張開(kāi)遜

當(dāng)歐洲和北美許多城市已經(jīng)電燈通明、馬達(dá)飛轉(zhuǎn)的時(shí)候，人們?nèi)匀徊恢离姷降资鞘裁?。直到科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)氣體放電現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)微的觀察研究時(shí)，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了藏身在一切物質(zhì)之中的帶電微?！娮?，從此開(kāi)始發(fā)明控制電子運(yùn)動(dòng)的方法，人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)新的高度。

在19世紀(jì)電學(xué)發(fā)展的鼎盛時(shí)期，一些科學(xué)家出于興趣，開(kāi)始研究稀薄氣體的導(dǎo)電特性。這些實(shí)驗(yàn)是在密封的玻璃管中進(jìn)行的。玻璃管中的空氣大部分已被抽走，在兩端分別嵌入一個(gè)金屬電極。當(dāng)在兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)，玻璃管中稀薄的空氣就變成了導(dǎo)體。電流通過(guò)時(shí)，玻璃管中出現(xiàn)明亮的輝光。輝光非常美麗，很像北半球高緯度地區(qū)出現(xiàn)的極光。如果改變玻璃管中氣體的密度或成分，輝光的色彩與亮度會(huì)發(fā)生變化。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的英國(guó)物理學(xué)家法拉第也研究過(guò)輝光放電，他在輝光柱上發(fā)現(xiàn)了一小段不發(fā)光的區(qū)域，人們稱之為“法拉第暗區(qū)”。

1858年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾（1801-1868）注意到，當(dāng)放電管中的空氣非常稀薄時(shí)，輝光就會(huì)變得越來(lái)越暗淡，最終消失，只在玻璃容器內(nèi)壁正對(duì)陰極的地方發(fā)出淡淡的綠色熒光。他在放電管的兩個(gè)電極之間插入一個(gè)小小的擋板，熒光里便出現(xiàn)擋板的陰影，陰影的輪廓和擋板的外形完全一致。1876年，德國(guó)物理學(xué)家哥爾茨坦（1850-1930）認(rèn)為，這是一種從陰極發(fā)出來(lái)的射線，由于玻璃管中沒(méi)有氣體分子阻擋，它可以直接到達(dá)對(duì)面的容器內(nèi)壁使其發(fā)光。這種射線被稱之為“陰極射線”。科學(xué)家喜歡把那些從物體中發(fā)出的具有確定物理、化學(xué)或生物學(xué)效應(yīng)，然而又看不見(jiàn)的物質(zhì)稱為“射線”。

1871年，英國(guó)物理學(xué)家瓦爾利（1828-1883）發(fā)現(xiàn)，陰極射線會(huì)在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，很像帶電粒子；英國(guó)物理學(xué)家克魯克斯（1832-1919）發(fā)現(xiàn)，這種射線可以推動(dòng)金屬箔做成的小飛輪在真空中旋轉(zhuǎn)；曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)電磁波的德國(guó)物理學(xué)家赫茲注意到，這種射線可以穿透很薄的金屬片。赫茲的學(xué)生勒納德（1862-1947）還發(fā)現(xiàn)，真空中的陰極射線在穿透厚度為0.000265厘米的鋁箔后，還能在空氣中繼續(xù)穿行1厘米。德國(guó)科學(xué)家認(rèn)為陰極射線是電磁波，而英國(guó)科學(xué)家則認(rèn)為它是帶電粒子。

在追蹤陰極射線的時(shí)候，人們意外地發(fā)現(xiàn)了X光。

1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（1845-1923）在一次實(shí)驗(yàn)中，將陰極射線放電管包上厚厚的黑紙，以防止外部光線擾亂陰極射線。這時(shí)他注意到，隨著陰極射線管每次放電，距離射線管1米遠(yuǎn)處的一個(gè)用氰化鋇做成的熒光屏也在一閃一閃地發(fā)光。倫琴把這個(gè)熒光屏挪至遠(yuǎn)處，可它照樣閃光；他又在陰極射線放電管和熒光屏之間放上書(shū)、木板和鋁片，熒光屏還是閃光；只有在它們之間放上鉛塊或厚厚的鐵板時(shí)，閃光才會(huì)消失。顯然，陰極射線管中發(fā)出的是一種穿透力很強(qiáng)的射線，但不會(huì)是陰極射線。

倫琴在實(shí)驗(yàn)室里連續(xù)工作了6個(gè)星期，他仔細(xì)地研究這種射線與加在放電管上電壓之間的關(guān)系，研究各種物體對(duì)這種射線的吸收特性，以及射線在各個(gè)方向的強(qiáng)度分布。他將手掌放在陰極射線管和熒光屏之間，熒光屏清晰地顯現(xiàn)出手掌的骨骼。這種射線還會(huì)使照相底片感光。他用感光膠片拍攝他的夫人戴有戒指的纖細(xì)的手，結(jié)果照片不再富有詩(shī)意，那上面的手指就像是骷髏的指骨，套有一件不相干的金屬圈。隨后，他向外界公布了自己的研究結(jié)果，那張不可思議的照片尤其令世人大為震驚。

倫琴把這種來(lái)歷不明的射線稱為“X射線”，因?yàn)樵跀?shù)學(xué)中人們習(xí)慣用“X”代表未知數(shù)。今天，人們知道X射線是發(fā)自陰極的電子在電場(chǎng)中加速后，打在物體上突然減速輻射的電磁波。

利用X光，人們能夠看到身體內(nèi)部的許多組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)骨骼的損傷和嵌入身體的金屬?gòu)椘?，從而幫助醫(yī)生診斷疾病。

X光有著巨大的實(shí)用價(jià)值，倫琴?zèng)]有為自己申請(qǐng)技術(shù)專利。他說(shuō)，就像空氣和陽(yáng)光不應(yīng)該申請(qǐng)專利一樣，X光也不應(yīng)該申請(qǐng)專利，他希望全世界的人都能夠利用它。X光技術(shù)迅速地普及至世界各地，有力地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)進(jìn)步。

倫琴在1901年獲得首次頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他晚年過(guò)著貧困的生活，在德國(guó)大蕭條的歲月中寂寞地死去。

1897年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫（1856-1940）對(duì)陰極射線進(jìn)行了更加精確的實(shí)驗(yàn)研究。他在進(jìn)一步提高放電管的真空度后，發(fā)現(xiàn)了陰極射線在電場(chǎng)中的偏移現(xiàn)象。赫茲在1891年曾做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，但由于真空度不高，在偏轉(zhuǎn)電極之間發(fā)生了氣體放電，不能產(chǎn)生使陰極射線偏轉(zhuǎn)的力量，導(dǎo)致赫茲對(duì)這種射線本質(zhì)的誤解。湯姆孫對(duì)陰極射線在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)所形成的弧線半徑進(jìn)行了測(cè)量，并用熱電偶測(cè)量陰極射線打在陽(yáng)極上產(chǎn)生的溫度變化，從而計(jì)算出這種射線的速度比電磁波低得多。他在射線管中充入不同氣體，并且用不同材料制成的陰極做實(shí)驗(yàn)，但得到的結(jié)果完全相同。他確信，陰極射線是一種帶負(fù)電的微粒，與氣體成分或陰極材料無(wú)關(guān)，它存在于一切物質(zhì)之中。

1897年4月30日，湯姆孫向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了自己的研究結(jié)果，這篇報(bào)告對(duì)陰極射線的本質(zhì)做出了最終的科學(xué)論斷。后來(lái)，湯姆孫用“電子”一詞命名他所確認(rèn)的這種帶電微粒。從此，科學(xué)史家將人類發(fā)現(xiàn)電子的時(shí)間定為1897年。

就在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子這一年，德國(guó)發(fā)明家布勞恩（1850-1918）完成了應(yīng)用電子技術(shù)的第一件發(fā)明——利用電子束做成了世界上最輕便靈活的“筆”，這種奇妙的“筆”可以描繪稍縱即逝的電現(xiàn)象，根據(jù)電子留下的蹤跡，人們可以從容地觀察電信號(hào)的變化過(guò)程。

布勞恩的發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：在抽成真空的陰極射線管里裝上圓柱形空心電極，加上電壓，陰極發(fā)射的電子在穿過(guò)這種電極之時(shí)受到靜電力的約束，聚成細(xì)束；在電子束通過(guò)的路徑安裝兩對(duì)相互垂直的金屬平行板電極，使電子束跟隨加在電極上的電壓信號(hào)分別做上下垂直運(yùn)動(dòng)和左右水平運(yùn)動(dòng)。在與陰極相對(duì)的玻璃管壁上均勻地涂敷一層礦物質(zhì)細(xì)粉（例如硫化鋅），電子束打在上面會(huì)產(chǎn)生黃綠色光斑，這種可以發(fā)光的涂層被稱為熒光屏。如果使電子束在水平方向做等速運(yùn)動(dòng)，熒光屏就會(huì)顯現(xiàn)加在垂直偏轉(zhuǎn)板上的電壓隨時(shí)間變化的過(guò)程。電子的這種工作方式被稱為掃描。

這項(xiàng)發(fā)明為科學(xué)家提供了夢(mèng)寐以求的觀測(cè)儀器，使人們能夠超越感覺(jué)器官的局限，直觀地研究電的變化過(guò)程，為后來(lái)電視、雷達(dá)和電子顯微鏡的發(fā)明奠定了重要基礎(chǔ)。

1904年，美國(guó)發(fā)明家弗萊明（1849-1945）采用在真空中利用電流加熱燈絲的辦法，輕而易舉地獲得了逸出物體的自由電子，并用它做成了一種效率很高的無(wú)線電信號(hào)檢波器——真空二極管。

真空二極管中有一條燈絲和一個(gè)孤立的金屬電極，這個(gè)電極被稱為陽(yáng)極。當(dāng)燈絲加熱時(shí)，如果在陽(yáng)極加上正電壓，電子就會(huì)在靜電力作用下到達(dá)陽(yáng)極，使陰極與陽(yáng)極之間有電流通過(guò)；如果在陽(yáng)極加上負(fù)電壓，靜電力將阻止電子運(yùn)動(dòng)，電子就會(huì)滯留在燈絲周圍，電流就會(huì)中斷。由于電子很輕，慣性很小，真空二極管可使頻率很高的無(wú)線電信號(hào)被整流檢波成為人們需要的信息。弗萊明用它替代無(wú)線電接收機(jī)里的金屬粉末檢波器和晶體檢波器，可將微弱的高頻無(wú)線電信號(hào)還原成所傳輸?shù)碾姶a信息，無(wú)線電接收機(jī)的靈敏度由此顯著提高。

1906年，美國(guó)發(fā)明家福瑞斯特（1873-1961）對(duì)真空二極管做出重大改進(jìn)，發(fā)明了真空三極管，開(kāi)辟了電子學(xué)發(fā)展的新途徑 。

福瑞斯特在真空二極管的燈絲和陽(yáng)極之間，加裝了一個(gè)獨(dú)立的金屬柵網(wǎng)，稱作控制極。改變柵網(wǎng)上的電壓，便可控制到達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)量。如果在柵網(wǎng)上加一個(gè)很小的電壓信號(hào)，在陽(yáng)極便可得到一個(gè)與其變化規(guī)律完全相同、但幅度大很多的電信號(hào)，這種簡(jiǎn)單的器件可以使電信號(hào)增強(qiáng)。真空三極管是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，就好像是電信號(hào)的加油站，這項(xiàng)看似簡(jiǎn)單的發(fā)明，翻開(kāi)了電子技術(shù)發(fā)展史新的一頁(yè)。

自從1837年人類開(kāi)始應(yīng)用電傳遞信息以來(lái)，一個(gè)問(wèn)題始終困擾著人們：電信號(hào)在傳輸?shù)穆窂缴蠒?huì)衰減，變得越來(lái)越小，以致最后消失得無(wú)影無(wú)蹤，通信距離因此受到限制。1876年，美國(guó)費(fèi)城舉辦國(guó)際博覽會(huì)，電報(bào)公司向全世界招標(biāo)，尋求解決大西洋海底電纜電報(bào)信號(hào)傳輸衰減的技術(shù)方案，無(wú)人中標(biāo)。自福瑞斯特發(fā)明真空三極管后，電信系統(tǒng)中的信號(hào)衰減不再成為問(wèn)題。人們通過(guò)真空三極管很容易使衰減的電信號(hào)重新增大，通信質(zhì)量明顯改善，通信距離大幅度增加。從此，使用電信技術(shù)的客戶迅速增多，電話、有線電報(bào)和無(wú)線電通信出現(xiàn)了新的發(fā)展高潮，電信號(hào)把世界更多的地方聯(lián)結(jié)在了一起。

真空三極管的發(fā)明，使無(wú)線電廣播迅速成為一種大眾傳媒，收音機(jī)成為一種時(shí)尚家電。利用真空三極管產(chǎn)生功率強(qiáng)大的高頻無(wú)線電信號(hào)，同時(shí)將聲音變成的電信號(hào)疊加在上面，向幅員遼闊的地域播送語(yǔ)音信息。人們可以在遠(yuǎn)離電臺(tái)的地方接收無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)真空三極管充分放大，重新把聲音信號(hào)分離出來(lái)，推動(dòng)揚(yáng)聲器再現(xiàn)播音員和演員的聲音。1920年，美國(guó)匹茲堡建立了第一座面向公眾的無(wú)線廣播電臺(tái)。1922年，美國(guó)無(wú)線電公司編制了第一份無(wú)線電產(chǎn)品目錄，名稱為“家用無(wú)線電”。該產(chǎn)品目錄顯示，當(dāng)時(shí)價(jià)格最高的收音機(jī)有4個(gè)真空管，售價(jià)401美元。同年，美國(guó)無(wú)線電公司生產(chǎn)出第一臺(tái)手提式電子管收音機(jī)。

真空三極管產(chǎn)生的高頻電信號(hào)可使人體某些組織發(fā)熱，從而改善血液循環(huán)，有助于醫(yī)生治療疾??；它還可用于熔煉金屬（例如在潔凈的坩堝里制造難熔合金），對(duì)金屬材料進(jìn)行淬火處理，改善工具、機(jī)器零部件的性能等。無(wú)線電電子學(xué)技術(shù)開(kāi)始跨出通信系統(tǒng)，進(jìn)入人類活動(dòng)的更多領(lǐng)域。

作為電子學(xué)裝置的核心器件，真空三極管推動(dòng)著電子技術(shù)前進(jìn)，直至1947年，三位美國(guó)科學(xué)家發(fā)明晶體管，它才逐漸退出歷史舞臺(tái)。

1925年，蘇格蘭人貝爾德（1888-1946）實(shí)現(xiàn)了用電信號(hào)傳送活動(dòng)圖像的構(gòu)想，發(fā)明了最早的電視。

貝爾德的方案非常富于想象力。他借用電影的做法，將不斷變化的景物影像分割為間斷的畫(huà)面，然后連續(xù)發(fā)送這些畫(huà)面，再利用人眼的“視覺(jué)暫留”效應(yīng)，產(chǎn)生連續(xù)影像的效果。首先，通過(guò)透鏡將需要傳送的景物影像會(huì)聚成縮小的清晰圖像，在離影像不遠(yuǎn)處安放一個(gè)對(duì)光線敏感的元件，當(dāng)時(shí)他使用的是可以在光照下產(chǎn)生電流的硒片；然后，在影像與硒片之間放置一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，盤(pán)上有許多按照特定空間位置分布的透光孔，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，影像不同部位發(fā)出的光通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)上的小孔依次從左到右、從上到下投射到硒片上，使硒片依次產(chǎn)生隨影像不同部位亮度變化的電流；這種隨時(shí)間迅速變化的電流經(jīng)過(guò)真空三極管放大后傳向遠(yuǎn)方，使一個(gè)燈泡發(fā)光，燈泡的亮度變化則與影像不同空間位置的明暗變化一致；燈泡發(fā)出的光通過(guò)一個(gè)相同的轉(zhuǎn)盤(pán)投射到幕布上；當(dāng)兩個(gè)圓盤(pán)同步轉(zhuǎn)動(dòng)、且轉(zhuǎn)動(dòng)足夠快時(shí)，幕布上便呈現(xiàn)出與實(shí)際景物大體相似的影像。

在貝爾德最初研究電視的時(shí)候，人們認(rèn)為他的想法稀奇古怪不切實(shí)際，無(wú)人給予他經(jīng)濟(jì)上的支持。他只得白天替人推銷皮鞋油，晚上在狹小的頂樓做實(shí)驗(yàn)，每天的收入只夠買面包和付房租，他的很多樣機(jī)是用餅干筒、自行車燈聚光鏡以及鞋帶捆扎的鐵條支架做成的。

1925年10月2日，貝爾德成功地把一個(gè)活動(dòng)玩偶的舞蹈動(dòng)作圖像，從頂樓的一個(gè)角落傳送到另一個(gè)角落。他激動(dòng)萬(wàn)分地跑下樓，把雜貨鋪里的一個(gè)小男孩拉上來(lái)當(dāng)他的第一位電視觀眾。貝爾德一夜成名，許多投資者紛紛解囊，希望他實(shí)現(xiàn)更大的目標(biāo)。1927年，貝爾德實(shí)現(xiàn)了從倫敦到格拉斯哥之間的電視信號(hào)傳送。1928年，貝爾德的電視信號(hào)從倫敦傳送到紐約。此外，貝爾德還發(fā)明了轉(zhuǎn)盤(pán)式彩色電視，提出了投影電視的設(shè)想，他認(rèn)為應(yīng)該讓人們像看電影那樣享受電視。

貝爾德發(fā)明的電視在實(shí)際應(yīng)用中存在三個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題：機(jī)械轉(zhuǎn)盤(pán)小孔掃描速度不夠快，通過(guò)小孔投射的光斑太大，圖像閃爍且不清晰；燈泡的亮度變化滯后，使再現(xiàn)的圖像和原來(lái)真實(shí)的情景不一樣；兩個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)在機(jī)械上不容易同步，需經(jīng)精細(xì)調(diào)節(jié)才能呈現(xiàn)穩(wěn)定的畫(huà)面。此外，這種電視裝置龐大，不適宜在室外播送電視節(jié)目。貝爾德發(fā)明的是一種光學(xué)機(jī)械電視，從原理上說(shuō)，這些問(wèn)題當(dāng)時(shí)難以解決。

1931年，出生在俄羅斯的美國(guó)發(fā)明家楚里金（1889-1982），采用在電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制下的電子束再現(xiàn)活動(dòng)圖像信息的方法，克服了機(jī)械轉(zhuǎn)盤(pán)電視系統(tǒng)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了電視技術(shù)的實(shí)用化，奠定了現(xiàn)代電視技術(shù)基礎(chǔ)。

楚里金改進(jìn)了布勞恩發(fā)明的陰極射線示波管。他在示波管底部涂敷可以在光照射下產(chǎn)生電荷的材料，用從左到右、從上至下掃描的電子束使圖像亮度的空間分布轉(zhuǎn)換成隨時(shí)間變化的電流。這種電流可以通過(guò)導(dǎo)線或電磁波遠(yuǎn)距離傳輸，控制另一個(gè)示波管中的電子束，使其產(chǎn)生由左至右、由上而下的掃描運(yùn)動(dòng)，并把隨時(shí)間變化的電流還原成不同空間位置的亮度變化，在熒光屏上再現(xiàn)原有景物。由于電子可以聚成很細(xì)的電子束，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制下迅速移動(dòng)，因而能夠獲得清晰、穩(wěn)定的畫(huà)面。

楚里金把產(chǎn)生電視信號(hào)的器件稱為光電攝像管，把再現(xiàn)影像的器件稱為電視顯像管，由于在這兩個(gè)器件中的物理過(guò)程幾乎是同時(shí)發(fā)生的，所以傳輸?shù)膱D像基本上沒(méi)有滯后。

在傳送電視畫(huà)面的時(shí)候，楚里金采用的方法就像是以一種特殊的方式搬動(dòng)一塊花布到另外一個(gè)地方：首先沿水平方向抽取花布最上方的第一條緯線，緊接著抽取第二根、第三根……直到抽完最后一根。這些抽出的線被首尾相連牽拉到另外的地方，并重新按順序復(fù)原，這些緯線便組成了與原來(lái)花布一樣的圖案。只要抽運(yùn)和重組的速度足夠快，這塊花布就好像在一瞬間挪動(dòng)了地方。

全電子化的電視于1935年開(kāi)始在德國(guó)向公眾播出。1936年，這種電視轉(zhuǎn)播了在德國(guó)柏林舉辦的奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)實(shí)況，此時(shí)還是黑白電視。全電子化彩色電視于1949年在美國(guó)研制成功，1951年第一次向公眾播出。

有了電視，人們足不出戶可以看到遠(yuǎn)方發(fā)生的事情。今天，電視已經(jīng)進(jìn)入全球一半以上的家庭。每天有數(shù)以億計(jì)的人坐在電視機(jī)前，觀看世界風(fēng)云變幻、人間喜怒哀樂(lè)、宇宙萬(wàn)千氣象。電視已經(jīng)從一件技術(shù)發(fā)明成為一種文化。