汉字的发明
传说,我们今天使用的汉字是由古时候一个叫仓颉的人发明的。相传仓颉在黄帝手下当官。黄帝分派他专门管理圈里牲口的数目、屯里食物的多少。仓颉仓颉这人挺聪明,做事又尽力尽心,很快熟悉了所管的牲口和食物,心里都有了谱,难得出差错。可是牲口、食物的数量是不断变化的,光凭脑袋记不住了,当时又没有文字,更没有纸和笔,怎么办呢?仓颉犯难了。
仓颉整日整夜地想办法,先是在绳子上打结,用各种不同颜色的绳子,表示各种不同的牲口、食物,用绳子打的结代表每个数目。但时间一长久,就不奏效了。这增加的数目在绳子上打个结很便当,而减少数目时,在绳子上解个结就麻烦了。仓颉又想到了在绳子上打圈圈,在圈子里挂上各式各样的贝壳,来代替他所管的东西。增加了就添一个贝壳,减少了就去掉一个贝壳。这法子顶管用,一连用了好多年。
黄帝见仓颉这样能干,叫他管的事情愈来愈多。年年祭祀的次数,回回狩猎的分配,部落人丁的增减,也统统叫仓颉管。仓颉又犯愁了,凭着添绳子、挂贝壳已不行了。怎么才能不出差错呢?
这天,他参加集体狩猎,走到一个三岔路口,几个老人为往哪条路走争辩起来。一个老人坚持要往东,说有羚羊;一个老人要往北,说前面不远可以追到鹿群;一个老人偏要往西,说有两只老虎,不及时打死,就会错过了机会。仓颉一问,原来他们都是看着地下野兽的脚印才认定的。仓颉心中猛然一喜:既然一个脚印代表一种野兽,我为什么不能用一种符号来表示我所管的东西呢?他高兴地奔跑回家,开始创造各种符号来表示事物。果然,把事情管理得井井有条。
黄帝知道后,大加赞赏,命令仓颉到各个部落去传授这种方法。渐渐地,这些符号的用法,推广开了,逐渐形成了文字。
仓颉造了字,黄帝十分器重他,人人都称赞他,他的名声越来越大。仓颉头脑就有点发热了,眼睛慢慢向上移,移到头顶上去了,什么人也看不起,造的字也马虎起来。
这话传到黄帝耳朵里,黄帝很恼火。他眼里容不得一个臣子变坏。怎么叫仓颉认识到自己的错误呢?黄帝召来了身边最年长的老人商量。这老人长长的胡子上打了一百二十多个结,表示他已是一百二十多岁的人了。老人沉吟了一会,独自去找仓颉了。
仓颉正在教各个部落的人识字,老人默默地坐在最后,和别人一样认真地听着。仓颉讲完,别人都散去了,唯独这老人没走,还坐在老地方。仓颉有点好奇,上前问他为什么不走。
老人说:“仓颉啊,你造的字已经家喻户晓,可我人老眼花,有几个字至今还糊涂着呢,你肯不肯再教教我?”
仓颉看这么大年纪的老人,都这样尊重他,很高兴,催他快说。
老人说:“你造的‘马’字,‘驴’字,‘骡’字,都有四条腿吧?而牛也有四条腿,你造出来的‘牛’字怎么没有四条腿,只剩下一条尾巴呢?”
仓颉一听,心里有点慌了。原来他造“鱼”字时,写成了“牛”样;造“牛”字时,写成了“鱼”样。
老人接着又说:“你造的‘重’字,是说有千里之远,应该念出远门的‘出’字,而你却教人念成重量的‘重’字。反过来,两座山合在一起的‘出’字,本该为重量的‘重’字,你倒教成了出远门的‘出’字。这几个字真叫我难以琢磨,只好来请教你了。”
这时仓颉羞得无地自容,深知自己因为骄傲铸成了大错。这些字已经教给各个部落,传遍了天下,改都改不了。他连忙跪下,痛哭流涕地表示忏悔。
老人拉着仓颉的手,诚挚地说:“仓颉啊,你创造了字,使我们老一代的经验能记录下来,传下去,你做了件大好事,世世代代的人都会记住你的。你可不能骄傲自大啊!”
从此以后,仓颉每造一个字,总要将字义反复推敲,还拿去征求人们的意见,一点也不敢粗心。大家都说好,才定下来,然后逐渐传到每个部落去。
当然,上面的这个故事只是一个传说。不过它却生动地反映了我们的先民们造字的经过。其实,文字的发明并不能归功于某一个人,它是先民们集体智慧的体现。
根据对文字的研究,人们发现在生产力极其低下的情况下,出于生存的需要,人们不得不联合起来,采用原始、简陋的生产工具,同大自然做斗争。在斗争中,为了交流思想,传递信息,语言诞生了。但语言一瞬即逝,它既不能保存,也无法传到较远一点的地方去,而某些需要保留和传播到较远地方去的信息,单靠人的大脑的记忆是不行的。于是,原始的记事方法——“结绳记事”和“契刻记事”应运而生了。
在文字产生之前,人们为了帮助记忆,采用过各式各样的记事方法,其中使用较多的是结绳和契刻。中国古籍文献中,关于结绳记事的记载较多。公元前战国时期的著作《周易·系辞下传》中说:“上古结绳而治,后世圣人易之以书契。”汉朝人郑玄,在其《周易注》中也说:“古者无文字,结绳为约,事大,大结其绳;事小,小结其绳。”李鼎祚《周易集解》引《九家易》中也说:“古者无文字,其有约誓之事,事大,大其绳,事小,小其绳,结之多少,随物众寡,各执以相考,亦足以相治也。”这是讲结绳为约,说得已相当明白具体了。
契刻的目的主要是用来记录数目。汉朝刘熙在《释名·释书契》中说:“契,刻也,刻识其数也。”清楚地说明契就是刻,契刻的目的是帮助记忆数目。因为人们订立契约关系时,数目是最重要的,也是最容易引起争端的因素。于是,人们就用契刻的方法,将数目用一定的线条作符号,刻在竹片或木片上,作为双方的“契约”。这就是古时的“契”。后来人们把契从中间分开,分作两半,双方各执一半,以二者吻合为凭。古代的契上刻的是数目,主要用来作债务的凭证。
结绳记事,契刻记事以及其他类似的记事方法,世界各地的不同民族皆有之。中国一直到宋朝以后,南方仍有用结绳记事的。南美洲的秘鲁,尤其著名。有的民族,利用绳子的颜色和结法,还可以更精确地记下一些事情来。
作为原始记事方法的结绳记事,不论它用一根绳子打结,还是用多根绳子横竖交叉,归根结底,它只是一种表示和记录数字或方位的一些简单的概念,是一种表意形式,可以把它看成是文字产生前的一个孕育阶段,但它不能演变成文字,更不是文字的产生。因为它只能帮助人们记忆某些事情,而不能进行思想交流,不具备语言交流和记录的属性。因此,结绳记事不可能发展为文字。
由于结绳记事和契刻记事的不足,人们不得不采用一些其他的方法,譬如图画来帮助记忆、表达思想,绘画导致了文字的产生。唐兰先生在《中国文字学》中说:“文字的产生,本是很自然的,几万年前旧石器时代的人类,已经有很好的绘画,这些画大抵是动物和人像,这是文字的前驱。”然而图画发挥文字的作用,转变成文字,只有在“有了较普通、较广泛的语言”之后才有可能。譬如,有人画了一只虎,大家见了才会叫它为“虎”;画了一头象,大家见了才会叫它为“象”。久而久之,大家约定俗成,类似于上面说的“虎”和“象”这样的图画,就介于图画和文字之间。仓颉发明的字也就是这种图画文字。
在宁夏发现的远古图画文字随着时间的推移,这样的图画越来越多,画得也就不那么逼真了。这样的图画逐渐向文字方向偏移,最终导致文字从图画中分离出来。这样,图画就分了家,分成原有的逼真的图画和变成为文字符号的图画文字。图画文字进一步发展为象形文字。正如《中国文字学》所说:“文字本于图画,最初的文字是可以读出来的图画,但图画却不一定都能读。后来,文字跟图画渐渐分歧,差别逐渐显著,文字不再是图画的,而是书写的。而书写的技术不需要逼真的描绘,只要把特点写出来,大致不错,使人能认识就够了。”这就是原始的文字。知识点楔形文字楔形文字,来源于拉丁语,是cuneus(楔子)和forma(形状)两个单词构成的复合词。楔形文字也叫“钉头文字”或“箭头字”,古代西亚所用文字,多刻写在石头和泥版(泥砖)上。笔画成楔状,颇像钉头或箭头。公元前500年左右,这种文字成为西亚大部分地区通用的商业交往媒介。考古学家发现大批楔形文字泥版或铭刻,19世纪以来被陆续译解,从而形成一门研究古史的新学科——亚述学。
最古老的计算器——算盘
算盘是中国传统的计算工具,是中国古代的一项重要发明。它在阿拉伯数字出现前就已经广为使用了。现存的算盘形状不一、材质各异。一般的算盘多为木制,算盘由矩形木框内排列一串串等数目的算珠,中有一道横梁把珠统分为上下两部分,算珠内贯直柱,俗称“档”,一般为9档、11档或15档。档中横以梁,梁上2珠(财会用为1珠),每珠为5;梁下5珠(财会用为4珠),每珠为1。用算盘计算称珠算,珠算有对应四则运算的相应法则,统称珠算法则。相对一般运算来看,熟练的珠算不逊于计算器,尤其在加减法方面。用时,可依口诀,上下拨动算珠,进行计算。
算盘
那么算盘是谁发明的,又是如何发明的呢?传说,算盘和算数是黄帝手下一名叫隶首的人发明创造的。至今在农村还流传着隶首当初算账时,发明的中国式的“阿拉伯”数字。80岁以上的老年人还会写、会用。
黄帝统一部落后,先民们整天打鱼狩猎,制衣冠,造舟车,生产蒸蒸日上。物质越来越多,算账、管账成为每家每户每个人经常碰到的事。开始,只能用结绳记事、刻木为号的办法来处理日常算账问题。有一次,狩猎能手于则,交回七只山羊,保管猎物的石头只承认交回一只,于则一查实物,正好还是七只。为啥只记一只呢?原来石头把七听成了一,在草绳上打了一个结。又有一次,黄帝的孙女黑英替嫘祖领九张虎皮,石头在草绳上只打了六个结,短少了三张。所以出出进进的实物数目越来越乱,虚报冒领的事也经常发生。黄帝为此事大为恼火。
有一天,黄帝宫里的隶首上山采野果,发现一树熟透的山桃。他爬上树边摘边吃,不知吃了多少,只觉得口流酸水,肚内发胀,再没敢多吃,跳下树来,坐在地上休息。
突然发现扔在地上的山桃核非常好看。他一个一个从地上拣起来,一数个,正好二十个。他想:这十个桃核好比十张虎皮,另十个好比十只山羊皮。今后,谁交回多少猎物,就发给他们多少山桃核。谁领走多少猎物,就给谁记几个山桃核。这样谁也别想赖账。
隶首回到黄帝宫里,把他的想法告诉给黄帝。黄帝想了想觉得很有道理。就命隶首管理宫里的一切财物账目。隶首担任了黄帝宫里总“会计”后,他命人采集了各种野果,分开类别。比如,山楂果代表山羊,栗子果代表野猪,山桃果代表飞禽,木瓜果代表老虎、豹子……不论哪个狩猎队捕回什么猎物,隶首都按不同野果记下账。谁料,好景不长。各种野果存放时间一长,全都变色腐烂了,一时分不清各种野果颜色,账目全混乱了。为这事隶首气得直跺脚。最后,他终于想出一种办法。他到河滩拣回很多不同颜色的石头片,分别放进陶瓷盘子里,这下记账再也不怕记账的东西变色腐烂了。
由于隶首一时高兴没有严格保管。有一天,他出外有事,他的孩子引来一群顽童,一见隶首家放着很多盘盘,里边放着不同颜色的美丽石片,孩子们觉得好奇,你争我看一不小心,盘子掉地打碎,石头片全散了。隶首的账目又乱了。他一人蹲在地上只得一个个往回拾。隶首妻子花女走过来,用指头把隶首头一指说:“好笨蛋哩!你给石片上穿一个眼,用绳子串起来多保险!”聪明人就怕人点窍,隶首顿时茅塞大开,他给每块不同颜色石片都打上眼,用细绳逐个穿起来。每穿够十个数或一百个数,中间穿一个不同颜色的石片,这样清算起来就省事多了,隶首自己也心中有数。从此,宫里宫外,上上下下,再没有发生虚报冒领的事了。随着生产不断向前发展,获得的各种猎物、皮张、数字越来越大,品种越来越多,不能老用穿石片来记账目,隶首好像再也想不出什么好办法了。
有一次,他上山寻孩子,发现满山遍野成熟的红欧粟子。每枝上边只结十颗,全部鲜红色的,非常好看。他顺手折了几枝,拿在手里左看右看,又想利用红欧粟子作算账的工具,但又一想,不行,过去已经失败过。隶首独自一人坐在地上,越想越没主意了。这时,岐伯、风后、力牧三个人上山采草药,发现隶首手拿几串红欧粟子,人坐在地上发呆。风后问隶首在想什么,隶首扭头一看,原是三位老臣,赶忙站起来,把刚才记账、算账的想法告诉了三位老臣。
风后是指南车发明人之一。他听了隶首的想法,接过隶首的话说:“我看今后记账、算账不用那么多的石片。只用一百个石片,就可顶十万八千数。”隶首忙问:“怎么个顶法?”风后叫隶首把红欧粟子全摘下来,又折下十根细竹棒,每根棒上穿上十颗,一连穿了十串,一并插在地上。风后说:“比如,今天猎队交回五只鹿,你就从竹棒上往上推五颗红欧粟子。明天再交回六只鹿,你就再往上推六颗。”
隶首说:“那不行!一根棒上只穿十颗,已经推上去五颗,再要往上推六颗,那就没有红欧粟子可推了。”风后说:“我问你,五个加六个是多少?”隶首说:“当然是十一个!”风后说:“对呀!你就该向前进一位。从颗数上看,只有两个。实际上是十一个数。再有,如果猎队交回九只鹿,那你怎么记算?再进一位;九个加十一个是多少?当然是二十个。从竹棒上的颗数看,只有两颗红欧粟子,实际上顶二十个数。就是说,每够十个数,每够一百个数,都要向前进一位。比如,再有猎队交回八十只鹿,那么怎么计算法?二十加八十,整一百数,再进位,竹棒子颗数就成为一个红欧粟子。实际上它顶一百个数。”
隶首又问:“进位后,怎么能记得下!”力牧接着说:“这好办,进位后,应划个记号。比如,十个数后边划个圈(10);一百个数后边划两个圈(100);一千个数后边划三个圈(1000);一万个数后边划四个圈(10000)。这就叫个、十、百、千、万。”
隶首明白了进位道理后,信心百倍增加。回家做了一个大泥盘子,把人们从龟肚子挖出来白色珍珠捡回来,给每颗上边打出眼。每十颗一穿,穿成一百个数的“算盘”。然后在上边写清位数;如十位、百位、千位、万位。从此,记数、算账再也用不着那么多的石片了。算盘,中华民族当代“计算机”的前身,五千年前就这样诞生了。随着时代不断前进,算盘不断得到改进,成为今天的“珠算”。特别是民间,当初认字人不多,但是,只要懂得了算盘的基本原理和操作规程,人人都会应用。
所以,算盘在古老中国民间很快广泛流传和被应用。知识点费波拿契比萨的列奥纳多,又称斐波那契(意大利数学家,西方第一个研究斐波那契数,并将现代书写数和乘数的位值表示法系统引入欧洲。早年随父在北非从师阿拉伯人习算,后又游历地中海沿岸诸国,回意大利后即写成《算经》,亦译作《算盘书》)。《算经》最大的功绩是系统介绍印度记数法,影响并改变了欧洲数学的面貌。现传《算经》是1228年的修订版,其中还引进了著名的“斐波那契数列”。
阿拉伯数字的故事
通常,我们把1、2、3、4……9、0称为“阿拉伯数字”。其实,这些数字并不是阿拉伯人创造的,它们最早产生于古代的印度。可是,人们为什么又把它们称为“阿拉伯数字”呢?说起来,这里还有一个小故事呢!
公元3世纪,印度的一位科学家巴格达发明了阿拉伯数字。最古的计数目大概至多到3,为了要设想“4”这个数字,就必须把2和2加起来,5是2加2加1,3这个数字是2加1得来的,大概较晚才出现了用手写的五指表示5这个数字和用双手的十指表示10这个数字。这个原则实际也是我们计算的基础。罗马的计数只有到Ⅴ(即5)的数字,Ⅹ(即10)以内的数字则由Ⅴ(5)和其他数字组合起来。Ⅹ是两个Ⅴ的组合,同一数字符号根据它与其他数字符号位置关系而具有不同的量。这样就开始有了数字位置的概念,在数学上这个重要的贡献应归于两河流域的古代居民,后来古巴比伦人在这个基础上加以改进,并发明了表达数字的1,2,3,4,5,6,7,8,9,0十个符号,这就成为我们今天记数的基础。8世纪印度出现了有零的符号的最老的刻版记录。当时称零为首那。
今日阿拉伯人公元500年前后,随着经济、文化以及佛教的兴起和发展,印度次大陆西北部的旁遮普地区的数学一直处于领先地位。天文学家阿叶彼海特在简化数字方面有了新的突破:他把数字记在一个个格子里,如果第一格里有一个符号,比如是一个代表1的圆点,那么第二格里的同样圆点就表示十,而第三格里的圆点就代表一百。这样,不仅是数字符号本身,而且是它们所在的位置次序也同样拥有了重要意义。以后,印度的学者又引出了作为零的符号。可以这么说,这些符号和表示方法是今天阿拉伯数字的老祖先了。
两百年后,团结在伊斯兰教下的阿拉伯人征服了周围的民族,建立了东起印度,西到西班牙的撒拉孙大帝国。后来,这个伊斯兰大帝国分裂成东、西两个国家。由于这两个国家的各代君王都奖励文化和艺术,所以两国的首都都非常繁荣,而其中特别繁华的是东都——巴格达,西来的希腊文化,东来的印度文化都汇集到这里来了。阿拉伯人将两种文化理解消化,从而创造了独特的阿拉伯文化。
大约七百年后,阿拉伯人征服了旁遮普地区,他们吃惊地发现:被征服地区的数学比他们先进。用什么方法可以将这些先进的数学也搬到阿拉伯去呢?
公元771年,印度北部的数学家被抓到了阿拉伯的巴格达,被迫给当地人传授新的数学符号和体系,以及印度式的计算方法(即我们现在用的计算法)。由于印度数字和印度计数法既简单又方便,其优点远远超过了其他的计算法,阿拉伯的学者们很愿意学习这些先进知识,商人们也乐于采用这种方法去做生意。
后来,阿拉伯人把这种数字传入西班牙。公元10世纪,又由教皇热尔贝·奥里亚克传到欧洲其他国家。公元1200年左右,欧洲的学者正式采用了这些符号和体系。至13世纪,在意大利比萨的数学家费波拿契的倡导下,普通欧洲人也开始采用阿拉伯数字,15世纪时这种现象已相当普遍。那时的阿拉伯数字的形状与现代的阿拉伯数字尚不完全相同,只是比较接近而已,为使它们变成今天的1、2、3、4、5、6、7、8、9、0的书写方式,又有许多数学家花费了不少心血。
阿拉伯数字起源于印度,但却是经由阿拉伯人传向西方的,这就是它们后来被称为阿拉伯数字的原因。
摩尔斯与电报
发明实用电磁电报机的人,既不是物理学家,也不是工程师,而是一位画家,是一位从41岁才开始学习电学和机械知识的外行人。
他就是美国著名画家、发明家萨缪尔·摩尔斯。可是,一个外行人怎么会成为电报机的发明人呢?
发明电报的摩尔斯1832年10月1日的傍晚,“萨丽”号邮客轮满载着货物和旅客从法国拉弗尔港起锚,向目的地美国纽约港驶去。轮船在充满凉意的秋风中平稳地驶出多佛尔海峡,它将用十天的时间横渡大西洋,到达目的地纽约。
海上凉气逼人。一些人只能躲在狭小的船舱里打牌、交谈,百无聊赖,恨不得立刻插上双翅飞过大西洋去。然而来自美国的著名画家摩尔斯先生正在忙于挥笔作画,杰克逊博士也在整理他的笔记,上等舱里的这二位老兄倒显得很充实。
晚餐的时间到了,摩尔斯先生和杰克逊博士放下手中的笔到餐厅用餐。精美的菜肴使人们的情绪顿时活跃起来。就在这时,刚从巴黎电学讨论会归来的青年医生杰克逊,正在餐桌上大讲安培电学研究的新发现。
杰克逊出众的演讲才能,加上电学新发现的奇特,一下子吸引了所有旅客的注意。大家仿佛不是在用餐,而是听杰克逊的科学演讲。杰克逊给人们留下了深刻的印象。
几天之后,应几名旅客的要求,杰克逊干脆在餐厅里开起有关电磁学的科学普及讲座来了,大家说这样会觉得时间打发得更快些。
摩尔斯带着画夹子,也来到餐厅为大家画速写。画着画着,摩尔斯也被杰克逊关于电学发展史的演讲吸引过去了。
杰克逊讲起了电学家们以身体作测量电的仪器而被电打得哇哇叫,讲起富兰克林捕捉雷电实验时的幸运和里奇曼死于雷电实验的不幸,引起人们的莫大兴趣。杰克逊介绍了奥斯特在课堂上发现电流的磁效应时急切盼望下课的心情,以及学生们对奥斯特讲课内容不知所云的疑惑,还有巴黎女士们兴起避雷针式帽子时髦之风的由来……画家摩尔斯也被杰克逊吸引住了,他从来就不知道人类世间还有如此美妙的生活世界。他以为除了米开朗基罗、拉斐尔和提香的艺术生活值得羡慕外,其他生活都是平淡无奇的。
杰克逊如数家珍地演讲,让摩尔斯感到四十多年从事画画的生活有多平淡,他有些坐不住了。摩尔斯从小就是一个好奇心极强的孩子,19岁毕业于耶鲁大学时,获得的是法学博士学位,后来却以卖画为生。直到他成为全美美术学会主席以后,还经常漫游欧洲。在他看来,生活总像是一次没有港湾的远航。
杰克逊在最后一次演讲中的一段话,改变了摩尔斯的后半生。杰克逊说:“可以预言,在不久的将来,科学技术就将产生出奇迹,我们的生活就将为之改观。只有从事科学技术研究的生活,才是真正的、充实的生活……”
邮客轮驶入哈得逊河时,摩尔斯还在回味杰克逊的话语。杰克逊万万没有想到自己的航行演讲,竟深深打动了他素不相识的41岁画家摩尔斯的心。使摩尔斯对电学产生了极大兴趣,唤起了他对电学知识应用前景的丰富想象。
“萨丽”号邮客轮停靠长岛码头的时候,摩尔斯决定告别艺术,投身到科学领域中去。他在写生簿上端端正正地写下了“电报”两个大字。登上码头的摩尔斯已经不再是美国著名画家了,而是电磁学理论的初学者、有线电报机的未来发明人。
可以想象,摩尔斯要想完成这样的伟大使命是异常艰巨的。他投身到科学领域时已经四十多岁了。如果丢掉美术,专门从事电报机研究,收入就没有了,有什么人能饿着肚皮去搞发明创造呢?况且,他对电学知识又几乎等于零呢!为了解决吃饭问题,他到纽约大学当美术教授。没有电学知识,就从零开始学习。他拜美国电学家亨利为师,把授课以外的时间全都用在学习和研究上。
很快,摩尔斯就制造了一块电磁铁,发明了一种“继电器”。这种继电器可以解决远距离送电的微弱问题,这一发明增强了摩尔斯的信心。他这个电学迷到处搜罗有关电学研究的书籍,潜心钻研,写下了一本又一本学习笔记。他把画室变成了实验室,画架上摆满了电线、电池。堆放画布的地方成了存放木工和铁工各种工具的仓库。上帝给予成功者的机会是公平的,摩尔斯逐渐掌握了有关的电学知识,掌握了制造电报机所必备的手工技艺。
这时,亨利提出了电报原理,对摩尔斯启发很大。亨利用电磁铁做成电铃,可以把信号传送到16千米远的地方。实际上,这就是“电磁音响式电报机”的最早雏形。摩尔斯决定采用亨利的原理,进行深入实验。
三年过去了,摩尔斯的电报机没有制造出来,积蓄几乎全部花完,这位业余电报机发明家已经到进退维谷的地步了。
失败只能使懦夫退却,并没有使摩尔斯气馁,他变得冷静了,也更加成熟了。多少个不眠之夜,摩尔斯在考虑解决问题的办法。他所期望的一天终于来到了,摩尔斯悟出了科学真谛,他在科学笔记上充满信心地写道:
“电流是神速的,如果它能够不停顿地走10英里(约为16千米),我就让它走遍全世界。电火花是一种信号,没有电火花是另一种信号,时间间隔也是一种信号,用这三种信号的不同组合代表不同的字母、数字,就能够把信息通过电线传到另外一个地方去。这样,能够把消息传到远方的崭新工具就可以实现了。”
至此,摩尔斯解决了电报机最棘手的难题:电码软件与电磁硬件的匹配问题。它要求电码软件简单易操作,同时信息容量大。在这一道既简又繁的陡坡前,与摩尔斯一同冲击电报机研制难关的英国著名物理学家惠斯顿、法国物理学家库尔和德国发明家斯泰因海尔,尽管也各自独立地发明了电报装置,但相比之下,摩尔斯的电报机更实用,更具有强大的生命力。
在电磁效应的装置上,用的是点、划及时间间隔来表达电码内容的。这就是我们听到的“答、滴,滴、答”的电报之歌。
为了设计和制造这种新装置,摩尔斯邀请了一位有机械才能的青年维尔,同他投入紧张的研制工作。经过一年多的努力,摩尔斯终于研制成功了一台传递电码的装置,摩尔斯把它叫做电报机。这部机器可真神通,能够在500米以内的范围有效的工作。只要在传递线路上加上一个继电器就解决了电流衰减问题,电报机进入了实用化阶段,开创了人类通讯的新纪元。
摩尔斯式继电器人工电报机电报机的成功,摩尔斯并不满足,他打算修建一条很长距离的实验电报线,最好能够连接两个城市。然而,这时的发明家已经是囊空如洗,一无所有了,只好向美国国会申请3万美元的实验经费,摩尔斯为此费了长达5年的周折。然而,技术的进步是任何力量阻挡不住的,凡是为人类造福的发明必将会受到社会的尊重。1843年,美国国会批准了建造第一条长距离电报线路的拨款。经过两年多的艰苦施工,摩尔斯和同伴终于建成了连接华盛顿和巴尔的摩城长达60多千米的实验电报线路。
1844年5月24日,摩尔斯用一连串的点、划(今天人们仍在使用摩尔斯点划式电码),成功地发出了电文,实现了第一次通话。
1851年,摩尔斯电报系统首先应用于铁路。
1852年,通过海底电缆建成了伦敦和巴黎之间的直通电报线路。
1866年,经过屡次波折和失败的横跨大西洋联接欧洲和北美大陆的跨洋海底电缆终于成功地启用。
1902年,通过海底电缆,已经将大部分国家连接起来,实现了环球通讯。
电报促进了科学技术的发展,繁荣了各国之间的贸易往来,加强了各国人民之间的了解和友谊,为人类发展作出了不可磨灭的贡献。知识点摩尔斯电码摩尔斯电码(又译为摩斯电码)是一种时通时断的信号代码,这种信号代码通过不同的排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号等。它由美国人艾尔菲德·维尔发明,当时他正在协助SamuelMorse进行摩尔斯电报机的发明(1835年)。最早的摩尔斯电码是一些表示数字的点和划。数字对应单词,需要查找一本代码表才能知道每个词对应的数。用一个电键可以敲击出点、划以及中间的停顿。虽然摩尔斯发明了电报,但他缺乏相关的专门技术。他与艾尔菲德·维尔签订了一个协议,让他协助自己制造更加实用的设备。
电话的发明
美国波士顿大学的语音学教授贝尔突然向校董会提出了辞呈。这位出生在苏格兰的26岁教授是波士顿大学的荣誉。他在一个书香世家长大,父亲和祖父都是著名的语言学家,他17岁毕业于欧洲著名的英国爱丁堡大学。他在伦敦大学专攻语音学硕士学位,电话的发明者贝尔当贝尔父子为逃避肺结核移居北美,立刻引起美国专家们的重视。当22岁的贝尔应聘成为波士顿大学教授的时候,贝尔的父亲已经成为北美闻名的语音专家了。贝尔父子两人经常被邀请到全美各地去讲演。贝尔十分善于讲演,很受听众的欢迎。
贝尔为什么要放弃令人羡慕的教授位置呢?他当然自有主张。
当贝尔定居美国时,摩尔斯电报已广泛应用,成为一种新兴的通信工具。贝尔想,“既然电流能够传递电波信号,为什么不能传播声波信号呢?”贝尔打算发明一种传播声音的“电报”(即电话)。如果人们用电缆直接通话,那该多么方便啊!
贝尔向校方提出辞职时,他的电话研制已经进入了关键阶段。他实在脱不开身来。自己买材料,自己安装,做实验,查数据,紧张的工作搞得他精疲力竭,就连辞职书也是请别人代转校长的,他现在可以正式搞实验了,再也用不着挤时间。白天和黑夜全都属于他,贝尔全身心地投入到电话研制中去。
电磁铁片的振动膜研制成功了。
讯号共鸣箱也宣布告竣。
螺旋线圈的振动簧片,已经达到设计要求,拟想中的电话主要部件全部完成。繁杂的工艺使他自顾不暇,贝尔多么需要一个助手啊!因为研究电话,必须要两个人合作才行。一个偶然的机会,他遇到一位18岁的电气技师沃森,两人一见如故。很快,共同的理想和追求,使他们成了终生不渝的合作者和朋友。
贝尔和沃森的实验室,坐落在波士顿柯特大街109号寓所内。那是两间废弃多年的马车棚。尘土满地,拥挤闷热,一间房子四周被他们堵得严严实实,为了防止外面杂音传到屋内,贝尔叫它“听音室”。另一间是“车间”,兼作“喊话室”,房内到处是电磁元器件。经过贝尔和沃森的勤奋劳作,两间房子的隔音效果十分理想。
经过两年的研究,无数次地拆装实验,经历了无法统计的挫折、失败,两位年轻人终于看到了胜利的曙光。
1875年6月2日是一个令人难忘的日子。这一天,贝尔和沃森同往常一样重复讯音共鸣试验。
沃森走入喊话室,准备发出声音讯号。贝尔跑进听音室,随即把门关得紧紧的。按照两人的约定,在试验中沃森用声音使振动膜轮番振动,而贝尔则依靠自己特殊的语音学家的敏锐听觉,倾听振动簧片产生的共振。他挨个将那些共振薄膜安装到收话器上,仔细地辨听电流脉冲产生的音响。
突然,他听到了一种断断续续的声响,那是从颤动的振动共振膜里发出来的。细心的贝尔当即断定,它不是脉冲电流产生的声音。他需要沃森的证实!整个这一切只不过是一瞬间的事情。然而,这是导通认识思路的一瞬间。贝尔感到他终于捉住了那鬼魂般时有时无的振动的尾巴。
贝尔迫不及待地将收话器放到桌子上,冲出房门,大步流星地朝隔壁房间奔去。他异常激动,朝着被连续16小时紧张工作弄得筋疲力尽的沃森喊道:“你是怎样做的?你什么也别动!按照两分钟前的做法重复一遍!”
“请原谅,我太累了,所以搞错了。”沃森辩解道。由于不了解究竟发生了什么情况,沃森显得有点紧张。
贝尔平静下来和颜悦色地抚慰他说:
“亲爱的沃森,我知道你很累了。我请你完整地重复一遍搞错的过程……”
沃森解释说,他接通振动膜时,未能把它接到电路上。为了排除故障,他就扯动了几下膜片,想用这种方法使它振动。而这正是贝尔在接收器里听到的颤音。它就像当今人们在使用麦克风前,用手指弹击受话器的振动膜一样。
贝尔的思路被证实了,他激动地说:“总算响起来了,总算响起来了。”
“你快说,发生了什么?!”沃森的困意一下全没了。
贝尔告诉沃森,以前我们的设计思路只着眼于发送和接收电流脉冲信号,这样就使接收复制出的电流脉冲信号发生很大的变形。难怪两年多来,那古怪的电流脉冲信号时有时无,使我们一直感到困惑。这次,你手动膜片必然带动线圈,因而产生了法拉第所发现的感应电流,我接收到的正是你的感应电流。这种电流是由簧片牵动线圈振动而产生的……贝尔发明的电话聪明的沃森立刻明白了。他建议把精力放在感应电流的产生和复制上,就可以实现通话。“对!”贝尔狠劲拍了一下伙伴的手掌,两人笑了起来,又接着做起试验。
沃森扭身跑进听音室。贝尔让振动膜及线圈在受话器已有的磁场中来回上下移动。“听到了,听到了。”一种奇妙的沙沙声,最后变成刺耳的尖声。现代人打电话时,经常为感应电流失控产生的噪声而烦恼。可是,当时这声音在沃森和贝尔的耳朵里,比优美的交响乐还要动听、悦耳。
电话基本原理的雏形,在两位年轻人的头脑中形成了。用声音振动膜片,同时使线圈振动产生感应电流,通过导线传递到收听一方,感应电流又转化为线圈振动,最后振动簧片复制出声音。
过了感应电流这一关,振动膜复制声音就容易了。贝尔辞去教授时,已经和父亲用4年多时间研制聋人用的助听器。这方面贝尔不担心,而感应电流是沃森熟悉的,对此他也是放心的。
又经过半年多的苦干,他们终于制成了第一套传话器和听筒。这是1876年。贝尔刚刚29岁,沃森仅22岁。两个勇敢的青年,克服了重重困难,终于把电话机制造成功了。
1876年,贝尔获得了美国专利局的专利证书。几个月后,正好赶上举行美国建国一百周年纪念博览会。贝尔和沃森风尘仆仆地赶到费城,在博览会上表演了电话通话。参观的人络绎不绝,赞不绝口,但只是把它作为一个神奇的玩具。人们没有认识到他们此项发明的重要性。贝尔的电话初见世面,没有遇到知音。
贝尔和沃森回到波士顿,再次对电话做了改进,并且开始利用各种场合宣传电话的原理和用途,促使更多的人认识到电话的广阔前景。
1878年,贝尔和沃森在波士顿和纽约之间首次进行了长途电话实验,两地相距300千米,实验取得了圆满成功。这次实验成功是得益于爱迪生的发明。为了使电话跨越长距离,爱迪生改进了电话的送话器,在其中加大了感应线圈,使电话达到了实用化。这一年,贝尔电话公司正式成立。
由于电话的信息传递异常便利,因此得到突飞猛进的发展。1878年美国电话不过几百台,两年后猛增到48000多台。1910年仅北美就拥有700多万台电话机。一百几十年后的今天,全世界已拥有25亿~3亿部电话机。
如今电话已经成为人们日常生活须臾不能离开的通讯工具了。知识点海底电缆海底电缆是用绝缘材料包裹的导线,铺设在海底,用于电信传输。海底电缆分海底通信电缆和海底电力电缆。现代的海底电缆都是使用光纤作为材料,传输电话和互联网信号。全世界第一条海底电缆1850年在英国和法国之间铺设。中国的第一条海底电缆是在1888年完成。
无线电的发明
门铃声急促地响起来。古雷姆夫人放下手中的活计,急忙穿过客厅跑去开门。她以为一定是邻居威廉逊太太来了,可是推开房门一看,门外空无一人,只有仲秋的阳光懒洋洋地照射在泛黄的草坪上……明明是门铃响了,怎么会没有人呢?“真是怪事!”她只好回到书房去。隔了一会儿,铃声又响起来,古雷姆夫人不大情愿地又去了一趟,结果还是扑了个空。这回她可有点生气了,她冲出房门,一切还是静悄悄的,然而回头一看,她惊呆了。
门铃又一次响起来,她惶然地伸手去按按钮,可按钮根本不听她的使唤,你按时它不响,你不按它偏响。
“马可尼,马可尼,我的孩子,快来呀!门铃出毛病了!”古雷姆夫人大声向儿子求助。
这时,从楼上跑下来一个小伙子,他个头中等,20岁左右,穿着一身工作服,手里拿着一个带按钮的木盒子,一双炯炯有神的眼睛凝视着母亲。听了母亲的述说,小伙子笑哈哈地乐个不停。一时间,古雷姆夫人被弄得糊里糊涂。
原来,这位名叫马可尼的小伙子,正在做无线电信号传送的实验。他把门铃设计成信号接收装置,手中的木盒子就是信号发送装置。
马可尼把母亲请到楼上,这是他的小小实验室,小长桌是他的实验工作台,上面摆着一台收发报装置。他一按手中的按钮,很快就从楼下客厅门外传来一阵阵铃声。楼上、楼下并没有任何导线相连,这使略懂一些物理知识的马可尼的母亲,也感到吃惊了。
发明无线电的马可尼这就是马可尼第一次实现了无线电信号传送,他被后人誉为“无线电通讯之父”。马可尼1874年4月25日出生于意大利帕多瓦城,在著名的帕多瓦大学学习物理。马可尼在学生时代,德国物理学家赫兹用自己设计的杰出实验,证明了电磁波的存在,同时还向人类表明电是可以无线传播的。虽然,在赫兹的实验装置中,电的发射源和接收源之间的距离是微不足道的,但它却启发人们,用电进行无线通讯是可能的。
用电进行无线通讯的关键,是扩大赫兹实验装置中电的发射源和接收源的距离。在赫兹实验的鼓舞下,物理学家们开始了扩大电波传播距离的研究,不久,法国物理学家布冉利研制的金属屑玻璃管电波接收器,在140米以外的地方,探测到了电磁波。
法国布冉利的上述实验,引起了英国物理学家洛奇的兴趣,他改进了布冉利装置。成功地在800米外,接收到了用摩尔斯电码发送来的信号。
1894年元旦,年仅37岁的赫兹不幸逝世。这时,20岁的马可尼正在欧拉巴圣地度假。当他看到自己的老师、帕多瓦大学物理学教授里奇悼念赫兹的祭文时,深受感动。许多有线电报的行家和物理学家对赫兹实验有助于未来的无线电报的研究,寄予厚望,奥古斯特·里奇教授就是一个代表。他对热心实验研究的马可尼说:“如果人类能够利用电磁波的话,那么电报就会飞越太空。总有一天,不用导线的通讯就会成为现实。”
里奇老师的一番话,使马可尼完全投入到无线电报研究上来了,用电磁波传递讯息,已成了年轻的马可尼的科学理想。
假期还没有结束,马可尼就回到帕多瓦附近父亲的庄园的小阁楼里,专心地搞实验。这位年轻人经历了许多次失败,父亲常常嘲笑他是一个“不切实际的空想家”,可是母亲从他屡败屡战的实验上,丝毫也看不出他的气馁。
马可尼刻苦攻读了赫兹、布冉利等人的电学著作,同时找来当时所能找到的实验设备和仪器:多路火花放电器、感应线圈、摩尔斯电报键和金属屑检波器。马可尼首先实现了无线电室内传送信号,使电铃响了起来。
马可尼和助手在做实验到了这一年的秋天,马可尼在小阁楼的实验室与27千米的山丘之间,成功地进行了通信实验,实验的进展使马可尼万分高兴。由于父亲的坚决反对,马可尼缺少继续做无线电实验的经费,他写信给意大利邮政部长要求予以资助。一个22岁的小伙子搞起了稀奇古怪的玩意,还要求政府的资助,这太古怪了,短视的意大利政府对这位无名发明家的发现,置之不理。
父亲的冷嘲热讽,邮政部的置之不理,都不能改变马可尼的决心。最后。在母亲的支持下,马可尼到英国找舅舅帮忙去了。幸运的马可尼很快得到英国邮电部门普利普斯总工程师的支持和帮助。1896年,马可尼的发明取得了英国政府的专利。在普利普斯总工程师的支持下,无线电通讯实验十分顺利。1897年,他在南威尔士越过布里斯托尔海峡,至索美塞得丘陵高地之间,进行通讯实验表演,收发报之间的距离已达15千米以上。
普利普斯十分欣赏马可尼的才干,他幽默地说:“人人都认识鸡蛋,但是,只有马可尼把鸡蛋立了起来。”这时,马可尼达到了废寝忘食的地步。1897年5月间,马可尼的无线电通讯实现了从海岸到船只等活动目标之间的通讯实用化。同年,马可尼无线电报公司在伦敦成立,马可尼兼任董事长。
第一台投入商业使用的无线电1897年,马可尼成了欧洲的知名人物,意大利政府盛情邀请马可尼回国,不久他回国为意大利建立了一座陆上电报通讯电台。1898年,马可尼无线电装置正式投入商业性使用,成功地为《每日快报》报道了有关金斯汤帆船比赛的情况。
在19世纪的最后几天,马可尼的无线电信号第一次跨越了100千米的长距离。无线电传播的距离到底有多长,马可尼关心,电缆电报公司更关心。19世纪下半叶,全球性的电缆通信网络基本建成,无线电业务的迅速扩大必然对电缆电报公司造成威胁。当马可尼提出让电波从欧洲飞越大西洋到达美国的誓言时,却遭到来自四面八方的反对。
电缆电报公司的业务竞争就不必说了,来自科学界的善意规劝更有代表性。物理学家认为,光是直线传播的,不可能绕过地球表面的曲面,拐弯到达美洲。想要实现横跨大西洋,必须有一面和它面积差不多的反射镜。如果没有它,电波将像光线一样离开地球无影无踪。一些数学家也错误地从理论上证明,无线电波的长距离传送,是根本不可能的。诸如此类的反对意见,没有动摇马可尼的决心。
经过长达两年的对实验装置的改进,无线电收发装置灵敏度逐步提高,抗干扰性能增强了,发射机波长调谐装置研制成功了,天线高度日益提高了。1901年在英属牙买加的康沃尔,一座高达52米的电波发射塔竣工。随即,马可尼赶往加拿大的纽芬兰,用几只巨大的风筝把接收天线升到122米的高度,万事俱备了。
预定的发报时间到了。马可尼望着天空铅灰色的浮云,期待着,他仿佛看到电磁波从康沃尔出发,正向纽芬兰飞来,然而,接收机静静地停在那里。
调谐,匹配,去干扰……成功了。1901年12月12日,一组摩尔斯电码中的“三点短码”代表“S”字母,飞越了2000多千米,人类第一次实现了跨越大西洋的无线电通讯。望着译电员译好的电文,27岁的马可尼流出了喜悦的热泪。
美洲轰动了,欧洲轰动了,世界轰动了。从此,马可尼的无线电事业,在全世界范围内迅速扩展。不仅各国建立了陆上电台,成百艘行驶在各大洋的邮船,也纷纷采用马可尼无线电装置。
马可尼并没有制造一面和大西洋一样大的镜子,富兰克林的电波为什么到达了美洲呢?后来人们才知道,这面“镜子”自然界早就有了,它就是包裹着整个地球的大气电离层。它像镜子反射光线一样,把无线电波反射到了美洲大陆。
1933年10月一天晚上,在美国科学家欢迎诺贝尔奖金获得者马可尼的宴会上,马可尼即席表演环球无线电通讯,发出无线电SSS信号,经世界六大电台接转后再回到原地,电报绕地球一周,仅用了33秒钟!
1937年7月20日马可尼病逝。为了纪念他对人类的贡献,国际海上无线电协会代表50多个国家,一致通过把马可尼的诞生日命名为“世界海上无线电服务日”。知识点无线电无线电是指在自由空间(包括空气和真空)传播的电磁波,是其中的一个有限频带,上限频率在300GHz(吉赫兹),下限频率较不统一,在各种射频规范书,常见的有3KHz~300GHz(ITU-国际电信联盟规定),9KHz~300GHz,10KHz~300GHz。无线电技术的原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过调节将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的。
可以移动的电话
世界上的第一部手机和它的发明者内森·斯塔布菲尔德近20年来,对中国大众影响最大的发明是什么呢?毫无疑问,它是手机。那么,手机是谁发明的呢?关于世界上第一部手机到底是谁发明的,科学界有一个小小的争议。第一种说法是内森·斯塔布菲尔德发明了手机。
世界上的第一部手机像垃圾箱盖一般大,而且信号只能覆盖800米左右。与现代手机当然有太大差别。现在的手机体积非常小,可以放进衣兜内,通过它几乎能与世界上的任何一个地方取得联系。但是,手机发明者内森·斯塔布菲尔德在申请无线电话专利100多年后,才被承认是手机之父。
这位瓜农将他所有闲暇时间和每一分钱都投入到这项发明中。他在美国肯塔基州默里的乡下住宅内制成了第一个电话装置,于1902年推出了他的发明。他在自己的果园里树起一根高365米的天线,利用磁场将语音从一部手机传输到另一部手机里。然而,这部电话内的线圈所需的电线总量比连接它们的线还长,不过这项发明的确具有可以移动的优点。
1902年元旦,这位自学成才的电学家在该镇的公共广场上示范了他的装置。给五个接收器播送了音乐和语音。后来他为马车和船只等移动交通工具设计了电话新版本,并与1908年申请了专利。不幸的是,在他的一生中,这项无线电话发明并没有实现商业化,因此1928年在他去世时,仍然一贫如洗。
不过现在的一本书已经将他尊称为现代手机之父,在他的发明周年纪念日,维珍移动网站用一个属于他的网页纪念他。维珍移动网的创始人理查德·布兰森爵士说:“内森是手机之父,他的发明是改变世界通信方式的方法之一,能为他的发明举行一百周年庆典,让我感到万分激动。”
新闻学教授鲍勃·劳克是2001年出版的《肯塔基州农民发明无线电话》一书的作者,他表示,斯塔布菲尔德是一位移动业界的先驱,但是他的发明并没给他带来足够的荣誉。他说:“完全确定是他发明世界上第一部移动电话非常困难,但是他确实第一个申请了专利。因此他很有可能发明了第一部移动手机,只是他的发明从没投入到商业应用。那时来看,这项发明非常不切实际,当时的人根本不知道以后手机的命运将会怎样。”
斯塔布菲尔德是个好人,他只想利用移动电话帮助当地的社团与各家取得联系,因为这些住户都间隔着一段距离。可叹的是,斯塔布菲尔德一部电话也没有卖出去。因为他太保密,他不在的情况下,他的家人不能离开农场,他也不愿意让访客踏入他的农场,因为他害怕他们可能会偷走他的发明。
他有六个孩子,他们一家一直一贫如洗,因为他将所有闲钱都花在这项电话试验上了。后来他妻子离开了他,在生命的最后十年,斯塔布菲尔德过着像流动隐士一样的生活。1928年他离开人世,埋葬在一个没有墓碑的墓穴里。
这个说法至今没有被社会认可。大家更为熟知的手机发明者是马丁·库帕。
1973年4月的一天,一名男子站在纽约街头,掏出一个约有两块砖头大的无线电话,并打了一通,引得过路人纷纷驻足侧目。这个人就是手机的发明者马丁·库帕。当时,库帕是美国著名的摩托罗拉公司的工程技术人员。
这世界上第一通移动电话是打给他在贝尔实验室工作的一位对手,对方当时也在研制移动电话,但尚未成功。库帕后来回忆道:“我打电话对他说:‘乔,我现在正在用一部便携式蜂窝电话跟你通话。’我听到听筒那头的‘咬牙切齿’——虽然他已经保持了相当的礼貌。”
到现在,手机已经诞生整整30多年了。这个当年科技人员之间的竞争产物现在已经遍地开花,给我们的现代生活带来了极大的便利。马丁·库帕马丁·库帕现在已经80多岁了,他在摩托罗拉工作了29年后,在硅谷创办了自己的通讯技术研究公司。目前,他是这个公司的董事长兼首席执行官。马丁·库帕当时的想法,就是想让媒体知道无线通讯——特别是小小的移动通讯手机——是非常有价值的。另外,他还希望能激起美国联邦通讯委员会的兴趣,在摩托罗拉同AT&;T(AT&;T也是美国的一家通信大公司)的竞争中,能支持前者。
其实,再往前追溯,我们会发现,手机这个概念,早在20世纪40年代就出现了。当时,是美国最大的通讯公司贝尔实验室开始试制的。1946年,贝尔实验室造出了第一部所谓的移动通讯电话。但是,由于体积太大,研究人员只能把它放在实验室的架子上,慢慢人们就淡忘了。
一直到了20世纪60年代末期,AT&;T和摩托罗拉这两个公司才开始对这种技术感兴趣起来。当时,AT&;T出租一种体积很大的移动无线电话,客户可以把这种电话安在大卡车上。AT&;T的设想是,将来能研制一种移动电话,功率是10瓦,就利用卡车上的无线电设备来加以沟通。库帕认为,这种电话太大太重,根本无法移动让人带着走。于是,摩托罗拉就向美国联邦通讯委员会提出申请,要求规定移动通讯设备的功率,只应该是1瓦,最大也不能超过3瓦。事实上,今天大多数手机的无线电功率,最大只有500毫瓦。
体积小巧而功能
强大的手机从1973年手机注册专利,一直到1985年,才诞生出第一台现代意义上的、真正可以移动的电话。它是将电源和天线放置在一个盒子中,重量达3千克,非常重而且不方便,使用者要像背包那样背着它行走,所以就被叫做“肩背电话”。
与现在形状接近的手机,诞生于1987年。与“肩背电话”相比,它显得轻巧得多,而且容易携带。尽管如此,其重量仍有大约750克,与今天仅重60克的手机相比,像一块大砖头。
从那以后,手机的发展越来越迅速。1991年时,手机的重量为250克左右;1996年秋,出现了体积为100立方厘米、重量100克的手机。此后又进一步小型化、轻型化,到1999年就轻到了60克以下。也就是说,一部手机比一枚鸡蛋重不了多少了。
除了质量和体积越来越小外,现代的手机已经越来越像一把多功能的瑞士军刀了。除了最基本的通话功能,新型的手机还可以用来收发邮件和短消息,可以上网、玩游戏、拍照,甚至可以看电影!这是最初的手机发明者所始料不及的。
在通讯技术方面,现代手机也有着明显的进步。当库帕打世界第一个移动电话时,他可以使用任意的电磁频段。事实上,第一代模拟手机就是靠频率的不同来区别不同用户的不同手机。第二代手机——GSM系统则是靠极其微小的时差来区分用户。到了今天,频率资源已明显不足,手机用户也呈几何级数迅速增长。于是,更新的、靠编码的不同来区别不同的手机的CDMA技术应运而生。应用这种技术的手机不但通话质量和保密性更好,还能减少辐射,可称得上是“绿色手机”。
电子计算机的诞生
1946年2月15日,在美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院举行了隆重仪式,庆祝世界上第一台电子计算机的诞生。在揭幕仪式之后,人们兴致世界上第一台计算机ENIAC勃勃地观看了第一台电子计算机的现场表演,它在1秒钟能做5000次加法运算,500次乘法运算,还计算了三角函数、平方和立方等。这台电子计算机的名字叫“电子数值积分计算机”,简称ENIAC。它的问世标志着现代科学技术进入了一个新时代——计算机时代。
计算机的研究从1822年就开始了,当时英国科学家巴贝齐创造出一台小型差分机,1834年他设计了分析机,其原理与现代计算机一致。以后又有很多人研究计算机。如图灵、诺依曼、维纳等都是现代计算机的先驱。
20世纪科学技术的迅猛发展,给计算工作带来了堆积如山的数据处理问题。特别是在第二次世界大战期间,由于军事上破译密码,研制各种自动武器、大炮、高能炸弹等,都迫切需要高速计算工具。事实上,当时已研制成功的几台大型机电式计算机都正运转于军事目的,直接为战争服务,然而这些计算机的运算速度,远远不能满足战争的需要。
1942年,第二次世界大战正处于白热化阶段,美国陆军军需部弹道研究所急切需要在短时间内计算出各种炮击和火箭兵器的弹道表。
宾夕法尼亚大学1943年,宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系和设在马里兰州的陆军阿伯丁弹道研究实验室(试炮场)共同执行一项任务:每天为陆军提供6张火力表。每张火力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小时。即使用大型微分分析机也需要15分钟,这样每张火力表要计算两三个月。
面对这一紧迫而又繁重的任务,阿伯丁实验室从战争一开始就不断地对已有的微分机进行技术上的改进,以便提高它的运算速度。同时又专门雇用了200多名女计算员,日夜不停地进行人工辅助性计算,但仍不能完成任务。战争不允许这样的局面继续下去,向计算工具提出了强烈要求。
莫尔学院电工系的捷·莫希莱参加了制定火力表的工作。当时他36岁,早在20世纪30年代就对计算机感兴趣,并制成了模拟计算机装置。20世纪40年代初,他认为必须把电子管应用于计算机装置上来,1942年夏末,他写过一篇题名为《高速电子管计算装置的使用》的备忘录,提出了电子计算机制造的可能性。这实际上成了第一台电子计算机的初始方案,但后来却遗失了。1943年初,莫希莱和莫尔学院电工系工程师埃克特,根据一个秘书的速记记录重新整理了这份备忘录,并且由埃克特补写了附录,提出了如何使用硬件的具体建议。
29岁的陆军中尉格尔斯坦,当时是负责联系阿伯丁实验室和莫尔学院电工系的军方代表,也是莫希莱的朋友,他也是一位数学家,曾在密歇根大学任数学助理教授。莫希莱多次对格尔斯坦讲自己关于电子计算机的设想。思维敏捷的格尔斯坦,立即意识到这一设想对解决制造火力表困难的巨大价值,马上向他的上级吉伦上校作了汇报,并立即得到吉伦上校的热情支持。陆军军械部要求莫尔学院起草一份为阿伯丁弹道实验室研制一台电子计算机的发展计划。1943年4月2日,莫尔学院负责与阿伯丁联系的勃雷德教授草拟了一份这样的报告。
1943年4月9日,在阿伯丁召开研制电子计箅机的听证会,这是决定第一台电子计算机命运的一天。参加这一会议的有阿伯丁弹道研究所所长西蒙,美国杰出数学家韦布伦。韦布伦是陆军上校、普林斯顿高等研究院教授,他的意见举足轻重。会上听取了格尔斯坦的介绍和说明,讨论了第一台电子计算机的可能性。最后,韦布伦教授支起坐椅后腿沉思片刻,接着“砰”的一声放下椅子站起来说道:“西蒙,支持这项工作吧!”于是在陆军的支持下,第一台电子计算机方案获得通过,研制工作就这样开始了。
1943年6月5日莫尔学院与军械部正式签订合同,并由吉伦上校建议将这台机器命名为“电子数值积分计算机”,简称ENIAC(电子数值积分和计算机五个英文单词的首母缩写)。
莫尔学院和陆军弹道研究室立即组成一个由30多名工程师和数学家参加的研制小组(莫尔研制小组),共200多名工作人员。由莫希莱、埃克特和格尔斯坦领导这个研制小组,他们是志同道合的青年科学家。
领衔担任总工程师的埃克特,当时年仅23岁,不久前刚从莫尔学院毕业,具有较丰富的实践经验。他领导着一批掌握第一流技术、具有献身精神的工程师和技术人员。他要求严格,对每一部件都规定了严格的标准。莫希莱不仅是位年轻的物理学家,而且具有较强的逻辑思维能力和组织能力,他负责电子计算机的总体设计。格尔斯坦不仅是一位数学家,而且具有较强的组织和管理才能,他不仅负责计算机制造的总体管理工作,而且在数学上提供了许多有益的建议,是一名精干的组织管理人才,他们三人配合默契。此外还有年轻的逻辑学家勃克斯参加。著名科学家诺依曼也参加了后期研制工作。
研制小组全体成员思想活跃,充分发扬学术民主,经常讨论方案实施情况,因此研制工作进展顺利。经过两年的努力,到1945年底,ENIAC的总装和调试全部完成。1946年2月15日,正式举行了隆重的ENIAC机揭幕仪式,并且作了现场表演。
ENIAC机实际花费了48万美元,它结构庞大,总体积约有90立方米,占地170平方米,重30吨。它共用18000个电子管,70000个电阻,10000个电容,6000个开关,1500个继电器,运转时耗电140千瓦。
这台电子计算机由控制、运算、存贮、输入和输出五部分组成,首次采用电子元件、电子线路(用作电子开关的符合线路、用于汇集从各个来源的脉冲的集合线路、用以计算和存贮的触发器线路)来实现逻辑运算、存贮信息。其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍。
计算一个弹道用人工若需1个星期,而用ENIAC机只需3秒钟。在19世纪,英国人香克斯用了毕生的精力将圆周率π的值计算到小数点后707位,而ENIAC机仅用40秒钟就打破了这项记录,并且发现香克斯的计算中第528位是错的,当然后面的各位也都错了。ENIAC机具有记忆装置,有按一定程序逐步计算的自动控制能力,这就大大提高了计算的可靠性。
ENIAC机采用了20只加法器,每个加法器由10组环形计算器组成,可存贮长10位的十进制数,并能同时执行几个加法或减法运算,是以后并行计算器的前身。
1947年ENIAC机运往阿伯丁弹道实验室。虽然它没有赶上第二次世界大战时使用,但它仍专门用来计算炮弹和炸弹的飞行轨道以及解决军事上的其他数学问题,直到后来经过多次改进而成为能进行各种科学计算的通用机。现在,这个世界上第一台电子计算机存于美国博物馆,作为现代计算机的历史文物供人参观欣赏。
ENIAC机的研制成功,具有划时代的意义。虽然它与现代计算机无法相比,但在当时技术水平的条件下,应该说是取得了惊人成就,是计算技术史上的最重大突破,是计算工具史上一座不朽的里程碑。它用电子的快速运动来代替机械的运动,从此开始,机器已不只是人的体力的延伸,而且为大脑的活动提供了辅助工具——电脑。人类走上了广阔的智力解放的大道,一个科技发展新时代——计算机时代开始了。
机器人来了
古时候,一些能工巧匠就已经能够制作出由人控制、具有人或动物的某些功能的机械装置,作为劳力的补充。例如《三国演义》中的“木牛流马”便是诸葛亮克敌制胜的“秘密武器”。根据史书记载复原的木牛书中记载三国时期蜀魏交战,由于蜀道艰难,用牛马运粮太慢,军粮告罄。于是诸葛亮凭借聪明才智,设计出了由人驾驭的“木牛流马”,作为运输工具,并安装了机关,使得军粮能够按时运达。后来,木牛流马一直作为一种神秘的“自动机器”流传至今。国外也有许多类似的记载。
作为科学技术的结晶,真正的机器人雏形出现在第二次世界大战期间。那时,为了处理放射性材料,美国的橡树岭和阿贡实验室发明了遥控操作的联动式机械手,以代替工作人员工作,从而避免工作人员受到辐射伤害。
到20世纪40年代末期,由于飞机生产的需要,美国开始应用当时刚出现的电子计算机技术研制数控机床,这种机床可根据预先编制的程序自动执行加工作业。1953年,这种数控机床研制成功了。
事隔一年,一位名叫乔治·德沃尔的美国人把遥控操作的机械手的制作原理和数控技术结合起来,研制成一台机器人的实验样机。当需要执行的指令通过程序输入计算机后,机器人就可脱离人的直接操纵自动地运行。当然,它只能做一些简单的重复性工作。直到20世纪60年代初,美国在乔治·德沃尔专利基础上正式研制成机器人产品,取名为“万能自动”机器人,它可用于搬运和焊接等作业,是第一台由电子程序控制的工业机器人。
此后不久,美国的另一家公司也开发出了可编程的机器人,取名为“多才多艺”机器人,它们在汽车制造厂一展神威,大大提高了生产效率和汽车的质量,也把汽车制造工人从繁重、危险的劳动环境中解脱了出来。
机器人美国公司的这一重大突破引起了日本、欧洲等国家的重视,它们纷纷投入巨额资金,引进美国的先进技术开发机器人。与此同时,美国又研制成了带视觉和触觉的机器人,这两种“感觉”,进一步扩展了机器人的应用领域。
到了20世纪70年代,计算机和人工智能技术的发展又将机器人推向了高级化。许多生产领域已离不开机器人,许多人类难以进行的工作召唤着机器人。后来,日本结合应用实际,大力发展了机器人,并一跃成为“机器人王国”。从此,浩浩荡荡的机器人大军走向了世界很多工厂。
目前,全世界各种机器人已超过60多万台,其功能得到不断充实和完善。从固定程序式的和示教再现的第一代工业机器人,发展到了具有感觉的第二代机器人和具有自主判断和决策功能的第三代机器人。机器人的形状可谓“千姿百态”,有像机器的、像人的、像蛇的、像汽车的……它们的用途也从最早的工业应用领域拓展到其他一些领域。
例如:在建筑领域,机器人能够爬壁作业,能够钻入地下管道,在很狭小的空间中作业;在军事领域,机器人能充当开路先锋,深入敌后进行监视和侦察。如在海湾战争中,英美就派出机器人排除埋设在战区的大量地雷;在高科技领域,机器人可以帮助科学家在人类目前尚无法进入的环境中收集分析数据,如机器人丹蒂就被派遣到火山上进行探测,机器人“探测一号”被送到火星上探明人类进入太空之路;生活中,机器人还可以进入医院和家庭,担任“护士小姐”和保姆……1981年春,在日本东京一家大百货公司里,有个“女演员”在做动人的演唱。她身穿低胸连衣裙,露出雪白的大腿,手持吉他,自弹自唱;那迷人的声音,生动的表情,柔和的动作,引得顾客纷纷驻足。当一些观众情不自禁地上前同她握手时,才发现她是模仿美国影坛巨星梦露制作的机器人。
美国加州大学制作的一个叫“甜心”的机器人,更是美丽动人,而且会倒咖啡。德国一位发明家用l00千克的废料制成“美女”机器人,曲线玲珑,黑发蓝眼,还有一个动听的名字:“莉迪雅小姐”。她会做家务,会打电话,还会把早餐端到发明家身边。发明家将她作为“情侣”,常常挽着她的纤腰到公园里散步。
日本科学家研制的“美女”机器人仿人型机器人在我国也叫智能型机器人。智能机器人是人的模型,它具有感知和理解周围环境,使用语言,推理和规划以及操纵工具的技能,并能通过学习适应环境,模仿人完成某些动作。
机器人是一种适应性和灵活性很强的自动化设备,是人类20世纪的一项重要发明。
1969年,美国斯坦福研究所进行了机器人研究史上最引人注目的“猴子摘香蕉”实验。斯坦福研究所研制的机器人,接受了把房间中央高台上箱子推下来的任务。起初机器人绕高台转了20分钟也无法“爬”上去,最后,它终于“看”到房子一角放着块斜面板,便把它推到高台边,沿斜面板登上高台,把箱子推了下来。说明机器人具有了利用工具的能力。
第一代机器人具有记忆功能,能往返重复操作。第二代机器人具有触觉和视觉的简单功能。能从杂乱的工作中选出所需的零件,装上机器并配有移动机构,可在小范围活动。第三代即智能机器人。
家用智能机器人能听懂人的简单命令,能与人简单对话,能在陈设家具的房间内灵巧地行走,能定时唤醒主人,会用吸尘器打扫卫生,用电熨斗熨衣服,会烧水、做饭、洗衣、洗碗。空闲时还会陪小孩玩耍。会热情有礼貌地招待客人,必要时还会帮助修理汽车。
工业用智能机器人,具有相当于人的眼、耳、口、手腕和脚的机能,可以完成许多工作。护理机器人,能为残疾人倒水喝、开收音机、放录音带、拨电话等。残疾人通过安装在残疾人轮椅上的控制系统,可以指挥机器人完成各种动作,控制系统可以手控、自控、声控或程控。四肢残疾的人还能通过头部的动作指挥机器人。
手术机器人正在为病人做手术手术机器人,对脑外科手术和肝脏等精细手术,非常有效。使用手术机器人,几乎可以不伤及患者的健康组织。实现安全手术还不算,而且可进一步发展成远程手术,例如,对远离大陆的海岛上的患者或是航行在船上的患者施行手术。手术机器人将会给外科手术带来重大变革。这种机器人实际是用计算机控制的特殊手术台,它可将患者的头部或足以及其他需要治疗的部位固定在手术台上,台上的特别细的针管会自动插入人体的手术部位。针管的后端装备有激光手术刀和吸抽人体组织物的设备。当针管在刺入患部之前,受计算机定位控制,在小型伺服驱动电机的带动下,针管能准确地插入人体的患病部位,实现手术治疗。
这种控制相当复杂,并且要求各种传动装置具备很高的精度和上下、左右及前后各方向的移动自由度。
例如,利用机器人进行人脑手术时,根据头部的核磁共振断层图像数据用快速计算机合成患者脑部的立体图像,对脑掌管视觉、语言等重要功能的区域预先指明,控制针管准确地插入到需治疗的患病处而不损坏重要的健康脑组织,实现安全治疗。
迄今,智能机器人不仅在工业上得到广泛应用,而且已进入医院、家庭、商业、交通、银行、保安、消防、教学等领域。它们不怕冷热,不知疲劳,不怕危险,具有某些比人强大的功能,在宇航、国防、警察和保安系统中已大显身手。
划时代的万维网
当你在感叹互联网为现代人生活带来的浩瀚资源、广泛用途和巨大便利时,可曾想过这究竟得益于谁的贡献。其实,自互联网诞生三十多年来,不少先驱人物都为其革命性发展立下过汗马功劳,其中尤其值得一提的便蒂姆·伯纳斯—李是英国科学家蒂姆·伯纳斯—李爵士。
1955年,伯纳斯—李出生于伦敦一个计算机世家。其父母均曾参加过世界上第一台商业化计算机“费伦蒂·马克一号”的研发工作,并且从小就注重培养其想象思维,教育他凡事都可打破条条框框,不必拘泥于固有模式。
1973年,伯纳斯—李考入世界著名学府牛津大学的女王学院,攻读物理专业。他之所以选择这一学科,是因为自己认为物理学很有意思,是数学和电子学之间的一种“恰如其分的折中”。另外,这一专业“事实上也为我后来全球体系(万维网)的创造打下了良好的基础”。
有媒体报道说:他在大学期间曾因“黑客行为”而被校方禁止使用计算机。伯纳斯—李对此报道表现得十分不以为然。
他说:“当时计算机主要是放在核物理实验室里。学校规定,本科生只能在学习时使用计算机。我和几位同学一起将其用于了其他用途,确实违反了规定,但这是为了一项慈善活动。不过,这样也不错,这激发了我制造自己的计算机的欲望。”确实,此事过后不久,他就用一台老电视、一个旧的摩托罗拉微处理器和一根焊接棒,自己动手组装了一台计算机。二十多年后,伯纳斯—李与母校似乎也化干戈为玉帛,牛津大学为表彰其杰出的科技成就而授予他荣誉博士学位。
1980年,伯纳斯—李临时受聘于日内瓦的欧洲粒子物理研究所,从事为期半年的软件工程师工作。当时,尽管互联网已经问世十一年,但却毫不普及,仍为美国联邦政府机构以及少数计算机专家所独有。整个互联网也与今天的面目迥然不同,既没有浏览器和统一资源定位器,也没有互联网网址。互不兼容的网络、磁盘格式和字符编码方案等,使在系统之间传送信息的任何努力都付之东流。
与此同时,欧洲粒子物理研究所内部随着业务的扩展,文件也在不断更新,再加上人员流动很大,很难找到相关的最新资料。在此环境下,伯纳斯—李编写了供他个人使用的第一套信息存储程序,并根据自己孩提时代在伦敦郊外父母家中发现的一本维多利亚时代百科全书的名字将其命名为“探询一切事物”。这构成了日后万维网的雏形。
如今“WWW”的身影已无处不在1984年伯纳斯—李又回到欧洲粒子物理研究所担任研究员,并于1989年提出要建立一个全球超文本项目——万维网(WWW),以此作为一种浏览和编辑系统,使科研人员乃至没有专业技术知识的人都能顺利地从网上获取并共享信息。
对于自己如何会萌发这一影响到未来人类文明发展的构想,他回答说:“网络梦的背后,是为了创造一个共同的信息空间。我们由此可以共享信息、相互沟通。其通用性至关重要,超文本链接可以通向任何事物,无论是个人的、本地的还是全球的,无论是粗略的初稿还是经过精心编辑的。”
1991年夏天,万维网正式登录互联网。它的诞生给全球信息的交流和传播带来了革命性的变化,为人们轻松共享浩瀚的网络资源打开了方便之门。从这一刻起,互联网与万维网才开始以前所未有的飞快速度同步发展。此后五年中,全球互联网用户从60万人猛增至4000万人,其中一个时期的增长速度甚至达到了每53天翻一番的最高水平。
正如芬兰技术奖基金会评委会主席、国际电信联盟前秘书长佩卡·塔里扬在颁奖仪式上所说,“伯纳斯—李的发明完美体现了本奖项的精神。万维网鼓励人们建立新型的社会关系,促进透明度和民主,并为信息管理和企业发展开辟了新途径。”
几乎与万维网的发明同样意义深远的是,伯纳斯—李决定向全球任何一个角落完全无偿地提供自己的创新设计。他说:“如果我当时要求收费,就不会有今天的万维网,而是会冒出大大小小无数的网络。”至今,他依然坚持着自己当年的理念,坚决反对全球专利权和版权保护的泛化趋势。
他认为,对软件的专利保护已经危及到推动互联网技术发展的核心要素。“目前问题的关键在于,软件开发的精神是什么。只要你能想到,你就可以编写出计算机软件将其付诸实践,这才是无数杰出的技术进步的灵魂所在。对软件专利加以严格限制或者完全取消,确实至关重要。”
2004年6月,伯纳斯—李以其“改变人类文明进步”的创新,无可争议地被授予第一届“千年技术奖”,同时获得高达100万欧元的奖金。“千年技术奖”由芬兰技术奖基金会颁发,虽刚刚创立但已被誉为芬兰的诺贝尔奖。
也许有人认为,伯纳斯—李一定是像微软的比尔·盖茨、亚马逊的杰夫·贝佐斯或雅虎的杨致远等信息革命中一个个弄潮儿那样,早已成为一夜暴富的亿万富翁。
其实不然,伯纳斯—李自始至终都是无偿地向社会和公众开放其研究成果,从来没有为个人发明申请过专利或限制其使用,自己也从未利用其赚取分文。因此,这笔奖金对他来讲决非可有可无。他说:“尽管我们还没有认真考虑过如何使用,不过我想我们绝不会将其拿来挥霍。我们会用它去做一些老套、乏味的事,比如孩子的教育等。另外,我们需要一个新厨房也已经很长时间了。”
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