书城教材教辅中学理科课程资源-探寻物理起源
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第19章 电报的发明(1)

通信是人类社会存在最基本的条件之一,在社会的进步和发展中起着至关重要的作用。在人类通信史上,电报的发明是信息传递技术的重大突破,引起了通信技术的第一次革命。电报的应用成为电磁波为人类服务的开端,也成为人类进入电气时代的重要标志。尽管它的诞生距今已一个半世纪了,但电报对人类社会的深远影响仍在继续,在未来的社会发展中,电报以及电报发明所引申出来的一系列通信手段的重大变革,必将日益显示出其强大的生命力,在社会生产、生活中发挥着不可替代的作用。电报发明、发展的历史源远流长,像所有技术发明一样,电报的问世也经历了一个技术孕育、诞生、发展、成熟的历史过程。

一、历史的足音

任何一项技术发明都是一个认识的不断深化和实践的积累过程,电报也是在这个过程中发生的一次技术革命。技术自身进步因素和社会发展需要推动着人类通信方式的历史演进。因此,要想了解和认识电报发明的历史,必须追溯到人类早期通信方式的变革。

1.早期的信息

传递通信是伴随着人类产生而出现的一种信息传递现象,它离不开传输信号和传输手段。人类通信方式的演变,也正是同时从改进传输信号和传输手段这两方面进行的。

在早期的社会通信中,人们使用的传输信号都是直观形象的,如语言、表情、手势、旗帜、锣鼓、结绳记事、消息树等。为了适应远距离通信的需要,提高信号的抗干扰能力,人类又想出了“中继通信”的办法。我国古代人民在万里长城上每隔几十里就筑起一个烽火台,当一台烽火燃起,相邻的一台得到信息后也继而点燃烽火,一台一台传递下去,最后将消息传到目的地。“驿站”传信也是中继通信的一种方式。驿站是古代国家统治者设置的传递信息的专门机构,在每条重要的交通线上设置几个固定地点提供传信的车马、宿舍、饮食,它担负着“通达边情,布之号令”的职责。同以往通信方式相比,驿站传信的传输信号更具有连续性、及时性、严密性的特点。我国设置驿站之始是在春秋战国时期,《孟子》中说:“速于置邮而传命。”这里的“邮”就是指“驿站”。《左传》记载:“楚子重驿会师。”可见先秦之世,就有了驿传的制度。唐朝时,这一设置的效率就更高了。据说,杨贵妃很喜欢吃荔枝,唐玄宗就是借严密的驿传制,把南方的新鲜荔枝迅速送到京师长安,供贵妃享用。随着科学技术的进步,人类社会产生了文字。文字的出现在人类通信史上有着极为重要的意义,它不但使人类通信范围扩大了,而且使社会信息能长期贮存下来,为后人所用。造纸术和印刷术的发明则是人类通信史上的又一重大变革,从而信息传输信号的准确性加强了,信息传输效率也得到了进一步提高。

早期的信息传递手段也是比较简单的,主要是用人体本身或人体与工具的简单结合,如徒步、骑马、乘车船、举烽火、发弓箭等。马拉松长跑就是古代人运用人体本身来传递信息的典型事例。马拉松赛跑的名字来源于马拉松战役。公元前490年9月27日下午,波斯帝国10万大军入侵希腊,军队在雅典境内东北部的马拉松海滩登陆布阵。由于当时正逢一个重要的宗教节,雅典将领不能及时搬到救兵,只好单独迎敌,总兵力不过1万人。但是,由于雅典军队统帅密尔铁亚迪斯用兵如神,以及城邦战士的英勇作战,希腊方面仅以牺牲192人的代价击溃了波斯军队。为了把这一重大胜利的喜讯尽快报告给首都雅典,传令兵菲利薄斯不顾伤痛和疲劳,凭着他健壮的体魄和善于奔跑的耐力,主动承担报喜重任,接过司令官手中的火把向雅典疾奔。当他跑到雅典城的中心广场时已筋疲力尽,他用最后的力气高举火把欢呼:“庆贺吧!欢呼吧!我们胜利了!”随后便倒在广场上安然长逝。为了纪念这位英雄,人们把从马拉松到雅典体育场的赛跑作为一个体育项目,并把两地问的距离42.195公里定为马拉松赛程。

2.电报发明的前奏

为了提高通信的效率,人们不断地寻求一种更高层次的传输信号和手段。到了19世纪初资本主义自由竞争阶段,大工业生产迅速发展,工厂增多,贸易扩大,竞争变得异常激烈。商品的信息、交易所的股票行情、对外贸易状况、政治军事的指挥和联络等活动瞬息万变,信息来源越来越多,整个社会需要形成一个相互联系的信息网络,而原有的通信手段和方式已远远不能满足当时社会发展的需要。人们开始思考从整体上改进通信系统,一种快速传递信息的通信手段成为社会进步的必然要求,当时的历史背景形成了电报发明的社会动力。社会条件固然是每一项科学突破不可缺少的动力源,然而新事物的产生不仅有其必然性,还要有其诞生的可能性。当时的自然科学条件为电报的发明提供了技术动力。

每一项技术发明都必须经过充分的技术准备,离不开理论的指导和实践的积累。电报的产生也遵循着这一规律。19世纪电磁学的研究为电能的开发和应用奠定了理论基础。

1820年,丹麦物理学家奥斯特在做电流实验中第一次把电和磁联系起来,发现了电流的磁效应;同年法国物理学家安培提出了“应用电磁效应传递信息”的设想;

1831年法拉第发现电磁感应定律,标志着电磁学的创立。运用电和磁来传递信息孕育了电报发明的生长点。电报发明的先驱者们为实现这个伟大的目标,进行了大量艰苦的实践探索。

早在18世纪中叶,人们就开始了用电通信的实验操作。1736年,苏格兰修士戈登设计过一种利用轻质荷电体排斥力的电信号装置,这是最早有关电报的工程设计。

1753年,摩尔逊运用静电感应原理,设计了一种用26根导线分别传送26个英文字母的机器,在代表字母的导线一端通上电,在导线另一端就会立刻出现相应的表示。这种装置又称为静电电报,这种传送信息的方法很费导线,而且用静电感应信号传送距离不远。

1790年法国的佳普发明了一种视力信号机。

1800年,意大利科学家伏打发明了电池,从此人们可以获得连续不断的电流了。

1804年,西班牙工程师沙尔伐利用电解原理以伏打电池作电源研制出第一部电化学电报机。

1809年,德国人赛梅林、英国化学家戴维等人也先后独立研制出各种电化学电报机,但由于导线数量多、传递速度慢以及容易发生错误,缺乏实用价值而没有得到应用和推广。

1822年,斯契林开始研制单针电报机,并发明了一套电报电码。随后,俄国科学家许林格运用奥斯特的理论和安培的设想,设计了一种编码式电报机,只用8根导线,就可传送全套俄文字母和10个阿拉伯数码。他设计的装置所用导线数量明显减少了,比前人又迈出了新的一步。

1831年,奥尔巴尼的亨利用电磁吸引原理来接收远距离信号。在此前后,俄国外交官稀林依据电流可使磁针发生偏转原理,在慕尼黑发明了一台用6个磁针的偏转来表示文字的磁针式电报机。这台电磁电报机用6根导线把收、发机连接起来,能在相距不远的大楼之间建立电报通信。

1833年,德国科学家高斯和韦伯研制出能在实验室使用的电磁式电报机。

1836年,英国发明家库克与物理学家惠斯通合作试制成可实际使用的五针式电报机,电报通信效果良好,后来,惠斯通又研制了使用方便的指针电报机,发报时只要把指针拨到表示的字母或数手,电报机便可工作,它首次应用于铁路部门并受到欢迎。

18世纪中叶起,从电通信的理论和实践研究一直到世界上第一份真正意义的电报的拍发,经历了一个接力赛式的探索过程。众多杰出的科学家、发明家进行了百折不挠、艰苦卓绝的奋斗,一步步走向成功的目标。电报研究的进展越来越快,这些成果的积累为电报的最后发明铺平了道路,奠定了基础。但由于这些电报机还很不完善,存在着应用范围小、导线数量多、不便利等局限性,未能得到大面积推广和使用,因此研制一种实用的电报机成为发明家们迫切追求的理想。

二、有线电报的问世

每一项技术突破都是以发明家为载体实现的,而每一个发明家又离不开科学共同体,正如牛顿所说:“我之所以看得远,是因为站在了巨人的肩膀上。”在人类通信史的第一次技术革命过程中,伟大的科学巨匠塞缪尔·莫尔斯和威廉·汤姆孙正是站在了巨人的肩膀上,为有线电报事业做出了突出贡献。

1.莫尔斯电报机

发明家在其预见的领域中事前受教育和惯例的约束越少,他摆脱思想束缚的机会就越多,发明的活力也就越强盛。当然在易获得创造性思维的同时,知识经验重新积累的矛盾也相伴而生。有线电报的发明正是这样一个辩证的突破过程。一个事物的发生和发展有其偶然性和必然性,即偶然中存在着必然。莫尔斯由一名出色画家成为闻名于世的电报发明家,便开始于一次偶然的机会。

1832年10月1日,一艘名叫“萨丽”号的邮船从法国勒阿弗尔港驶向纽约。一天傍晚,一个美国年轻医生,电学的爱好者查尔斯-杰克逊在餐厅里向旅客演讲,并展示了一个电磁铁装置。这个装置是一马蹄形铁块绕着绝缘铜线,当铜线通上电时,铁块就有了磁性。青年医生的话激起阵阵欢呼和议论声,人们陶醉于科学将要创造出电的奇迹的憧憬之中。此时,一位中年男子聚精会神地听着、看着,他被杰克逊的演说和实验深深地吸引、打动了。他就是41岁的美国著名画家莫尔斯。

1805年,莫尔斯考入耶鲁大学,专修美术,1810年毕业。一年后赴伦敦皇家学院留学,1815年回国,致力于绘画艺术,不久便成为一名一流画家。1826~1842年,他担任美国画家协会主席。莫尔斯不仅有着从事艺术的天分和悟性,还具备科学研究必不可少的科学素养。1829年,他开始了为期3年的漫游欧洲各国的生涯。3年的欧洲旅行,使莫尔斯了解到电磁学取得的重大进展。因此,当他在船上听杰克逊的演讲时,激发起对发明的强烈兴趣。

想象丰富是创造性思维的特征是一项技术发明的前奏。如果能用电磁感应传送信息,把相隔万里的人们瞬间联系起来,这对人类将是多么幸福的一件事啊!美好的想象激起莫尔斯从事研究的迫切愿望。对发明结果实现的欲望愈强,愈能使发明家高度热情而执着地为之奋斗,从而克服前进路上的重重阻力。当这个伟大而崇高的理想在脑海中确立后,莫尔斯毅然重新选择了未来的生活道路。这意味着他将牺牲自己锦绣的艺术前程,舍弃教授的舒适生活,而代之以一条艰难曲折的冒险道路。

然而,莫尔斯由一个纯粹的“门外汉”到一个地道的“内行人”的历程向世人展示了他非凡的勇气和决心。对于一个年过40,中途改行的画家来说,迈进一个完全陌生的领域困难重重,一切电磁学知识和机械制造技术必须从零学起。他一面刻苦自学,一面求师于美国科学家约瑟夫·亨利。半年后,莫尔斯初步掌握了电磁原理并制造了一块电磁铁,发明出一种“继电器”。在这期间,亨利用电磁铁做成电铃,可把信号传至1.6公里远。莫尔斯决定采用亨利的电报原理继续研究。在自己的小画室里,他画了一张又一张草图,做了一次又一次试验……,3年过去了,研究进展极为缓慢,积蓄几乎花光了,电报机却不见踪影。莫尔斯的长袜一双双都破烂不堪,帽子也陈旧过时了,甚至有时连买面包的钱都没有。连最起码的生活也难于保证,研究和发明自然无从谈起了。陷入困境的莫尔斯不得不重操旧业,仅仅是为了维持生存而丝毫没有放弃发明电报机的理想。他认真反省了自己的设计思路,仔细检查了以往所有的实验。经过痛苦的思考和反复琢磨,他终于悟出了以往人们的实验都是用多根导线或是磁针偏转的多种位置来代替不同字母的,设备庞杂,难以实现。

要想获得成功,必须改变传统的设计思路,寻求一种新的设计方法。多少个不眠之夜在莫尔斯深深的思考中过去了。灵感总是在持续的理性思考中以“惯性”的状态突然闪现出来,莫尔斯紧紧捕捉住这富有创造性的一刻,他在科学笔记上写到:“电流是神速的,如果它能够不停地走10英里,我就让它走遍全世界。电流只要停止片刻,就会出现火花,火花是一种符号;没有火花是另一种符号;没有火花的时间长又是一种符号。这里有3种符号可以组合起来,代表数字和字母。它们可以构成全部字母,文字就能够通过导线传送了。这样,能够把消息传到远处的崭新工具就可以实现了。”莫尔斯的构思带来了电报发明史上的重大突破,他设想出用点、划和空白的组合来表示字母。这样,只要发出两种电符号,就可以传送信息,莫尔斯规定了特定的点划组合,以表示不同的字母和数字,这就是至今仍在沿用的莫尔斯电码,也是电信史上最早的编码(如下图所示)。

莫尔斯这一构思上的突破大大简化了电报机的设计和装置,增强了它的实用性。在这一新的设计思路指导下,1837年,奠尔斯的电报机研制成功了,这是世界上第一台正式以“电报机”命名的装置,至今人们仍把这个装置称作“莫尔斯电报机”。技术的突破在很大程度上是科学研究方法的突破,在攀登科学高峰的过程中,当走传统道路举步维艰时,追求科学研究的艺术,打破人们的思维定势则更为重要,这也是莫尔斯的发明道路给我们的一点启示。

每一项新技术的发明在开始时总不是尽善尽美的,必然经历一段由丑小鸭到白天鹅的逐步完善过程。莫尔斯研制的这台电报机尽管比较粗糙,而且传递距离不超过12米,但它却标志着一种崭新的通信工具的诞生。多年的理想变成了现实,莫尔斯的激动心情是无法描述的,他申请了专利,并试图向社会推广这项技术发明,使电报机为人类社会服务。然而,莫尔斯却遭到了企业家们的拒绝和冷嘲热讽,甚至把莫尔斯耗尽心血研制成功的电报机当成一堆赚不了钱的废铁。