书城教材教辅世界科技史速读
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第15章 现代科技大发明(2)

根据这个设想,他在钟摆上加上一个扫描针,起着电刷的作用;另外加一个由时钟推动的信息板,板上有要传送的图形或字符,它们是由电接触点组成的;在接收端的信息板上铺着一张电敏纸,当指针在纸上扫描时,如果指针中有电流脉冲,纸面上就出现一个黑点。发送端的钟摆摆动时,指针触及信息板上的接点时,就发出一次微小的电流。信息板在时钟的驱动下,缓慢地向上移动,使指针一行一行地在信息板上扫描,把信息板上的图形变成电流传送到接收端,接收端的信息板也在时钟的驱动下缓慢移动,这样就在电敏纸上留下图形,形成了与发送端一样的图形。这便是一种原始的电化学纪录方式的传真机。

随着人们生活水平的提高,人们对发生在自己周围的事情越来越感兴趣,因此,对新闻照片和摄影图片的需求也是很广泛的。许多科学家都曾致力于相片传真机的研究。

爱德华·贝兰是法国摄影协会大楼里的工作人员,他所在的法国摄影协会大楼下正好是法国电信线路从巴黎——里昂——波尔多——巴黎的起始点和终点。这为贝兰的研究提供了得天独厚的条件。

1907年11月8日,爱德华·贝兰在众目睽睽之下表演了他的研制成果——相片传真机。成功并没有使贝兰陶醉,他继续在已有的基础上进行研究。1913年,他制成了世界上第一部用于新闻采访的手提式传真机。次年,法国的一家报纸首先刊登了通过传真机传送的新闻照片。相片传真机主要是利用了电子元件感光的特点,把指针接触式的扫描改变成光电扫描,不仅使传真的质量大大提高,而且光电扫描和照相感光制版的配合,使相片传真得以实现。

1925年,贝尔研究所率先研制出高质量的相片传真机。1926年,美国电报电话公司正式开放了横贯美国大陆的有线相片传真业务,同年还与英国开放了横跨大西洋的无线相片传真业务。此后,欧美各国和日本等国相继开放了这项业务,从此,相片传真被广泛应用于传送新闻照片,随后扩展到军事、公安、医疗等部门,用来传送军事照片、地图、罪犯照片、指纹、X光照片等。

人造卫星

1955年的一天,前苏联航天设计局负责人科罗廖夫忽然灵机一动:既然火箭可以把核弹头射到数百千米远的地方,为什么不可以把核弹头取下,换上卫星呢?经过几个月的酝酿,前苏联政府终于在1956年1月30日做出了决议,批准发展一颗重型人造卫星,并从R—7导弹上开发一种派生型火箭,将卫星送入太空轨道。1957年10月4日,前苏联拜科努尔发射场格外肃静,一枚三级运载火箭傲然矗立在发射台上,火箭上载着世界上第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”。伴随着“轰”的一声巨响,大地猛地颤动起来,火箭带着长长的焰尾冲上了云霄。几分钟后,卫星终于从火箭上弹出,以每秒7.9千米的第一宇宙速度,进入了环绕地球飞行的轨道。卫星内的无线电发射机通过星外天线发射出无线电波,地面监控人员很快便收到了来自太空的无线电信号。“成功了!”所有的工作人员都欢呼起来。由此,人类迈向太空的桂冠,理所当然地落在了前苏联人的头上。

从地球上有了第一颗人造卫星至今虽然仅40余年,但各国的空间技术都有了迅猛的发展。1960年8月12日,美国国家航空航天局成功地发射了一颗实验性的无源通信卫星“回声1号”,它实际上是一只由聚酯薄膜制成的气球,直径达30米,有10层楼房那么高,但球壳却极薄,同报纸的厚薄差不了多少。人们从此实现了“地球——人造卫星——地球”的空间无线电通信。

俗话说“天有不测风云”。传统的气象观测系统一直用直接测量法,即利用各种测量仪器直接测出大气的温度、湿度、气压、风力等数据。而面对占地球表面80%的海洋、极地和人烟稀少、难以建立气象站的地区,则无法保证观测数据的完整性和准确性。1960年4月1日,美国发射了世界上第一颗气象实验卫星“泰勒斯”号。该卫星重约128千克,用两台电视摄像机进行地面摄影并传递云层照片,使气象学家可追踪、预报和分析风暴。

到目前为止,美国、俄罗斯(包括前苏联)、日本、欧洲空间局、中国、印度等国共发射了100多颗气象卫星。

几乎在同时,美国发射了世界第一颗“子午仪”导航卫星,传统无线电导航系统从此被取代。此系统主要由美国海军使用,到1967年开始正式向民用开放。它由4颗卫星组成导航网,全球的舰船平均每隔90分钟就可以看到一次“子午仪”,并接收其自动发射的信号进行定位,定位精度约为30~40米,每次定位约需8~10分钟。“子午仪”导航卫星系统是低轨道导航卫星,它集中了远程无线电导航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点,仅用4颗卫星就能提供全天候全球导航覆盖和周期性二级(经纬度)定位能力。

鼠标

20世纪五六十年代的时候,计算机还只是科学研究人员才能使用的“大家伙”,可年轻的恩格巴特当时几乎是凭直觉就认为计算机会成为一种工具,他深信计算机将在屏幕上显示需要的信息。当时的人们并没有太多在意这个年轻工程师的想法,甚至有人告诉他计算机只是用于商业,不用花费学术资源研究它。

然而这些都没有阻拦这位年轻工程师的梦想之路,随后的一段时间里,恩格巴特带领一组工程师设计了称为NLS的操作系统,虽然今天看来,该系统显得粗糙,但正是这个系统,迈出了图形操作系统的第一步。而这个系统的某些思想和性能甚至现在仍可以应用于微软的文字处理系统(Word)中。

1968年,恩格巴特在美国旧金山举行的计算机秋季年会上,向与会者公布了他的研究成果:用一个键盘、一台显示器和一个粗糙的鼠标器,远程操作25千米以外的一台简陋的大型计算机。由于这项成果是图像界面、鼠标、高级链接和电子邮件的第一次与世人的公开展示,因而轰动了当时仍用穿孔卡输入的电脑领域。

恩格巴特鼠标的原型有一个木头精心雕刻的外壳,仅有一个按键。其底部安装着金属滚轮,用来控制光标的移动。1970年,这个小装置获得专利,名称为“显示系统X—Y位置指示器”。它工作原理是由底部的小球带动枢轴转动,并带动变阻器改变阻值来产生其位移信号,再经过微处理器的处理,计算出其水平方向及垂直方向的位移,屏幕上的光标可随之移动,产生一对相对于屏幕的坐标。用它取代键盘上的使光标移动的上、下、左、右键,使用户可以方便地使用计算机。

鼠标发明之初并没有引起众人太多的关心,直到4年以后才逐步引起了人们的重视。首先,一些曾经是恩格巴特学生的施乐公司帕洛阿托研究中心所的科学家们,将恩格巴特所发明的鼠标配置在这个公司刚刚研制成功、具有图形界面的Alto微电脑上,结果让人们感到非常惊奇,有了这只“小老鼠”的帮助,使这台微电脑的操作变得异常的方便和快捷。

鼠标的英文原名是“Mouse”,提到它名字的含义时,恩格巴特曾向人们介绍说那是因为它的形状与老鼠相似,而且也像老鼠一样拖着一条长长的尾巴,所以,在实验室里被恩格巴特和同事们戏称为“Mouse”。然而,人们广泛使用鼠标已经很多年了,到如今还没有人能够给它想出一个更恰当的新名字,只好让它屈尊继续使用这个不太雅观的名字了。

1983年,苹果电脑公司也把经过改进的鼠标安装在Lisa微电脑上,从此,鼠标在计算机业界声名显赫,它与键盘一样成为电脑系统中必不可少的输入装置。此后,微软公司的Windows操作系统和各种版本的Unix操作系统也纷纷仿效,鼠标成了这些图形化界面操作系统必不可少的人机交互工具。随着Windows操作系统的成功普及,人们在使用电脑的时候已经离不开这只“小老鼠”了。

光纤

1960年,美国人梅曼发明了红宝石激光器,使人类获得了性质与电磁波相同、且频率和相位都稳定的光——激光,但当时这种激光器还不能在室温条件下连续工作。

由于激光频带宽、纯度高、不易扩散,具有很好的方向性,因而很快便在通信领域找到了用武之地。

在光纤的传输介质方面,人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传播光。这种玻璃丝叫做光学纤维,简称光纤。光纤一般由两层组成,里面一层称为内芯,直径一般为几十微米或几微米;外面一层称为包层。为了使光纤在施工的过程中不易被拉断,通常把千百根光纤组合在一起进行增强处理,制成像电缆一样的光缆,这样既提高了光纤的强度,又使光纤系统的通信容量大大增加。光纤的突出优点,是它可以在同一条通路上进行双向传输,利用这一特性,用户可以通过交互信息系统与对方对话,这就是我们所说的光纤通信。

光纤通信是运用光反射原理,把光的全反射限制在光纤内部,用光的信号取代传统通信方式中的电信号。但初期的光纤,光在其中传输时损耗很大。因此,要想用它来通信是不可能的。

1966年7月,英国标准电信研究所的英籍华人高锟博士和霍克哈姆就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文,论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因,大胆地预言,只要能设法降低玻璃纤维中的杂质,就有可能使光纤损耗从每千米1000分贝降低到每千米20分贝,从而有可能用于通信。这篇论文鼓舞了许多科学家为实现低损耗的光纤而努力。

1970年,美国康宁玻璃公司的卡普隆博士等三人,经过多次的试验,终于研制出传输损耗仅为每千米20分贝的光纤。这样低损耗的光纤,在当时是惊人的成就,使光纤通信有了实现的可能。

1970年,美国的贝尔研究所研制出能在室温下连续工作的半导体激光器,这种激光器只有米粒大小。尽管最初的激光器的寿命很短,但这种激光器已被认为是可以作为光纤通信的光源。由于光纤和激光器的重大突破,使光纤通信有了实现的可能,因此,1970年被认为是值得纪念的光纤传输元年。

1970年,突破了光纤和激光器两项技术难题,光纤通信从理想变成可能,各国电信科技人员,竞相进行研究和试验。光纤通信开始进入实用阶段,而且此后的发展极为迅速,其应用系统也已经多次更新换代。20世纪70年代的光纤通信系统主要应用光纤的短波波段进行传输;80年代以后逐渐改用长波波段;到90年代初,光纤的通信容量扩大了50倍。到了90年代后期,传输波波长更长,并且开始使用光纤放大器等新技术以增强信号、扩大传输容量。这时,光纤广泛地应用于市内电话以及长途通信干线中,成为通信线路的骨干。甚至美、日、英、法等8国已宣布,今后铺设长途通信干线不再使用电缆而改用光缆。

条形码

早在1952年,伍兰德就获得了一项类似“牛眼”的商品标识码的设计专利,这种商品标识码由一组同心圆环组成,通过每个圆环的宽度和圆环之间距离的变化,来标志不同的商品。但是由于当时计算机技术水平的限制,伍兰德的设计未能实现。进入20世纪70年代后,商品流通得到了迅速的发展,商品的种类日益增多,无论是制造商还是经销商,都想找到一种简单有效的商品管理方法,而解决这个问题的最佳途径就是建立统一的商品标识码。当时以IBM公司为首的计算机公司,在计算机和激光扫描技术方面日益趋近成熟,因此利用统一的商品标识码对商品实行计算机管理的时机已经到来。为了选择一种快捷、简单、准确,并可以用激光扫描仪读取的商品标识码,美国于1971年成立了标准码委员会负责这项工作。伍兰德代表IBM公司加入了这个组织。

当时,IBM公司在激光扫描技术和商品标识码的研究中处于领先地位,伍兰德在研究中发现,他起初所设计的“牛眼”码在实施上存在着许多困难,因此他又设计了一种条形码,也就是现在普遍使用的条形码。这种新设计率先在辛辛那提的一家零售店实施和推广。试验发现,条形码比伍兰德原来设计的“牛眼”码有很多的优越性。因此,IBM公司向“标准码委员会”推荐将条形码作为统一的商品标识码。伍兰德先生向委员会阐述了条形码的优越性和可行性,指出“牛眼”码在实施上存在的困难,伍兰德先生的报告得到了委员会的认可。于是,委员会于1972年做出决定,将IBM公司推荐的条形码作为统一的商品标识码,从而使千姿百态的商品有了统一的识别标准。条形码的使用,为商品流通业实现计算机管理奠定了良好的基础。

互联网

20世纪60年代,随着美苏冷战的加剧,美国国防部害怕仅有的一个集中军事指挥中心被前苏联的核武器摧毁,那样的话,全国的军事指挥将会陷入瘫痪状态,其后果不堪设想。因此,有必要设计一个由多个分散的指挥点构成的指挥系统,某些指挥点遭到破坏后,其他的指挥点则不会受到影响,而这些分散网点的相互连接则要通过某种形式的通信网。为此,美国国防部组建了高级研究规划署(英文为ARPA,音译阿帕),其核心部门之一叫做信息处理技术办公室。从此,对阿帕网的研究开始了。