邮票与20世纪技术成就——电子学与计算机


91邮票网 1970-01-01 08:00:00 浏览量:446

   信息技术是人类20世纪重要的技术成就之一,本文根据邮票追溯人类在此领域的进展。

   信息技术,不论是信息传输(电报、电话、传真、电视),还是信息处理(计算机),都建立在电子学基础之上。

   无线电电子学的诞生依赖于两个重要人物,一个是爱迪生,另一个是赫兹,邮票对他们都有记录。爱迪生于1883年研究白炽灯时意外地发现,灯丝与加有正电压的电极之间有电流流过,而在加负电压时无电流。爱迪生并不清楚这个现象的机理,也没有意识到其重要意义。直到1897年J.J.汤姆孙发现电子后,人们才知道这就是热电子发射现象,该效应后来被命名为爱迪生效应,它是后来各种电子器件的基础。

   1904年,英国发明家弗莱明根据爱迪生效应发明了二极管,可用于无线电信号的检波。1905年,美国物理学家德福雷斯特(DeForest)在二极管的正极和负极之间加了一个用金属栅网做的电极(栅极),从而制成了三极管。三极管对电子学的发展有很大的作用,美国1973年发行了电子学进展系列邮票,其中一张的票面就是德福雷斯特三极管。改变栅极电压,可以改变电流的大小,因此三极管有放大作用。此后,四极管、五极管、微波管等电子管器件相继问世。

   赫兹从另一方面对无线电电子学的诞生起了重大的作用,他于1887年验证了电磁波的存在。德国1994年发行的纪念赫兹的邮票票面的背景就是电磁波图案,以纪念其奠基性的工作。之后,马可尼和波波夫于1895年发明了无线电报,开始用无线电波做媒体传送信息。

   广播和电视

   广播和电视是对社会影响最大的两种传媒。无线电广播出现于1920年代。马绍尔群岛1998年发行的1920年代大事系列邮票,其中一张就是“无线电广播来到世界”。各种无线电广播器材出现在美国电子学进展系列邮票中。

   在各种信息传送方式中,电视传送的信息量最大,可作为信息传送技术的代表。要传送一幅图像,必须把整幅图像分解为一个个像素,把这些像素按顺序从一个地方传送到另一个地方,然后再进行合成。分解像素的方法最早是德国的尼普可夫(P.G.Nipkow)1884年提出的机械扫描方法。德国为纪念电视技术发明百年的邮票重现了尼普可夫的图像传送系统。尼普可夫在一块圆盘上钻一列或几列排成螺线的小孔,挡在一个物体之前,使圆盘迅速转动,以实现把该物体分解成一个个像素。

   1927年,英国工程师贝尔德(J.L.Baird)实现了尼普可夫的设想,造出了世界上第一台电视机。马绍尔群岛的上述系列邮票中也有一张记录了这一事件。

   尼普可夫扫描盘的缺点是清晰度和灵敏度有矛盾:要清晰,必须增加像素的数目,孔必须开得很小,这样进光量就小。1934年后电子扫描装置取而代之。现代的全电子电视之父也在邮票上有记录,他就是美国工程师兹沃尔金(W.Zworykin)。他在1923、1924年相继发明了摄像管和显像管,1931年组装成世界上第一个全电子电视系统。

   二次大战后,电视广播在各国逐渐普及,“世界进入电视时代”——这是马绍尔群岛1950年代大事邮票中一张的主题。俄罗斯的一张邮票的票面是,电视机屏幕里有一个女播音员在播音,左下方一个摄影师扛着摄像机在工作,票面上还有4座电视塔,左边两座是世界最高的莫斯科奥斯坦金电视塔和世界第二高的上海东方明珠电视塔。电视塔下有一辆电视转播车,车上的接收装置正对着天上的电视转播卫星。这张邮票很好地表现了电视从拍摄到接收的过程,也显示了电视从在大城市就地播送到今天利用同步通信卫星覆盖全球的发展历程。

   计算机

   人类很早就想制造能进行数学计算的机器。这可追溯到17世纪法国物理学家帕斯卡所制的手动计算机,它只能做简单的四则运算。

   18世纪英国数学家巴贝奇(C.Babbage)最早提出具有程序控制功能的自动计算机的设想。他设计出一台“分析机”,借鉴提花机中用穿孔卡片控制花纹图案的技术,把计算程序存在穿孔卡片上。他还设想出现代计算机的许多其他特性,但当时的技术不能实现他的想法。为了纪念巴贝奇的奠基性工作,英国于1991年发行了印有其头像的邮票。

   第一台电子计算机ENIAC(电子数值积分计算机)是二次大战中因军事需要(弹道计算)而开始研制的,于1945年底制成。它的设计者是埃克特(J.Eckert)和莫奇利(J.Mauchly),他们也因此出现在邮票上。

   电子管计算机都是庞然大物,例如ENIAC共用了18000只电子管,占地170平方米,相当于10间房间大小,耗电功率150千瓦。工作时,它常因电子管烧坏而停机检修,但它却标志着“计算机时代的黎明”——这是马绍尔群岛1998年发行的1940年代大事邮票中一张的主题。

   ENIAC的一大问题是,其计算程序靠外插方法即改变线路连接的方式来实现。尽管计算速度比以前的手动或继电器计算机提高很多,但为计算准备程序却要花费很长的时间。美国军方在制造ENIAC的同时就要求承制单位设计更强有力的计算机。这时,著名数学家冯·诺伊曼加入到这项工作中来。冯·诺伊曼提出了一个称为EDVAC(离散变量自动电子计算机)的方案,它有两个特点:一是用二进制代替十进制,二是采用了“程序存储”机制,计算程序存储在计算机内。诺伊曼机由中央控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成,现代电子计算机都采用这样的结构。匈牙利为了纪念本民族这个伟大的儿子于1992年发行了纪念他的邮票。

   计算机的小型化和功能的提高与固体电子学的进展分不开。1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁、布拉顿三人发明了晶体管,马绍尔群岛的1940年代大事系列邮票记录了这一事件,而他们也因此分享了1956年的诺贝尔物理学奖。

   与电子管相比,晶体管有许多优点:体积小,重量轻,寿命长,耗能低,制造工艺简单,使用时不需预热。美国的电子学进展系列邮票上有印刷电路板上的晶体管。

   1950年代又出现了集成电路(芯片),即将晶体管、二极管等有源元件与电阻、电容等无源元件按照一定的电路互连,“集成”在一块半导体晶片上,完成特定的功能。同以往装配的电路比较,它的体积小,功耗低,速度快,可靠性高,特别是它把材料、元件和连接导线综合在一起,在特定的制造工艺中完成,生产效率高,成本低。从半导体到集成电路标志着信息时代的黎明——这是坦桑尼亚1990年发行的一张邮票的主题。

   1959年,第一块集成电路由美国得克萨斯仪器公司的基尔比(J.Kilby)制成,他因此而被授予2000年的诺贝尔物理学奖。基尔比和他的集成电路也出现在邮票的票面上,票面上的英文是“微芯片预言了计算机革命”。显微镜下的芯片也是纪念英国皇家显微镜学会150周年的纪念邮票的票面图案。

   第一代计算机是电子管计算机,第二代计算机是晶体管计算机。由于计算机中要用大量的晶体管,而且数字电路便于集成化,因此集成电路特别适合于计算机,成为计算机所必须的基本器件。因而,计算机继续发展为第三代集成电路计算机和第四代大规模集成电路计算机。

   集成电路芯片的设计依靠计算机辅助设计,新的芯片又提高了计算机的性能,两者相互促进,新加坡1986年发行的一张邮票的图案形象地表现了这一点。我国台湾地区是集成电路产业的重要基地,海峡对岸发行了集成电路电子工业邮票。

   由于制造工艺的不断进步,集成规模越来越大。从经验总结出穆尔定律:每18个月同样大小的芯片上集成的晶体管数目增加一倍(或每5年集成度增大到10倍)。这个趋势至今仍然保持着。

   与此相应,计算机的存储量越来越大,速度越来越高,性能越来越强。1970年代后期,一种独立的微型机系统——个人计算机开始流行。

   最早的个人计算机是美国苹果公司的苹果Ⅱ型计算机,于1977年开始在市场上出售。马绍尔群岛发行的邮票上有它的记录。一贯生产销售大中型机的IBM公司看到个人机的巨大市场,于1979年秘密组建了个人机研制组,于1981年推出IBMPC,1983年又推出IBMPC/XT,这在美国2000年发行的邮票上有体现。其后,PC机得到爆炸性的发展。今天,微机性能比以前的巨型机还强。

   与以往的任何机器都不同,计算机能够代替人脑的部分功能,称为电脑,英国1999年发行的千禧年邮票对此表现得颇为形象。计算机的出现不但极大地提高了人类认识自然和改造自然的能力,而且开辟了一个信息时代,对社会生活各个方面产生了重大的影响。邮票对此有非常好的展示。

   例如:以色列的邮票展示了计算机在工业中的应用;中国香港地区的邮票展示了计算机在教育中的应用——学位帽是靠书本和计算机垒起来的,计算机占了很大的成分;意大利的纪念意大利安莎通讯社成立50周年的邮票,更表明今天的新闻通讯业离开计算机就没法工作;俄罗斯的计算机邮票中,台式机和便携机的屏幕上显现了计算机的各种最新用途:计算机辅助设计、计算机图形学、互联网,带立体眼镜的男子正在操作虚拟系统。

   总之,信息的传输、处理和提取是社会的基本运作方式之一,计算机是一个高效能和通用的信息处理机,无怪乎各国都在全力发展以计算机为中心的信息技术。英国和加拿大发行了信息技术邮票,而从英国的邮票中可看到从象形文字到电脑的发展过程。

   计算机网络

   为实现不同计算机之间的信息共享和资源共享,在1960年代末开始发展了计算机网络技术。最早发展的是各种局域网。为使不同类型的网络互相联通,1969年,美国国防部组织一批科学家,开始兴建广域网,即互联网(Internet)。现在,互联网在全世界已深入社会,拥有众多用户。意大利1998年发行的邮票展示了互联网。

   在互联网上应用超媒体超链接技术,将互联网上众多的计算机中的信息连接起来,这就是所谓万维网(www)。今天,WWW的服务已成为互联网最主要的资源,人们所谓的上网,就是在浏览器友好的界面下,从一台计算机漫游到另一台计算机,正如马绍尔群岛的一张邮票所表现的——浏览奇妙的WWW世界。(本文作者秦克诚为北京大学物理系教授。)

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