駕馭電子（下）

張開遜

電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明，拓展了人類獲取自然信息的空間尺度。20世紀(jì)30年代，科學(xué)家開始突破光學(xué)顯微鏡的局限，深入更小的微觀世界觀察病毒和原子；開始通過(guò)電磁波獲取光學(xué)望遠(yuǎn)鏡無(wú)法得到的太空天體信息。

1931年，德國(guó)科學(xué)家盧斯卡（1906-1988）發(fā)明了電子顯微鏡，利用電子代替光線觀察細(xì)小的物體。在以往的光學(xué)顯微鏡中，透鏡放大率受到光的波長(zhǎng)限制，當(dāng)被觀察樣品的尺寸與光的波長(zhǎng)相近時(shí)，光線不再遵循直線傳播的規(guī)律，圖像出現(xiàn)模糊的光斑，透鏡所產(chǎn)生的圖像不再是樣品本來(lái)的樣子。光學(xué)顯微鏡的放大率一般不能高于2000倍，這一限制已困擾科學(xué)家200年，使許多微觀領(lǐng)域的研究止步不前。

盧斯卡的發(fā)明源于電子物理特性的基礎(chǔ)研究。1924年，意大利物理學(xué)家德布洛伊（1892-1987）曾發(fā)現(xiàn)電子具有波動(dòng)性。電子可以像光線那樣成像，激發(fā)了人們產(chǎn)生制造電子顯微鏡的聯(lián)想。盧斯卡使真空中聚成細(xì)束的電子在靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)，快速穿透制成薄片的樣品，以掃描的方式投射在陰極射線管的熒光屏上，呈現(xiàn)出樣品放大的圖像。在電子顯微鏡中，經(jīng)過(guò)高電壓加速的電子，其波長(zhǎng)僅為可見光的幾萬(wàn)分之一，因而電子顯微鏡分辨率可比光學(xué)顯微鏡高幾萬(wàn)倍，能夠使樣品放大100萬(wàn)倍以上，甚至可以看見單個(gè)的原子。由于電子顯微鏡可以在原子尺度觀察微觀世界，使人們得以進(jìn)入材料科學(xué)和生命科學(xué)的新領(lǐng)域。2003年，當(dāng)非典型肺炎（SARS）在許多地方肆虐的時(shí)候，電子顯微鏡幫助人們迅速地找到了元兇——SARS冠狀病毒。

1931年，年輕的美國(guó)工程師央斯基（1905-1950）在研究短波無(wú)線電通信干擾時(shí)，從接收裝置的耳機(jī)里聽到一種輕微的吱吱聲，這種聲音幾乎每天都會(huì)出現(xiàn)，而且約比前一天提前4分鐘。央斯基的一位研究天文學(xué)的朋友提示他：“相對(duì)于太陽(yáng)，地球自轉(zhuǎn)一晝夜是24小時(shí)；而從遙遠(yuǎn)的恒星上看，地球自轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間會(huì)短一些，因?yàn)殂y河系本身也在旋轉(zhuǎn)。這種信號(hào)會(huì)不會(huì)來(lái)自太空？”央斯基連續(xù)觀測(cè)了一年，最后確認(rèn)這種無(wú)線電信號(hào)來(lái)自銀河系中央的一顆恒星。這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了無(wú)線電天文學(xué)，科學(xué)家從此打開了另一扇窺測(cè)宇宙奧秘的窗口，人們開始通過(guò)天體發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)了解它們。

通過(guò)分析來(lái)自太空的無(wú)線電信號(hào)，人們發(fā)現(xiàn)了許多用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡無(wú)法見到的星體，觀測(cè)到太陽(yáng)發(fā)出的變化無(wú)常的無(wú)線電信號(hào)；人們探測(cè)到木星大氣中劇烈的風(fēng)暴；還探測(cè)到宇宙大爆炸之初產(chǎn)生的電磁波輻射，這些電磁波信號(hào)在太空中經(jīng)過(guò)100多億年才到達(dá)地球，通過(guò)它們，科學(xué)家描繪出了宇宙誕生之初的景象。

20世紀(jì)30年代中期，科學(xué)家發(fā)明了雷達(dá)。利用雷達(dá)，人們可以通過(guò)電磁波搜索發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)方的飛機(jī)或船舶，并且能夠迅速得知它們的距離和航向。

1935年2月，英國(guó)科學(xué)家第一次利用雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了12千米之外于3000米高空飛行的一架轟炸機(jī)。1936年，法國(guó)和德國(guó)開始在船舶上裝備航海雷達(dá)，用于防止在迷霧中航行的船只相撞，避免船舶夜航遭遇冰山，也便于盡早發(fā)現(xiàn)從水上偷襲的敵艦。

早在20世紀(jì)20年代初期，科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電的物體會(huì)反射電磁波。有科學(xué)家從地面垂直向天空發(fā)射電磁波，并在短暫的間隔后接收到天空反射的信號(hào)。通過(guò)計(jì)算電磁波在空氣中的傳播速度和信號(hào)的時(shí)間差，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在離地面50千米以上的地方存在著反射電磁波的物質(zhì)，這就是電離層。

1922年，馬可尼曾提出研制雷達(dá)的構(gòu)想，但當(dāng)時(shí)使用的無(wú)線電波頻率不夠高，波長(zhǎng)比飛機(jī)和船舶的長(zhǎng)度大得多，電波的反射很不明顯。而且，發(fā)出的無(wú)線電波強(qiáng)度不夠，反射回來(lái)的電磁波信號(hào)十分微弱，無(wú)法檢測(cè)。大約經(jīng)歷了10年時(shí)間，由于電子技術(shù)的進(jìn)步，人們能夠發(fā)射強(qiáng)度足夠強(qiáng)、頻率足夠高的信號(hào)，并可成功地處理返回的微弱信號(hào)，精確測(cè)量電磁波往返時(shí)間，制造雷達(dá)的構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)。

第二次世界大戰(zhàn)剛剛開始的時(shí)候，英國(guó)的雷達(dá)警戒系統(tǒng)建設(shè)尚未完成，面對(duì)納粹德國(guó)的空襲，倫敦當(dāng)局曾組織盲人到寂靜的地方監(jiān)聽空中異常聲響，希望借助盲人靈敏的聽覺及早發(fā)現(xiàn)空襲的危險(xiǎn)。但自從英國(guó)在東海岸和南部海岸建成雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)之后，情況就發(fā)生了變化。1940年8月，德國(guó)出動(dòng)大批飛機(jī)轟炸英國(guó)，這些飛機(jī)在距英國(guó)本土120千米的地方即已被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，尚未投彈就遭遇英國(guó)空軍和高炮攔擊，德國(guó)在一個(gè)月中損失了950架飛機(jī)。此后，德軍再次出動(dòng)500架飛機(jī)轟炸英國(guó)，而英軍依靠雷達(dá)提供的信息，出動(dòng)不多的戰(zhàn)斗機(jī)便擊落了185架德軍轟炸機(jī)。1940年7月到1941年5月期間，英軍在雷達(dá)的幫助下用僅有的700架防空殲擊機(jī)，挫敗了德軍2400架飛機(jī)在空中的進(jìn)攻。1940年，英國(guó)研制出搜索精度更高的微波雷達(dá)控制高炮自動(dòng)跟蹤敵機(jī)，使高炮由戰(zhàn)爭(zhēng)初期數(shù)千發(fā)炮彈擊落一架飛機(jī)，提高到數(shù)十發(fā)擊落一架，命中率提高了100倍。

繼軍用電臺(tái)之后，電子技術(shù)再次用于軍事，雷達(dá)迅速成為應(yīng)對(duì)敵方空中襲擊的預(yù)警裝置和進(jìn)行攻擊的引導(dǎo)設(shè)備。

1945年，人類發(fā)明電子計(jì)算機(jī)。從此，機(jī)器開始介入人類智力活動(dòng)，人們難以估計(jì)它們將在多大程度上影響人類未來(lái)。

早在17世紀(jì)，人們即已開始研究能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的機(jī)器。300年來(lái)，人們遇到的最大難題是用于計(jì)算操作的零部件的運(yùn)作速度太慢，遠(yuǎn)不及人腦。然而，自從電子管發(fā)明之后，人們發(fā)現(xiàn)可利用電子管工作狀態(tài)的快速變化，替代機(jī)械計(jì)算器中零部件空間位置和相互關(guān)系的變化，能夠以電信號(hào)表示計(jì)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)，通過(guò)控制電信號(hào)的變化完成計(jì)算。由于電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程幾乎沒(méi)有慣性和滯后，因此這種機(jī)器可以進(jìn)行以前無(wú)法想象的高速運(yùn)算。

1942年8月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫克萊教授（1907-1980）受命為美國(guó)軍方研制計(jì)算火炮彈道的計(jì)算機(jī)，并于1945年獲得成功。這臺(tái)計(jì)算機(jī)的全稱是“電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)”，使用了1.8萬(wàn)個(gè)電子管、1500個(gè)繼電器、7000個(gè)電阻和1.8萬(wàn)個(gè)電容器，每秒鐘能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算，比當(dāng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)械式計(jì)算機(jī)快1000倍。

1946年，從匈牙利移居美國(guó)的科學(xué)家諾依曼（1903-1957）提出一種新方案，對(duì)電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行重大改進(jìn)：計(jì)算機(jī)不再按十進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)操作而改為二進(jìn)制；用電子管“導(dǎo)通”和“截止”兩個(gè)狀態(tài)，分別表示二進(jìn)制數(shù)中的基本單元“0”和“1”，電子管的工作狀態(tài)直接同參與運(yùn)算的數(shù)字對(duì)應(yīng)；計(jì)算過(guò)程必須遵循的程序和參與計(jì)算的數(shù)據(jù)預(yù)先共同存入計(jì)算機(jī)，運(yùn)算過(guò)程全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，人不再干預(yù)。這些改進(jìn)使得計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度迅速提高。

諾依曼的發(fā)明奠定了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，使其不僅成為有力的計(jì)算工具，而且開始在人類活動(dòng)的許多重要領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)處理信息的重任。

從20世紀(jì)中期開始，人們對(duì)電子的興趣漸漸從真空環(huán)境轉(zhuǎn)向物質(zhì)內(nèi)部。1947年12月，電子技術(shù)發(fā)生了一次重大變革，三位科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)明了晶體管，人們找到了優(yōu)于真空三極管的電信號(hào)放大器件。

在此前的40年間，真空三極管已經(jīng)成為各種電子設(shè)備的核心器件，但仍然存在一系列難以解決的問(wèn)題：一是耗電太多。每個(gè)電子管都需通電流加熱燈絲，使陰極達(dá)到1000℃左右才能正常工作，1萬(wàn)個(gè)電子管構(gòu)成的計(jì)算機(jī)的耗電大約為100千瓦，大約相當(dāng)于500戶人家的照明用電功率，電子設(shè)備必須攜帶龐大的供電電源，使用很不方便。二是體積大。電子管的電極必須裝在抽成真空的密封玻璃殼里，電子管難以小型化。稍復(fù)雜一些的電子設(shè)備即大得像一間房子，無(wú)法隨身攜帶。三是不耐用。燈絲有一定的使用壽命，玻璃殼容易破碎。四是啟動(dòng)遲緩，需預(yù)熱。電子管燈絲必須加熱一段時(shí)間才能達(dá)到所需的發(fā)射電子的溫度，不能做到開機(jī)即工作。上述問(wèn)題不可能通過(guò)改進(jìn)工藝解決，它們是電子管固有的缺陷，人們急切希望找到替代它們的新發(fā)明。

美國(guó)理論物理學(xué)家巴?。?908-1991）和肖克萊（1910-1989）在深入分析電子在半導(dǎo)體材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，提出了用半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)制造晶體管的構(gòu)想。在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布拉頓（1902-1987）的配合下，他們用鍺半導(dǎo)體材料制成了具有放大電信號(hào)能力的晶體管。這種晶體管沒(méi)有易碎的玻璃管，沒(méi)有需要加熱的燈絲，不需要抽真空，通電即能工作，體積可以小得像一粒芝麻，耗電不足電子管的1%，用幾節(jié)干電池就可以工作。

晶體管克服了真空三極管存在的問(wèn)題，且具有真空三極管的一切主要功能，被人們戲稱為“三條腿的魔術(shù)師”。晶體管問(wèn)世之后，不可勝數(shù)的輕便小巧的電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，例如心臟起搏器、助聽器和袖珍式半導(dǎo)體收音機(jī)等。與此同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)迅速步入小型化歷程。

然而，利用鍺半導(dǎo)體材料制造的晶體管存在兩個(gè)缺陷：一是在空氣中鍺容易氧化，二是隨著溫度升高，鍺半導(dǎo)體材料的物理特性會(huì)發(fā)生變化，使晶體管漏電甚至無(wú)法工作。1954年，美國(guó)得克薩斯儀器公司的工程師改進(jìn)制造高純度單晶硅技術(shù)，發(fā)明了利用硅半導(dǎo)體材料制造的晶體管，解決了鍺晶體管存在的問(wèn)題。由于硅在地球上的儲(chǔ)量極為豐富，用硅制成的晶體管特性穩(wěn)定，工作十分可靠，所以硅晶體管幾乎在所有應(yīng)用領(lǐng)域，迅速取代了鍺晶體管。

1958年，得克薩斯儀器公司年輕的工程師基爾比（1923-2005 ）想出一個(gè)很好的主意，通過(guò)在硅片的特定區(qū)域摻入不同的元素，改變其導(dǎo)電性，做成電阻；再在硅片表面形成的氧化層特定區(qū)域鍍金屬膜，做成電容；然后按照電路設(shè)計(jì)要求將它們相互連接，成為一個(gè)微縮在硅片上的電路，人們稱之為集成電路。肉眼無(wú)法看清這種集成微縮電路的結(jié)構(gòu)，在顯微鏡下，它就像是一座道路縱橫、建筑林立的城市。

集成電路的發(fā)明是電子產(chǎn)品工藝技術(shù)的一次革命，進(jìn)一步減小了電子設(shè)備的體積，由此，電子產(chǎn)品變得更輕、更小。由于不同的電子元件大部分可以在同一塊硅片上制造，相互緊密連接在一起，因而減少了元件失效和引線斷裂的可能性，提高了電子設(shè)備的可靠性，也降低了電子產(chǎn)品制造成本。為充分體現(xiàn)集成電路的優(yōu)越性，人們競(jìng)相改進(jìn)工藝，努力在同樣尺寸的硅片上制造更多的電子元件。20世紀(jì)60年代初期，人們只能制作一塊包含幾十個(gè)元件的小規(guī)模集成電路；20世紀(jì)70年代后期，人們已經(jīng)能夠在面積30平方毫米的一塊硅片上集成13萬(wàn)個(gè)晶體管；20世紀(jì)90年代以來(lái)，超大規(guī)模集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，人們已經(jīng)能在一塊指甲蓋大小的硅片上制作包含500萬(wàn)個(gè)晶體管的集成電路，其功能相當(dāng)于250臺(tái)1945年發(fā)明的電子計(jì)算機(jī)。而當(dāng)年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)重30噸，需占用兩間房屋。

用集成電路制造的電子裝置如家用電子計(jì)算機(jī)、手機(jī)等，廉價(jià)、小巧、可靠、方便，令人們對(duì)電子技術(shù)刮目相看，電子技術(shù)迅速擴(kuò)展到人類活動(dòng)的眾多領(lǐng)域，有效地提高了人類活動(dòng)水平。

電子技術(shù)的進(jìn)展，牽動(dòng)了光學(xué)的飛躍。1960年，美國(guó)物理學(xué)家梅曼（1927-2007）在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)明了一種奇特的光。這種光非常強(qiáng)，比太陽(yáng)投射到地球上的光亮1000萬(wàn)倍，能聚成細(xì)束從地球投射到38萬(wàn)千米之外的月球，可以在月球表面產(chǎn)生明亮的光斑。

梅曼所用的辦法，是通過(guò)氣體放電管產(chǎn)生強(qiáng)烈輝光（當(dāng)時(shí)他用的是螺旋形玻璃管中的一種惰性氣體氙氣放電）照射紅寶石，紅寶石中的電子在獲得額外能量后躍遷到另外的軌道，處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，之后又突然集體恢復(fù)至原來(lái)狀態(tài)并發(fā)出強(qiáng)烈的光，這就如同人們把億萬(wàn)個(gè)小鐵球從地上拿起，放在架子上，如果它們同時(shí)落地就會(huì)發(fā)出震天的響聲。由于這種光需要激發(fā)才能產(chǎn)生，因此被稱之為激光。

從前，光對(duì)人類的意義僅限于光合作用和照明，陽(yáng)光造就了地球上的食物鏈，人們借助光獲取外部世界信息。激光發(fā)明之后，光被賦予新的功能。它可以切割堅(jiān)硬的材料，可熔化難熔的金屬，可在一瞬間洞穿飛機(jī)。它可以幫助醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)，譬如迅速切開皮膚，同時(shí)燒灼封閉切斷的血管避免流血；又譬如焊接脫落的視網(wǎng)膜，使患者重見光明。激光還可以在非常細(xì)的凹凸刻痕上反射，讀取存儲(chǔ)在光盤上的信息。一張薄餅大小的塑料光盤可以存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)的電影和音樂(lè)，可以存儲(chǔ)一部百科全書的內(nèi)容。激光還可以發(fā)現(xiàn)超速的車輛，測(cè)量足球在空中飛行的速度，等等。初步估算，激光至少有100種以上新的重要用途。

激光誕生10年之后，開始促進(jìn)人類通信技術(shù)變革。1970年，華人高錕和英國(guó)人霍漢克兩位物理學(xué)家發(fā)明了光纖通信技術(shù)，成功地使用比頭發(fā)絲還細(xì)的玻璃纖維，長(zhǎng)距離傳輸語(yǔ)音、圖像和文字信息。由傳輸信息的內(nèi)芯和防止光線外逸的包層構(gòu)成的光纖，可以把攜帶信息的光信號(hào)約束在包層之內(nèi)傳輸；捆扎在一起相互緊貼的光導(dǎo)纖維互不干擾，光各走各的通路，就像相互絕緣的電纜線傳輸電信號(hào)一樣；在光導(dǎo)纖維中傳輸?shù)男盘?hào)，不會(huì)受到無(wú)處不在的電磁波干擾。

在使用光纖通信的時(shí)候，人們首先將需要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)，差不多沿著光纖軸線方向入射的光線從端部進(jìn)入光纖之后，在內(nèi)芯與包層的分界處發(fā)生多次全反射，沿光纖限定的路徑傳向遠(yuǎn)方；其到達(dá)終端以后，人們將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，重新取得原有信息。

人們采用電磁波作傳輸信號(hào)的載體，其頻率越高，能夠承載的信息量越大。如果把電磁波比作運(yùn)載貨物的船，把信息比作裝載的貨物，則電磁波的頻率好比是船的容量，頻率高多少倍，能夠傳輸?shù)男畔⒘烤痛蠖嗌俦?。可見光是一種特殊頻段的電磁波，它的頻率比人們通常使用的微波高數(shù)萬(wàn)倍以上，一根細(xì)細(xì)的光纖傳輸信息的能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)粗大笨重的電纜。

光導(dǎo)纖維誕生之際，正逢激光技術(shù)成熟之時(shí)，人們將兩者結(jié)合，迅速使光纖通信技術(shù)實(shí)用化。光纖通信在1977年進(jìn)入實(shí)用階段。20世紀(jì)80年代，世界各地開通的光纖通信線路已經(jīng)超過(guò)1000條。1988年，第一條穿越大西洋連接美國(guó)東海岸和歐洲的光纜開通；1989年，穿越太平洋，連接美國(guó)西海岸和日本、菲律賓的光纜開通。今天，光纖通信已經(jīng)成為全球通信系統(tǒng)重要的組成部分。

20世紀(jì)后半葉，由于電子計(jì)算機(jī)和光纖通信技術(shù)的進(jìn)展，本來(lái)相互獨(dú)立的信息傳輸體系和信息處理系統(tǒng)開始融為一體，醞釀人類信息交流方式的革命性變化。

1968年，美國(guó)國(guó)防部提出建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想。到1972年，美國(guó)建成了四個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。使用這些網(wǎng)絡(luò)，人們可以互通電子郵件。1980年，全世界越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)開始通過(guò)電話線互相聯(lián)結(jié)，組成了一個(gè)巨大的機(jī)器網(wǎng)絡(luò)，共享信息資源。此后，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)迅速擴(kuò)大并于1993年開始對(duì)全球公眾開放，它就是現(xiàn)在人們所說(shuō)的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，又稱作“因特網(wǎng)”?！耙蛱亍币辉~，是英文縮寫詞Internet的音譯。如今因特網(wǎng)已經(jīng)覆蓋212個(gè)國(guó)家和地區(qū)，數(shù)以億計(jì)的人在使用它。

因特網(wǎng)為人們提供了一個(gè)劃時(shí)代的信息媒體，每天向人們提供包羅萬(wàn)象、瞬息萬(wàn)變的信息。人們可以在任何時(shí)間、任何地方，就任何內(nèi)容在網(wǎng)上瀏覽所需信息或與別人交流。在因特網(wǎng)中，信息以光的速度流動(dòng)，人們獲取信息不再受制于交通工具，不必長(zhǎng)途奔波、千里勞頓，因特網(wǎng)有效地提高了人類活動(dòng)的效率。有人形象地比喻：19世紀(jì)是鐵路的時(shí)代，20世紀(jì)是高速公路的時(shí)代，21世紀(jì)是因特網(wǎng)的時(shí)代。如果說(shuō)電視的發(fā)明縮短了人類與世界的距離，因特網(wǎng)的發(fā)明則縮短了人類與知識(shí)的距離，縮短了人類個(gè)體與群體之間的距離。因特網(wǎng)的出現(xiàn)被看作人類進(jìn)入信息時(shí)代的標(biāo)志。

短短100年間，電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明幾乎影響到人類活動(dòng)的一切方面。如果地球上的電子在一瞬間突然不辭而別，今天的人類真不知如何是好。（未完待續(xù)）