小时,《纽约先驱论坛报》的总部收到了马可尼发来的4000多字的新闻报道,使美国新闻记者们惊叹不已。观众簇拥着马可尼走下军舰,热情的人们要求“无线电之父”马可尼在港口为他们做一次现场演示。当时,德福雷斯特也在围观的人群中,他大胆地走到马可尼的身后,仔细研究起无线电设备来。马可尼和蔼可亲,毫无保留地向人们讲解了无线电发报机的原理,并且说,由于“金属屑检波器”的灵敏度太差,严重影响了无线电报的收发效果。正是与马可尼的这次交流,使德福雷斯特立下了发明创新的宏图大志。

毕业后,德福雷斯特来到芝加哥西方电气公司实验室工作,不久便发明了电解检波器和交流发射机。1902年,他租了位于纽约泰晤士街的一间破旧的小屋,创办了德福雷斯特无线电报公司,一心一意想要发明出更先进的无线电检波装置。就在研究进展不太顺利的时候,弗莱明发明真空二极管的消息传来,就像迷失在茫茫大海中的一叶小舟看到了归途的灯塔,德福雷斯特再也坐不住了,他一路小跑穿街走巷,选购玻璃管,添置真空抽气机,准备自制真空二极管。他选择了一段白金丝来制作灯丝,也在灯丝附近安装了一小块金属屏板,把玻璃壳抽成真空并接通电源,果然也“追寻”到了电子的踪迹。随后,德福雷斯特不断尝试各种可能的试验,当他拿起一根导线弯成“Z”形,小心翼翼地把它安装到灯丝与金属屏板之间的位置时,他极其惊讶地发现,“Z”形导线装入真空管内之后,只要给它加上一个微弱变化着的电压,在金属屏板上就能接收到一个规律完全一致且放大了的变化电压,这正是电子管的“放大”作用。他一定没有想到,正是这根小小的导线,竟然影响到20世纪电子技术的发展进程。

后来,德福雷斯特又把“Z”形导线改进为像栅栏形式的金属网,于是,他发明的电子管就有了三个“极”——丝极、屏极和栅极,其中那个栅极便是用来控制放大电信号的。1907年,德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管(电子管)的发明专利。