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；開始通過電磁波獲取光學(xué)望遠鏡無法得到的太空天體信息。

1931年，德國科學(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限制，當被觀察樣品的尺寸與光的波長相近時，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束的電子在靜電場和磁場的作用下偏轉(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)過高電壓加速的電子，其波長僅為可見光的幾萬分之一，因而電子顯微鏡分辨率可比光學(xué)顯微鏡高幾萬倍，能夠使樣品放大100萬倍以上，甚至可以看見單個的原子。由于電子顯微鏡可以在原子尺度觀察微觀世界，使人們得以進入材料科學(xué)和生命科學(xué)的新領(lǐng)域。2003年，當非典型肺炎（SARS）在許多地方肆虐的時候，電子顯微鏡幫助人們迅速地找到了元兇——SARS冠狀病毒。

1931年，年輕的美國工程師央斯基（1905-1950）在研究短波無線電通信干擾時，從接收裝置的耳機里聽到一種輕微的吱吱聲，這種聲音幾乎每天都會出現(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：“相對于太陽，地球自轉(zhuǎn)一晝夜是24小時；而從遙遠的恒星上看，地球自轉(zhuǎn)一周需要的時間會短一些，因為銀河系本身也在旋轉(zhuǎn)。這種信號會不會來自太空？”央斯基連續(xù)觀測了一年，最后確認這種無線電信號來自銀河系中央的一顆恒星。這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了無線電天文學(xué)，科學(xué)家從此打開了另一扇窺測宇宙奧秘的窗口，人們開始通過天體發(fā)出的無線電信號了解它們。

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

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

1935年2月，英國科學(xué)家第一次利用雷達發(fā)現(xiàn)了12千米之外于3000米高空飛行的一架轟炸機。1936年，法國和德國開始在船舶上裝備航海雷達，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。通過計算電磁波在空氣中的傳播速度和信號的時間差，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的構(gòu)想，但當時使用的無線電波頻率不夠高，波長比飛機和船舶的長度大得多，電波的反射很不明顯。而且，發(fā)出的無線電波強度不夠，反射回來的電磁波信號十分微弱，無法檢測。大約經(jīng)歷了10年時間，由于電子技術(shù)的進步，人們能夠發(fā)射強度足夠強、頻率足夠高的信號，并可成功地處理返回的微弱信號，精確測量電磁波往返時間，制造雷達的構(gòu)想成為現(xiàn)實。

第二次世界大戰(zhàn)剛剛開始的時候，英國的雷達警戒系統(tǒng)建設(shè)尚未完成，面對納粹德國的空襲，倫敦當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。但自從英國在東海岸和南部海岸建成雷達監(jiān)測網(wǎng)之后，情況就發(fā)生了變化。1940年8月，德國出動大批飛機轟炸英國，這些飛機在距英國本土120千米的地方即已被雷達發(fā)現(xiàn)，尚未投彈就遭遇英國空軍和高炮攔擊，德國在一個月中損失了950架飛機。此后，德軍再次出動500架飛機轟炸英國，而英軍依靠雷達提供的信息，出動不多的戰(zhàn)斗機便擊落了185架德軍轟炸機。1940年7月到1941年5月期間，英軍在雷達的幫助下用僅有的700架防空殲擊機，挫敗了德軍2400架飛機在空中的進攻。1940年，英國研制出搜索精度更高的微波雷達控制高炮自動跟蹤敵機，使高炮由戰(zhàn)爭初期數(shù)千發(fā)炮彈擊落一架飛機，提高到數(shù)十發(fā)擊落一架，命中率提高了100倍。

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

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

早在17世紀，人們即已開始研究能夠進行數(shù)學(xué)計算的機器。300年來，人們遇到的最大難題是用于計算操作的零部件的運作速度太慢，遠不及人腦。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，替代機械計算器中零部件空間位置和相互關(guān)系的變化，能夠以電信號表示計算過程中的數(shù)據(jù)，通過控制電信號的變化完成計算。由于電子運動過程幾乎沒有慣性和滯后，因此這種機器可以進行以前無法想象的高速運算。

1942年8月，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫克萊教授（1907-1980）受命為美國軍方研制計算火炮彈道的計算機，并于1945年獲得成功。這臺計算機的全稱是“電子數(shù)值積分計算機”，使用了1.8萬個電子管、1500個繼電器、7000個電阻和1.8萬個電容器，每秒鐘能進行5000次加法運算，比當時的電動機械式計算機快1000倍。

1946年，從匈牙利移居美國的科學(xué)家諾依曼（1903-1957）提出一種新方案，對電子計算機進行重大改進：計算機不再按十進制計數(shù)系統(tǒng)操作而改為二進制；用電子管“導(dǎo)通”和“截止”兩個狀態(tài)，分別表示二進制數(shù)中的基本單元“0”和“1”，電子管的工作狀態(tài)直接同參與運算的數(shù)字對應(yīng)；計算過程必須遵循的程序和參與計算的數(shù)據(jù)預(yù)先共同存入計算機，運算過程全部由計算機自動控制，人不再干預(yù)。這些改進使得計算機運算速度迅速提高。

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

從20世紀中期開始，人們對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)家在實驗室里發(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題：一是耗電太多。每個電子管都需通電流加熱燈絲，使陰極達到1000℃左右才能正常工作，1萬個電子管構(gòu)成的計算機的耗電大約為100千瓦，大約相當于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。四是啟動遲緩，需預(yù)熱。電子管燈絲必須加熱一段時間才能達到所需的發(fā)射電子的溫度，不能做到開機即工作。上述問題不可能通過改進工藝解決，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)體材料中的運動規(guī)律后，提出了用半導(dǎo)體材料設(shè)計制造晶體管的構(gòu)想。在實驗物理學(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能力的晶體管。這種晶體管沒有易碎的玻璃管，沒有需要加熱的燈絲，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”。晶體管問世之后，不可勝數(shù)的輕便小巧的電子設(shè)備應(yīng)運而生，例如心臟起搏器、助聽器和袖珍式半導(dǎo)體收音機等。與此同時，電子計算機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發(fā)生變化，使晶體管漏電甚至無法工作。1954年，美國得克薩斯儀器公司的工程師改進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題。由于硅在地球上的儲量極為豐富，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 ）想出一個很好的主意，通過在硅片的特定區(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)計要求將它們相互連接，成為一個微縮在硅片上的電路，人們稱之為集成電路。肉眼無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，人們競相改進工藝，努力在同樣尺寸的硅片上制造更多的電子元件。20世紀60年代初期，人們只能制作一塊包含幾十個元件的小規(guī)模集成電路；20世紀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13萬個晶體管；20世紀90年代以來，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500萬個晶體管的集成電路，其功能相當于250臺1945年發(fā)明的電子計算機。而當年第一臺計算機重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算機、手機等，廉價、小巧、可靠、方便，令人們對電子技術(shù)刮目相看，電子技術(shù)迅速擴展到人類活動的眾多領(lǐng)域，有效地提高了人類活動水平。

電子技術(shù)的進展，牽動了光學(xué)的飛躍。1960年，美國物理學(xué)家梅曼（1927-2007）在實驗室里發(fā)明了一種奇特的光。這種光非常強，比太陽投射到地球上的光亮1000萬倍，能聚成細束從地球投射到38萬千米之外的月球，可以在月球表面產(chǎn)生明亮的光斑。

梅曼所用的辦法，是通過氣體放電管產(chǎn)生強烈輝光（當時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，處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，之后又突然集體恢復(fù)至原來狀態(tài)并發(fā)出強烈的光，這就如同人們把億萬個小鐵球從地上拿起，放在架子上，如果它們同時落地就會發(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，光對人類的意義僅限于光合作用和照明，陽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。它可以切割堅硬的材料，可熔化難熔的金屬，可在一瞬間洞穿飛機。它可以幫助醫(yī)生進行外科手術(shù)，譬如迅速切開皮膚，同時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的凹凸刻痕上反射，讀取存儲在光盤上的信息。一張薄餅大小的塑料光盤可以存儲時間長達幾個小時的電影和音樂，可以存儲一部百科全書的內(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，開始促進人類通信技術(shù)變革。1970年，華人高錕和英國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)絲還細的玻璃纖維，長距離傳輸語音、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一樣；在光導(dǎo)纖維中傳輸?shù)男盘?，不會受到無處不在的電磁波干擾。

在使用光纖通信的時候，人們首先將需要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號，差不多沿著光纖軸線方向入射的光線從端部進入光纖之后，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方；其到達終端以后，人們將光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，重新取得原有信息。

人們采用電磁波作傳輸信號的載體，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??？梢姽馐且环N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)萬倍以上，一根細細的光纖傳輸信息的能力，遠遠超過粗大笨重的電纜。

光導(dǎo)纖維誕生之際，正逢激光技術(shù)成熟之時，人們將兩者結(jié)合，迅速使光纖通信技術(shù)實用化。光纖通信在1977年進入實用階段。20世紀80年代，世界各地開通的光纖通信線路已經(jīng)超過1000條。1988年，第一條穿越大西洋連接美國東海岸和歐洲的光纜開通；1989年，穿越太平洋，連接美國西海岸和日本、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世紀后半葉，由于電子計算機和光纖通信技術(shù)的進展，本來相互獨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，美國國防部提出建立計算機網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想。到1972年，美國建成了四個計算機網(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，全世界越來越多的計算機開始通過電話線互相聯(lián)結(jié)，組成了一個巨大的機器網(wǎng)絡(luò)，共享信息資源。此后，這個網(wǎng)絡(luò)迅速擴大并于1993年開始對全球公眾開放，它就是現(xiàn)在人們所說的國際互聯(lián)網(wǎng)，又稱作“因特網(wǎng)”。“因特”一詞，是英文縮寫詞Internet的音譯。如今因特網(wǎng)已經(jīng)覆蓋212個國家和地區(qū)，數(shù)以億計的人在使用它。

因特網(wǎng)為人們提供了一個劃時代的信息媒體，每天向人們提供包羅萬象、瞬息萬變的信息。人們可以在任何時間、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，人們獲取信息不再受制于交通工具，不必長途奔波、千里勞頓，因特網(wǎng)有效地提高了人類活動的效率。有人形象地比喻：19世紀是鐵路的時代，20世紀是高速公路的時代，21世紀是因特網(wǎng)的時代。如果說電視的發(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的距離，縮短了人類個體與群體之間的距離。因特網(wǎng)的出現(xiàn)被看作人類進入信息時代的標志。

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)）