书城童书科学发明与创造
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第6章 传媒通信中的发明与创造(2)

第一次世界大战后,俄国人佐里金移居美国,开始研究电子电视摄像机,佐里金把它称为“光电摄像管”,并于1923年为这项发明申请了专利。后来佐里金进入美国无线电公司,使他的研究工作获得顺利进展,在1933年研制成功电视摄像管和电视接收器。

法恩斯沃思的析像器与佐里金的光电摄像管虽然设计上有差别,但在概念上却很相近,由此引发了一场有关专利权的纠纷。美国无线电公司认为,佐里金优先于法恩斯沃思于1923年就为其发明申请了专利,但却拿不出一件实际的证据。而法恩斯沃思的老师拿着法恩斯沃思的析像器的设计图纸,为法恩斯沃思作证。

1935年,法庭最后判定法恩斯沃思胜诉。但这没能阻止美国无线电公司在第二次世界大战结束后大量生产和售卖电视机,还把佐里金和公司总裁戴维·萨尔诺夫推举为“电视之父”。而且,美国无线电公司在败诉多年后才答应付专利使用费给法恩斯沃思。

穿越空间的无线电

在现代信息社会中,无线电广播技术起着极为重要的作用。而广播技术的发明过程是很复杂的,它是多种重要发明汇合起来形成的一个大型技术。

无线电的发明是德国人赫兹的功绩。1889年,赫兹发现,在火花线圈的两端加上高电压使它发生火花,这时便从火花中射出电波,可以使远处的线圈产生电流,无线电的基础就是电波的利用。

有记载的首次成功的无线电广播是在1906年的圣诞节之夜。美国的费森登使用功率为1千瓦、频率为50赫兹的交流发电机,借助麦克风进行调制、播发讲话和音乐,许多地区,包括海上的船只都可清楚地收听到。

第一次世界大战前,许多国家进行无线电广播试验。大战期间,比利时、荷兰和德国出现一些地区性广播节目。正规的定时广播是从1920年开始的。

两年后,在美国约有600个广播台,100万听众。在英国,马可尼公司进一步试验,并于1922年5月在伦敦创办了着名的ZLD广播台。

无线电广播技术史上一个最重要的进展方向是使用波长的不断缩短。在20世纪20年代,所使用的波长是长波和中波。许多国家完全依赖中波。由于传播距离有限,不得不建立许多中继站。有些国家除中波外还利用长波,因为使用功率强大的发射机发射的长波,可以覆盖全国。

地面波传播理论使人们以为只有长波才能远距离传播,而波长在200米短以下的短波,由于传播距离极短,不会有什么用处。可是,大批无线电业余爱好者由于在长波波段的活动受到限制,一心想在较短波长的波段内创造奇迹。

第一次大战结束后,那些入了迷的业余爱好者积极探索用短波通信的可能性。他们夜以继日地在家中安装无线电装置,进行试验探索。1921年12月,在从美国到英国的试验中,利用200米波获得成功,从此短波传播成为长距离广播的主要方式。

与长波相比,短波传播可以做到有较强的方向性,因而用较低的功率就可以发射到较远的距离。所以200米短波广播试验成功后,对短波的研究进展很快,特别是荷兰的年轻工程师冯·贝茨利尔于1925年4月建造了一个波长约为30米的发射机,在5月13日的试验中,在印度尼西亚收到了这个发射机发射的信号。两个月后,在荷兰和印尼之间建立了短波无线电联系。

后来还发现,用特制的高频发射管制造的发射机可以向世界范围发射信号。

1927年6月1日,荷兰女皇利用这种发射机向东、西印度群岛发表了广播讲话,这是第一个“世界广播系统”。从此,在长距离广播中,短波取代了长波。

利用波长更短的微波进行通信的研究早在20世纪20年代就开始了。1920年研制成功的巴克豪森板栅振荡器可以有效地发射40厘米微波,引起了人们对微波的兴趣。1929年,法国人克拉维尔开始研究如何利用微波进行通信。1931年3月,克拉维尔和他的同事在加来和多佛尔之间40千米的距离上进行试验,证明了微波通信的高质量、独立、灵活和经济。

1933年,他建立了英法之间的第一条商用微波无线电线路。20世纪40年代发现微波在对流层中的散射现象后,发展起微波超视距通信,它的特点是距离远、容量大、保密性好、适合于军事通信,但也有可靠性差和所需发射功率大等缺点。

莫尔斯发明电报机

几千年来,通讯技术曾经长期停滞不前。即使是外敌入侵、边城告急,除了狼烟报警之外,最快的办法也不过是驿站快马传送文书。

17世纪中期,英国海军推行了旗语,18世纪末,法国政府建立了信号机体系,这才在一定程度上解决了海陆快速传送消息的困难。

通信技术关键性的变革发生在19世纪中期。

1832年秋天,在大西洋中航行的一艘邮船上,美国医生杰克逊给旅客们讲电磁铁原理,旅客中41岁的美国画家莫尔斯被深深地吸引住了,并牢记住了这些。

他联想起自己所看到的法国信号机体系,它每次只能凭视力所及传信数千米而已;如果用电流传输电磁信号,不是可以在瞬息之间把消息传送数千千米之遥吗?从这以后,他毅然改行投身于电学研究领域。

莫尔斯于1791年出生在美国一个牧师家庭。他青年时研究绘画和雕刻,历任过若干艺术团体的负责职务。

他抛却了铺着荣誉地毯的艺术之路,转向尚处于幼年时代的电学,冒着失败的风险,在崎岖不平的科技之峰上努力攀登。

在试制电报机的过程中,莫尔斯的生活极为困苦,有时甚至挨饿。他节衣缩食,以购置实验用具。

1836年,他不得不重操艺术家的旧业,以解决生计问题。

但他始终没有中断研究工作。由于坚持不懈地努力和友人的帮助,莫尔斯终于获得成功。

莫尔斯从在电线中流动的电流在电线突然截止时会迸出火花这一事实得到启发,“异想天开”地想,如果将电流截止片刻发出火花作为一种信号,电流接通而没有火花作为另一种信号,电流接通时间加长又作为一种信号,这三种信号组合起来,就可以代表全部的字母和数字,文字就可以通过电流在电线中传到远处了。

经过几年的琢磨,1837年,莫尔斯设计出了着名且简单的电码,称为莫尔斯电码,它是利用“点”“划”和“间隔”(实际上就是时间长短不一的电脉冲信号)的不同组合来表示字母、数字、标点和符号。

1844年5月24日,在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里,一批科学家和政府官员聚精会神地注视着莫尔斯,只见他亲手操纵着电报机,随着一连串的“点”“划”信号的发出,远在64千米的巴尔的摩城收到由“嘀”“嗒”声组成的世界上第一份电报。

第一封电报的内容是圣经的诗句:“上帝做了何等的大事。”

智能时代的标志——计算机

说起电子计算机的历史,世界上公认中国的算盘是最早的手动计算机。

算盘包含了现代计算机的基本功能:歌诀相当于控制运算的指令;拨动算盘珠相当于计算的进行;算盘珠的位置表示计算结果,起贮存和记忆的作用。

1834年,英国数学家巴贝奇对计算机的发展做出了重要贡献。他提出用穿孔卡片携带计算指令控制计算过程,设计了包括控制部分、运算部分和存贮部分的机械式计算机。但由于缺少必要的技术基础,这种计算机没有造出来。

1937年,美国人艾肯设计了和巴贝奇方案类似的计算机。

艾肯是哈佛大学物理系的研究生,他的设计得到了国际商业机器公司的支持。

1939年,这家公司派了4个有经验的工程师与年轻的艾肯合作。

到1944年,这台使用继电器的机电式计算机研制成功并投入使用,每秒运算三次。

差不多和艾肯同时代,德国人也试制成功类似的计算机。这些计算机的主要元件是普通电话里的继电器。

而继电器开关速度大约是百分之一秒,这就大大限制了运算速度,注定了机电式计算机必然是短命的。

第二次世界大战促进了电子计算机的发展。

在二战中,美国宾夕法尼亚大学的莫尔电工学院同阿伯丁弹道研究实验室共同负责,给陆军提供弹道表。这是一项十分困难的工作。每一张表都要计算几百条弹道,一个熟练的计算员用台式计算机计算一条飞行时间为60秒的弹道,要花20个小时。显然,已有的运算工具难以保证战争需要。

在此情况下,莫尔电工学院的莫希莱于1942年8月写了一份《高速电子管计算机装置使用》的备忘录,实际上提出了第一台电子计算机的初步方案。

这个方案得到了军方代表格尔斯坦中尉的支持,还引起了研究生埃克特的兴趣。经过格尔斯坦向军方申请,得到了15万美元的研制经费。

这样,研制小组正式成立并开始了工作。

24岁的埃克特担任总工程师,30多岁的莫希莱提供了计算机的总体设想,格尔斯坦则是个精明强干的组织者。

1945年底,这台计算机研制成功,第一台电子计算机出世了。

这台计算机由控制、运算、存储、输入、输出5部分组成,每秒钟运算5000次,比原来的计算机快一千多倍。

制作这台计算机,共用1.8万个电子管,7万只电阻,10万只电容,重30吨,耗电140千瓦,占地170平方米,差不多有十间房子大小。它的实际造价约为48万美元。

在这台计算机制造过程中,科学家们就已考虑设计更先进的计算机了。

1944年夏季的一天,参加原子弹研制工作的冯·诺伊曼遇见了格尔斯坦,在交谈中了解到计算机的研制工作。冯·诺伊曼很感兴趣,几天后,他专程赶到莫尔,参加了对计算机的改进工作。

1944年8月到1945年6月,在冯·诺伊曼的领导下,研制小组制订了新的改进方案。重大改进有三方面:一是把十进位制改成二进位制。二是利用包含水银柱的特殊电路做存储器。三是把程序外插变做程序内存。

按照这一新的设计,1949年英国首先研制出程序内存计算机,它有一个可以贮存一千多个数据的存储器。后来,美国也研制、生产和使用了程序内存计算机。

程序内存的电子管计算机常称作第一代电子计算机。它结构复杂,价格昂贵,调试困难,因此发展不快。

1956年,用晶体管制成了电子计算机,这是第二代电子计算机,其运算速度成百倍地增长。20世纪60年代初,每秒运算几十万次的晶体管计算机问世。1964年,每秒二三百万次的大型晶体管计算机研制成功,并且成批生产。

20世纪60年代初期,集成电路取代了晶体管,出现了第三代计算机。20世纪60年代末期,每秒千万次的大型计算机投入使用。到20世纪70年代,大规模集成电路在计算机中取代集成电路,电子计算机进入了第四代。1978年每秒一亿五千万次的巨型计算机已经在运行。

由于集成电路和大规模集成电路的发展,计算机出现了向小型化和微型化发展的趋势。到1977年,全世界已有微机800万台。

目前计算机技术仍在发展之中,今后还会有什么新的突破,尚需拭目以待。

不用笔也能显字的打印机

打字机作为一种重要的现代办公用具,是在18世纪初发明的。1714年1月7日,安妮女王向一个叫米尔的工程师颁发了一份专利证书。证书上说:“他谦恭地请求把他的发明献给我们。这是他花了许多的时间和精力,不惜破费,终于研制成功,后来又逐步改进,使之臻于完善的人造机器或方法,用它可以把字母单个或连续地打印出来,就像在书写一样。不管什么样的作品都能整齐而准确地打印在纸上或羊皮纸上,跟印刷的没有区别。”

关于米尔的新发明,没有图纸或模型存留下来,有些人认为它可能只是一张图纸。虽然这样,人们还是普遍认为米尔是打字机之父。然而,打字机并没有很快推广。这是因为18世纪并不急需打字机。

当时人们仍然习惯于使用笔录的方法。

像拿破仑的秘书梅内瓦尔和布里内,能够将这位伟大人物的谈话记录下来,即使他以普通的速度讲话,一连讲数小时,他们也能记得很清楚,而且准确无误。在以后的100年里,出现了许多关于机械记录器的论文,但机械记录器还只是一种设想,并未制造出来。

1829年,美国底特律的伯特发明了“伯特家用书信复写器”,并获得了美国的打字机专利证书。

4年之后,法国马赛的普罗简制造出了他自己设计的打字机。他宣称:打字机的打字速度和用笔写的速度不相上下。

与此同时,在密尔沃基的克兰斯特伯机械厂里,肖尔斯和格利登正在研制一种连续地给书页编码的机器。格利登想到:“为什么不能把编码机造得既能写数字,又能写字母和单词呢?”于是,他与肖尔斯开始用一个木制模型来解决这个问题。虽然它没有活动键,而且只能打大写字母,但它是一台很好的打字机,并很快被两位商人——登斯莫尔和约斯特购买了生产打字机的专利,1873年开始生产。

但当肖尔斯的打字机在1876年的博览会上展出时,并没有引起人们的兴趣。它被博览会上展出的另一个发明——电话机挤到一边去了。

为了推销打字机,雷鸣顿公司采取了把打字机借给数百家公司使用的办法,这样才逐步打开了市场。

肖尔斯是个谦逊的人,像许多发明家一样,当他的想法实现之后,他就隐退了。他在去世之前写的一封信中说到发明打字机的价值时说:“关于打字机的价值,我在初期所能感觉到的,它显然是人类的福音,特别是妇女的福音。我感到欣慰的是我为发明打字机做出了贡献。我制造了一部我从未见过的好机器,全世界都会从中获得好处。”

目前,世界上已有几百种不同类型的打字机,如上行打字机、前行打字机、带打字轮的钟形打字机、带打印杆的打字机等。现代精巧的电动打字机,比原来怪模怪样的打字机进了一大步,但肖尔斯的键盘却几乎毫无改变地保留下来。