书城科普人类的创举(科学知识大课堂)
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第16章 发明简史(15)

1875年6月2日,发生了一件偶然却具有决定意义的事情。贝尔和沃森分别在自己的房间里,联合实验他们的电报机。像往常一样,机器停止工作时,他们也守在那里。突然,沃森无意中做了一个错误的动作,把一个调整螺钉拧得过紧,造成接触不良,将直流电变成了一个断断续续的电流。在线路另一端的贝尔,清楚地听到了触点脱落发出的声音。这本来是一次事故,但对研制传声机已经入迷的贝尔来说,却是一个巨大的启发。一个灵感涌现在头脑里,他向沃森大喊:“什么也别动!”一个月后,这台机器还保持着这一天的状态,仍能发出一些模糊不清的声音。贝尔在整个秋天和冬天里,远离工作车间,动用自己头脑里的所有知识对那个灵感进行了反复的思考,终于将这个想法在机器上制出来了。如前所述,他于1876年2月14日,派他的有限责任股东哈伯德以他的名义,为一部传送声音的机器(当时还叫“音频电报”)申请了专利。

但是,这个已经是电话的“音频电报”机并没有真正开始工作。直到1876年3月6日,贝尔才得以向他的合作者传送了清晰的话语:“请到这儿来,沃森先生,我需要你。”——电话就这样诞生了!1876年6月25日,贝尔在美国独立百年纪念的费城博览会上展出了他的电话机,举世为之一震!1877年,第一份用电话发出的新闻电讯稿被送到美国波士顿的《世界报》,这标志着电话已为众人所采用。电话通讯就这样开始了。

其实,历史再往前追溯,电话可能还有更古老的祖先。比如,早在1664年,科学家胡克就做了在拉紧的线上传送声音的实验。现在还有不少小朋友都玩过这种游戏,觉得挺有趣,不知是否有小朋友从中悟出点什么。到1861年,德国的赖斯甚至还制成了可称为第一部电话机的儿童玩具。但真正实用的电话机,却是由贝尔和沃森合作研制出来的。

电话的飞速发展

电话一诞生,就以比其他技术更快的速度发展起来。和电报相比,由于电话不需要很费脑筋的“软件”——莫尔斯电码,所以就更容易进入家庭。对大多数人来说,不仅掌握那个电码不很容易,更重要的是,信息需要情感和支撑。不但发电报的人“惜字如金”,字句干巴巴毫无情感可言,收电报的人看后也难以直接体会情感,而电话则是声情并茂,喜怒哀乐、悲恐忧惧都能淋漓尽致地传送给对方。因此,电话受到了大众的空前欢迎。

为了使电话更趋完善和方便,贝尔和格雷从未停止继续探索前进的步伐。1878年,又是他俩同时分别设计出了第一台人工电话交换机,并立即投入使用。在第一批交换机的用户中,就有后来成为美国总统的加菲尔德和著名作家马克·吐温。

这台电话交换机的原理其实非常简单。当用户想呼叫他的受话者时,交换台上一个记有他的电话号码的呼叫号牌落下来,接线员就询问受话者的电话号码,并找到受话者的线路接点,将软式连续两端的两个插头分别插入有关用户的插孔内,把两条线路连接在一起。同时,交换台上还有一条监听线路,接线员可随时了解电话是否已经打完,并及时拔出连接线。这样,通话双方的对话内容对电话小姐都是无法保密的。顺便说一句,在刚刚使用交换机的头几个月,负责接线的全部都是男士,“电话小姐”的出现是几个月之后的事情了。

随着电气技术的发展,更多的人们参与了电话的发展事业。1891年,美国堪萨斯城殡仪馆专门承办丧葬的阿尔蒙·B·斯特罗杰申请了第一个自动电话交换机专利。这个自动交换系统采用了贝尔公司的技术人员参与研究的两项新技术,一项是当时因不够完善而尚未正式投入使用的拨号盘装置,另一项是1884年发明的最早的自动交换机(只能接通15个用户)。

这个专利批下来以后,斯特罗杰创建了自动电气公司。但不久,贝尔公司就购买了他的专利,并改造了他的电话系统,首次将第一个商业自动电话系统投入使用。这个系统的优越性是,它可以同时接通99个用户。

至今,德国还保存着19世纪和20世纪之交为德国邮政事业做出过巨大贡献的最老式的电话机。

随着无线电技术的诞生,西方军事家们就预言,未来的战争将在海、陆、空和信号的“四军”协同作战基础上取得胜利。无线电话,特别是机载无线电话在第一次世界大战中的作用就证明了这个预言。

美籍加拿大人费森登是最早发明无线电话的人。著名的无线电报机发明人马可尼于1901年在他的收报机中装上了费森登发明的电解质检波器。直到1912年,还有人把这种检波器装在收报机上,用气球将收报机放到高空进行无线电报实验。但在1902年,费森登已经创造了第一台无线电话,1906年,他就在麻省布兰特·罗克建立了第一个无线电话站,他用麦克风调制亚里山德逊射频发电机产生的高频电流,在这年的圣诞节前夕发射了第一个无线电话信号,也是世界上第一套远距离音乐和口语节目,几个陆地接收站和一个海上接收站都同时收到了他的信号。

令人难忘的,还有无线电话的第二位开拓者德·弗雷斯特。他首先是真空三极管的发明人。1907年在纽约市,1908年在巴黎艾菲尔铁塔上,他发射了无线电信号。但是,1906年发明的真空三极管此时并未派上用场,他的无线发话机类似于马可尼的发报机,只不过用麦克风代替了电报机的莫尔斯电码键盘。真空三极管只是在1912年才被用于无线电话机。这年弗雷斯特发明了再生电路,能够放大音频信号。1914年,美国通用电气公司实验室进行了大规模试验,正是在接收机中使用了真空管再生放大电路,他们监听到美国政府通过德国电台命令德国船只撤离美国的通知,从而最先得知第一次世界大战爆发的消息。1915年,在无线电报信号飞越北大西洋上空后的14年,无线电话信号也跨越了北大西洋。

电话技术的发展和它的便利,都使它在第一次世界大战中大显身手。单美国信号军团在法国战区就架设了1340千米的电报和电话线路,通信电缆和导线总长达3万千米。但是,这只能为陆军所享用,空军和海军必须寻找新的通信方式。机载无线电话就趁此机会应运而生。

在战斗飞机上安上无线电话,必然增强飞机的作战能力。这使得一位美国将军,也是一位在作战中使有线电信技术大显神通的工程师斯奎厄,下决心把无线电话机装到协约国的飞机上。1917年5月22日,他召集会议下达了从速研制机载无线电话机的命令,不到六个星期的时间,美国就生产出了样机,并在一次飞机联合作战演习中投入使用。接着,他们又用这种电话指挥炮兵演习,取得成功。1918年2月,美国生产出SCR-67和SCR-68型机载无线电话机。它在协约国战斗机上的普及,加速了德军的失败。

机载无线电话机的意义远远超出了纯技术的范围,因为它彻底改变了19世纪的经典战争理论。海、陆、空、信号“四军”协同作战的新概念是第一次世界大战的产物,而机载无线电话的作用则是这一新概念的核心和支柱。

历史推移到1923年。这年的5月18日,法国工程师安托万·巴尔内为他的“电话用户间自动通联系统”申请了专利。这就是最初的电话拨号盘。此后,话筒和听筒装在一个弓型手柄上的电话机,大都采用了这种拨号盘。这种又被称为旋转式自动电话系统的装置最初试验时,曾在电话小姐中引起极大的惊慌,因为她们担心自己会失去心爱的职业。但是,因为它克服了人工电话交换系统的缓慢接转状况,从而被使用了很长的一段时间,直到60年代,电子式电话交换机才逐渐取代了它。

由于晶体管技术的进步,它的应用在收音机、助听器、电视摄像机以及电子计算机等方面广泛推广开来,随之出现了1953年3月将晶体管用于电话系统的卡片译码器。这个任务是由贝尔电话实验室完成的。

而电子式电话交换系统已经不是某一个或几个发明者所能设计出来的,而是由一些互相竞争的实验室研制成功的。

1956年,美国电话电报公司在年度报告中曾预言,第一台电子电话交换机可望于1959年投入使用,并估计研制预算为4500万美元。但直到1965年5月30日,美国第一台公共电子电话交换机才在新泽西州的苏卡苏纳启用,它只能联接城里4300个用户中的200台电话机。而就其实际研制开支来说,所需的不是3年时间和4500万美元,而是4000工作年/人(即1个人工作4000年,或4000人工作1年)和5亿美元!

英国的邮电局实验室原定1962年一个全电子电话交换中心在伦敦北部投入运营,但当时的工艺技术条件(如存储器和半导体的性能有限等)迫使英国电信局的研究人员改变了主意,不得已而改为半电子交换系统。直到70年代末期,英国才研制成功了“X系统”,从而进入了全电子电话交换系统的时代。

早在1957年,在法国国家电信研究中心的负责人约瑟夫·利布瓦领导下,在已拥有关于编码脉冲调制系统的各种重要专利的条件下,同时进行两个方面的研究:半电子交换(或空间交换)和全电子交换(又叫时间交换)。利布瓦和安德烈·皮内共同组织了“普拉东”工程,即“数字式自动交换机拉尼翁样机研制计划”。直到1970年1月,法国启动了世界上第一部连接市话用户的时间电子交换系统。到1977年,在美国亚特兰大举行的一次国际会议上,代表们一致认为,法国的时间交换系统比它的竞争伙伴们提前两年投放国际市场。这个系统实现了多路传输,也就是说,在一条线路上可进行多达无数路的通信,而使用数字信号传输,不仅可以传输声音,还可传送图像(如电视)。

电子电话系统的出现,是一个重要的转折点(实际是一个很长的历史时期,至少20年的时间),它使得电话系统具备了与其他各种电子设备发生关联的各种条件,这孕育了信息化时代的重要特征——网络化。这一点容后再说。这里需交代的是,电话系统的应用规模是巨大的。到1969年,由贝尔集团公司发展来的美国电话电报公司已拥有1亿部电话分机。到1976年,全世界已拥有3.796×108部电话机,超过50万台的国家达42个,其中美国已有1.49亿台,日本有45514709台,英国有21035602台,前苏联有16949000台。同时,电话技术的其他方面也得到了长足的进步。

促进电话事业发展的因素是很多的。有线电技术、无线电技术、真空管或电子管技术、晶体管技术、电脑、集成电路、信息数字化技术、电缆光缆技术等等,都为电话之所以成为今天五彩缤纷的景象做出了巨大贡献。电话,可以说既是一个大的信息技术花园中的一枝奇葩,同时又是这一系列信息技术群相互作用的一个产物。

但我们所关注的,仍是电话自身前进的足迹。

1942年前后,哈罗德·T·弗里斯在美国电话电报公司实验室里成功地实验了用无线电接力进行超短波传输。这项技术原是贝尔实验室应战争需要而研制的一种通信手段。弗里斯自20年代就开始进行超短波实验。在二战之前,他和他的合作者贝克就发明了一种无线电通信天线和一个能同时传输2400路通话的电话系统。这种天线至今还在各种无线电中继塔上广泛应用着。因被应用于军事而一直保密到1945年10月。我们大多都见到过各种装有抛物面天线的天线塔(又叫超短波或微波中继塔),常建在很高的地方,用于无线电话线路或电视发射的“接力”。每一个无线塔都是一个电磁波中继站。尽管德国物理学家亨利希·赫兹早在19世纪就发现了微波,但只是在二战中各种新技术和电子元件出现以后,微波才被应用开来,成为大容量电话通信和远距离电视图像传送必不可少的手段。

1953年6月2日,“欧洲电视联播”使用微波中继进行第一次电视转播,人们看到的是英国女王伊丽莎白的加冕典礼。而在1951年,法国也曾建立了一条试验性的中继系统。

还在20世纪50年代初期,美国电话电报公司实验室经过10年努力,设计出了理想的电话增音器样机。它装有长寿命电子管,由海岸电话站供电,人们预计它可在水下工作20年。这是一种在远距离电话通信线路上,每隔数千米安装的信号放大和再生装置,以确保信号的逼真。

1956年9月26日,第一条横穿大西洋的电话电缆铺设成功,并同时传输了588路通话,比过去10天内的无线电话通信总量还要多。这项工程是由美国电话电报公司、英国邮电局和加拿大海外通信公司密切合作来完成的。1957年8月14日,第二条海缆铺设完毕,从而实现了穿越大西洋的双向电话通讯。