驾驭电子(下)

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电子技术领域的发明,拓展了人类获取自然信息的空间尺度.20世纪30年代,科学家开始突破光学显微镜的局限,深入更小的微观世界观察病毒和原子；开始通过电磁波获取光学望远镜无法得到的太空天体信息.

1931年,德国科学家卢斯卡（1906-1988）发明了电子显微镜,利用电子代替光线观察细小的物体.在以往的光学显微镜中,透镜放大率受到光的波长限制,当被观察样品的尺寸与光的波长相近时,光线不再遵循直线传播的规律,图像出现模糊的光斑,透镜所产生的图像不再是样品本来的样子.光学显微镜的放大率一般不能高于2000倍,这一限制已困扰科学家200年,使许多微观领域的研究止步不前.

卢斯卡的发明源于电子物理特性的基础研究.1924年,意大利物理学家德布洛伊（1892-1987）曾发现电子具有波动性.电子可以像光线那样成像,激发了人们产生制造电子显微镜的联想.卢斯卡使真空中聚成细束的电子在静电场和磁场的作用下偏转,快速穿透制成薄片的样品,以扫描的方式投射在阴极射线管的荧光屏上,呈现出样品放大的图像.在电子显微镜中,经过高电压加速的电子,其波长仅为可见光的几万分之一,因而电子显微镜分辨率可比光学显微镜高几万倍,能够使样品放大100万倍以上,甚至可以看见单个的原子.由于电子显微镜可以在原子尺度观察微观世界,使人们得以进入材料科学和生命科学的新领域.2003年,当非典型肺炎（SARS）在许多地方肆虐的时候,电子显微镜帮助人们迅速地找到了元凶——SARS冠状病毒.

1931年,年轻的美国工程师央斯基（1905-1950）在研究短波无线电通信干扰时,从接收装置的耳机里听到一种轻微的吱吱声,这种声音几乎每天都会出现,而且约比前一天提前4分钟.央斯基的一位研究天文学的朋友提示他：“相对于太阳,地球自转一昼夜是24小时；而从遥远的恒星上看,地球自转一周需要的时间会短一些,因为银河系本身也在旋转.这种信号会不会来自太空?”央斯基连续观测了一年,最后确认这种无线电信号来自银河系的一颗恒星.这一发现开创了无线电天文学,科学家从此打开了另一扇窥测宇宙奥秘的窗口,人们开始通过天体发出的无线电信号了解它们.

通过分析来自太空的无线电信号,人们发现了许多用光学望远镜无法见到的星体,观测到太阳发出的变化无常的无线电信号；人们探测到木星大气中剧烈的风暴；还探测到宇宙大爆炸之初产生的电磁波辐射,这些电磁波信号在太空中经过100多亿年才到达地球,通过它们,科学家描绘出了宇宙诞生之初的景象.

20世纪30年代中期,科学家发明了雷达.利用雷达,人们可以通过电磁波搜索发现远方的飞机或船舶,并且能够迅速得知它们的距离和航向.

1935年2月,英国科学家第一次利用雷达发现了12千米之外于3000米高空飞行的一架轰炸机.1936年,法国和德国开始在船舶上装备航海雷达,用于防止在迷雾中航行的船只相撞,避免船舶夜航遭遇冰山,也便于尽早发现从水上偷袭的敌舰.

早在20世纪20年代初期,科学家就已经发现了导电的物体会反射电磁波.有科学家从地面垂直向天空发射电磁波,并在短暂的间隔后接收到天空反射的信号.通过计算电磁波在空气中的传播速度和信号的时间差,科学家发现,在离地面50千米以上的地方存在着反射电磁波的物质,这就是电离层.

1922年,马可尼曾提出研制雷达的构想,但当时使用的无线电波频率不够高,波长比飞机和船舶的长度大得多,电波的反射很不明显.而且,发出的无线电波强度不够,反射回来的电磁波信号十分微弱,无法检测.大约经历了10年时间,由于电子技术的进步,人们能够发射强度足够强、频率足够高的信号,并可成功地处理返回的微弱信号,精确测量电磁波往返时间,制造雷达的构想成为现实.

第二次世界大战刚刚开始的时候,英国的雷达警戒系统建设尚未完成,面对纳粹德国的空袭,伦敦当局曾组织盲人到寂静的地方监听空中异常声响,希望借助盲人灵敏的听觉及早发现空袭的危险.但自从英国在东海岸和南部海岸建成雷达监测网之后,情况就发生了变化.1940年8月,德国出动大批飞机轰炸英国,这些飞机在距英国本土120千米的地方即已被雷达发现,尚未投弹就遭遇英国空军和高炮拦击,德国在一个月中损失了950架飞机.此后,德军再次出动500架飞机轰炸英国,而英军依靠雷达提供的信息,出动不多的战斗机便击落了185架德军轰炸机.1940年7月到1941年5月期间,英军在雷达的帮助下用仅有的700架防空歼击机,挫败了德军2400架飞机在空中的进攻.1940年,英国研制出搜索精度更高的微波雷达控制高炮自动跟踪敌机,使高炮由战争初期数千发炮弹击落一架飞机,提高到数十发击落一架,命中率提高了100倍.

继军用电台之后,电子技术再次用于军事,雷达迅速成为应对敌方空中袭击的预警装置和进行攻击的引导设备.

1945年,人类发明电子计算机.从此,机器开始介入人类智力活动,人们难以估计它们将在多大程度上影响人类未来.

早在17世纪,人们即已开始研究能够进行数学计算的机器.300年来,人们遇到的最大难题是用于计算操作的零部件的运作速度太慢,远不及人脑.然而,自从电子管发明之后,人们发现可利用电子管工作状态的快速变化,替代机械计算器中零部件空间位置和相互关系的变化,能够以电信号表示计算过程中的数据,通过控制电信号的变化完成计算.由于电子运动过程几乎没有惯性和滞后,因此这种机器可以进行以前无法想象的高速运算.

1942年8月,美国宾夕法尼亚大学莫克莱教授（1907-1980）受命为美国军方研制计算火炮弹道的计算机,并于1945年获得成功.这台计算机的全称是“电子数值积分计算机”,使用了1.8万个电子管、1500个继电器、7000个电阻和1.8万个电容器,每秒钟能进行5000次加法运算,比当时的电动机械式计算机快1000倍.

1946年,从匈牙利移居美国的科学家诺依曼（1903-1957）提出一种新方案,对电子计算机进行重大改进：计算机不再按十进制计数系统操作而改为二进制；用电子管“导通”和“截止”两个状态,分别表示二进制数中的基本单元“0”和“1”,电子管的工作状态直接同参与运算的数字对应；计算过程必须遵循的程序和参与计算的数据预先共同存入计算机,运算过程全部由计算机自动控制,人不再干预.这些改进使得计算机运算速度迅速提高. 诺依曼的发明奠定了现代电子计算机的基础,使其不仅成为有力的计算工具,而且开始在人类活动的许多重要领域担当处理信息的重任.

从20世纪中期开始,人们对电子的兴趣渐渐从真空环境转向物质内部.1947年12月,电子技术发生了一次重大变革,三位科学家在实验室里发明了晶体管,人们找到了优于真空三极管的电信号放大器件.

在此前的40年间,真空三极管已经成为各种电子设备的核心器件,但仍然存在一系列难以解决的问题：一是耗电太多.每个电子管都需通电流加热灯丝,使阴极达到1000℃左右才能正常工作,1万个电子管构成的计算机的耗电大约为100千瓦,大约相当于500户人家的照明用电功率,电子设备必须携带庞大的供电电源,使用很不方便.二是体积大.电子管的电极必须装在抽成真空的密封玻璃壳里,电子管难以小型化.稍复杂一些的电子设备即大得像一间房子,无法随身携带.三是不耐用.灯丝有一定的使用寿命,玻璃壳容易破碎.四是启动迟缓,需预热.电子管灯丝必须加热一段时间才能达到所需的发射电子的温度,不能做到开机即工作.上述问题不可能通过改进工艺解决,它们是电子管固有的缺陷,人们急切希望找到替代它们的新发明.

美国理论物理学家巴丁（1908-1991）和肖克莱（1910-1989）在深入分析电子在半导体材料中的运动规律后,提出了用半导体材料设计制造晶体管的构想.在实验物理学家布拉顿（1902-1987）的配合下,他们用锗半导体材料制成了具有放大电信号能力的晶体管.这种晶体管没有易碎的玻璃管,没有需要加热的灯丝,不需要抽真空,通电即能工作,体积可以小得像一粒芝麻,耗电不足电子管的1%,用几节干电池就可以工作.

晶体管克服了真空三极管存在的问题,且具有真空三极管的一切主要功能,被人们戏称为“三条腿的魔术师”.晶体管问世之后,不可胜数的轻便小巧的电子设备应运而生,例如心脏起搏器、助听器和袖珍式半导体收音机等.与此同时,电子计算机迅速步入小型化历程.

然而,利用锗半导体材料制造的晶体管存在两个缺陷：一是在空气中锗容易氧化,二是随着温度升高,锗半导体材料的物理特性会发生变化,使晶体管漏电甚至无法工作.1954年,美国得克萨斯仪器公司的工程师改进制造高纯度单晶硅技术,发明了利用硅半导体材料制造的晶体管,解决了锗晶体管存在的问题.由于硅在地球上的储量极为丰富,用硅制成的晶体管特性稳定,工作十分可靠,所以硅晶体管几乎在所有应用领域,迅速取代了锗晶体管.

1958年,得克萨斯仪器公司年轻的工程师基尔比（1923-2005 ）想出一个很好的主意,通过在硅片的特定区域掺入不同的元素,改变其导电性,做成电阻；再在硅片表面形成的氧化层特定区域镀金属膜,做成电容；然后按照电路设计要求将它们相互连接,成为一个微缩在硅片上的电路,人们称之为集成电路.肉眼无法看清这种集成微缩电路的结构,在显微镜下,它就像是一座道路纵横、建筑林立的城市.

集成电路的发明是电子产品工艺技术的一次革命,进一步减小了电子设备的体积,由此,电子产品变得更轻、更小.由于不同的电子元件大部分可以在同一块硅片上制造,相互紧密连接在一起,因而减少了元件失效和引线断裂的可能性,提高了电子设备的可靠性,也降低了电子产品制造成本.为充分体现集成电路的优越性,人们竞相改进工艺,努力在同样尺寸的硅片上制造更多的电子元件.20世纪60年代初期,人们只能制作一块包含几十个元件的小规模集成电路；20世纪70年代后期,人们已经能够在面积30平方毫米的一块硅片上集成13万个晶体管；20世纪90年代以来,超大规模集成电路技术迅速发展,人们已经能在一块指甲盖大小的硅片上制作包含500万个晶体管的集成电路,其功能相当于250台1945年发明的电子计算机.而当年第一台计算机重30吨,需占用两间房屋.

用集成电路制造的电子装置如家用电子计算机、手机等,廉价、小巧、可靠、方便,令人们对电子技术刮目相看,电子技术迅速扩展到人类活动的众多领域,有效地提高了人类活动水平.

电子技术的进展,牵动了光学的飞跃.1960年,美国物理学家梅曼（1927-2007）在实验室里发明了一种奇特的光.这种光非常强,比太阳投射到地球上的光亮1000万倍,能聚成细束从地球投射到38万千米之外的月球,可以在月球表面产生明亮的光斑.

梅曼所用的办法,是通过气体放电管产生强烈辉光（当时他用的是螺旋形玻璃管中的一种惰性气体氙气放电）照射红宝石,红宝石中的电子在获得额外能量后跃迁到另外的轨道,处于暂时稳定状态,之后又突然集体恢复至原来状态并发出强烈的光,这就如同人们把亿万个小铁球从地上拿起,放在架子上,如果它们同时落地就会发出震天的响声.由于这种光需要激发才能产生,因此被称之为激光.

从前,光对人类的意义仅限于光合作用和照明,阳光造就了地球上的食物链,人们借助光获取外部世界信息.激光发明之后,光被赋予新的功能.它可以切割坚硬的材料,可熔化难熔的金属,可在一瞬间洞穿飞机.它可以帮助医生进行外科手术,譬如迅速切开皮肤,同时烧灼封闭切断的血管避免流血；又譬如焊接脱落的视网膜,使患者重见光明.激光还可以在非常细的凹凸刻痕上反射,读取存储在光盘上的信息.一张薄饼大小的塑料光盘可以存储时间长达几个小时的电影和音乐,可以存储一部百科全书的内容.激光还可以发现超速的车辆,测量足球在空中飞行的速度,等等.初步估算,激光至少有100种以上新的重要用途.

激光诞生10年之后,开始促进人类通信技术变革.1970年,华人高锟和英国人霍汉克两位物理学家发明了光纤通信技术,成功地使用比头发丝还细的玻璃纤维,长距离传输语音、图像和文字信息.由传输信息的内芯和防止光线外逸的包层构成的光纤,可以把携带信息的光信号约束在包层之内传输；捆扎在一起相互紧贴的光导纤维互不干扰,光各走各的通路,就像相互绝缘的电缆线传输电信号一样；在光导纤维中传输的信号,不会受到无处不在的电磁波干扰. 在使用光纤通信的时候,人们首先将需要传输的信息转换成相应的光信号,差不多沿着光纤轴线方向入射的光线从端部进入光纤之后,在内芯与包层的分界处发生多次全反射,沿光纤限定的路径传向远方；其到达终端以后,人们将光信号转换成相应的电信号,重新取得原有信息.

人们采用电磁波作传输信号的载体,其频率越高,能够承载的信息量越大.如果把电磁波比作运载货物的船,把信息比作装载的货物,则电磁波的频率好比是船的容量,频率高多少倍,能够传输的信息量就大多少倍.可见光是一种特殊频段的电磁波,它的频率比人们通常使用的微波高数万倍以上,一根细细的光纤传输信息的能力,远远超过粗大笨重的电缆.

光导纤维诞生之际,正逢激光技术成熟之时,人们将两者结合,迅速使光纤通信技术实用化.光纤通信在1977年进入实用阶段.20世纪80年代,世界各地开通的光纤通信线路已经超过1000条.1988年,第一条穿越大西洋连接美国东海岸和欧洲的光缆开通；1989年,穿越太平洋,连接美国西海岸和日本、菲律宾的光缆开通.今天,光纤通信已经成为全球通信系统重要的组成部分.

20世纪后半叶,由于电子计算机和光纤通信技术的进展,本来相互独立的信息传输体系和信息处理系统开始融为一体,酝酿人类信息交流方式的革命性变化.

1968年,美国国防部提出建立计算机网络的设想.到1972年,美国建成了四个计算机网络系统.使用这些网络,人们可以互通电子邮件.1980年,全世界越来越多的计算机开始通过线互相联结,组成了一个巨大的机器网络,共享信息资源.此后,这个网络迅速扩大并于1993年开始对全球公众开放,它就是现在人们所说的国际互联网,又称作“因特网”.“因特”一词,是英文缩写词Inter的音译.如今因特网已经覆盖212个国家和地区,数以亿计的人在使用它.

因特网为人们提供了一个划时代的信息媒体,每天向人们提供包罗万象、瞬息万变的信息.人们可以在任何时间、任何地方,就任何内容在网上浏览所需信息或与别人交流.在因特网中,信息以光的速度流动,人们获取信息不再受制于交通工具,不必长途奔波、千里劳顿,因特网有效地提高了人类活动的效率.有人形象地比喻：19世纪是铁路的时代,20世纪是高速公路的时代,21世纪是因特网的时代.如果说电视的发明缩短了人类与世界的距离,因特网的发明则缩短了人类与知识的距离,缩短了人类个体与群体之间的距离.因特网的出现被看作人类进入信息时代的标志.

短短100年间,电子学领域的发明几乎影响到人类活动的一切方面.如果地球上的电子在一瞬间突然不辞而别,今天的人类真不知如何是好.（未完待续）