回望人类发明之路（十八）

张开逊/文

福瑞斯特真空三极管的发明，使无线电广播迅速成为一种大众传媒，收音机成为当时一种时尚家电。

利用真空三极管可以产生功率强大的高频无线电信号的特性，人们将声音变成电信号叠加在上面，向幅员辽阔的地域播送语音信息，并且在远离电台的地方接收这种无线电信号。通过真空三极管充分放大，重新把声音信号分离出来，推动扬声器再现播音员的话语和演员的歌声。1920年，美国匹兹堡建立了第一座面向公众的无线广播电台；1922年，美国无线电公司编制了第一份无线电产品目录，名称为“家用无线电”。该产品目录显示，价格最贵的收音机有4个真空管，售价401美元。同年，美国无线电公司生产出第一台手提式电子管收音机。

真空三极管不但可以放大电信号，还能自行产生一种振荡的高频电信号，这种高频电信号可使人体某些组织发热从而改善血液循环，有助于医生治疗疾病。它还可用于熔炼金属（例如，在洁净的坩锅里制造各种成分的合金），对金属材料进行淬火处理，改善工具、机器零部件的性能等。从此，无线电电子学技术开始跨出通信系统，进入人类活动的更多领域。

福瑞斯特在许多领域都有建树。他在电话、彩色电视、雷达和高频热治疗医学领域有300多件专利。

福瑞斯特1873年出生在美国依阿华州。父亲是一位行政部长，他喜欢天文学和探究大自然的兴趣激起了儿子心中热爱科学的火花。福瑞斯特在耶鲁大学毕业后，于1899年获理学博士学位，其博士论文题目为《电磁波反射特性的研究》，这是美国研究电磁波的第一篇学术论文。

福瑞斯特虽然是一位聪慧的科学家、发明家，但他却是一位不成功的企业家。在得知马可尼发明无线电技术之后，他便投入改进无线电信号检波器的研究。为克服金属检波器的缺陷，他发明了电解质检波器，利用某些无机化合物液体单向导电的特性，使交流电信号变成单向传输的电流；他成立“美洲福瑞斯特无线电报公司”，并在全国建立销售网络，向美国陆军销售他发明的装置。由于这项发明与另一位发明家费森登（1866—1932年）的发明有相近之处，福瑞斯特于1903年在专利纠纷中被诉侵权并被法院判决败诉，为此，他的公司倒闭。

在逆境之中，福瑞斯特转向研究无线电应答机。为提高应答机的接收灵敏度，他发明了真空三极管。作为核心器件，真空三极管一直在推动电子技术前进，直至1947年3位美国科学家发明晶体管，它才逐渐退出历史舞台。

1925年，苏格兰人贝尔德（1888—1946年）实现了用电传送活动图像的构想，发明了最早的电视。此后，来自不同领域的发明家沿贝尔德开辟的道路，不断改进和发展电视技术，使电视进入千家万户，人们足不出户，便可以看到遥远地方发生的事情。

贝尔德采用的方案非常富于想像力。首先，他通过透镜使需要传送的景物成像，在离景物影像不远的地方安放一个对光线敏感的元件，这个元件可以把不同强度的光线变成大小不同的电流，当时他使用的元件是可以在光照下产生电流的硒片。尔后，他在透镜产生的物像与硒片之间放置一个圆盘，盘上设有许多可以透光的小孔。当快速转动圆盘时，物像不同部位发出的光通过转盘上的小孔从左到右、从上到下依次投射到硒片便产生与景物影像亮度一致的电流。这种随时间迅速变化的电流经过真空三极管放大使一个灯泡发光，灯炮亮度变化则与景物影像不同空间位置的明暗变化一致，灯泡发出的光角通过一个同样结构和转动方式的多孔透光圆盘投射到幕布上。当这两个同步运动的圆盘旋转足够快时，幕布就会呈现与实际景物大体相似的影像。这种做法很像以一种特殊的方式搬动一块花布：首先沿水平方向抽取花布最上方的第一条纬线，然后紧接着抽取第二根、第三根……直到抽完最后一根。这些抽出的线首尾相连被牵拉到另外的地方，重新按顺序排好，这些纬线便组成了与原来花布一样的图案。只要抽运和重组的速度足够快，这块花布就好像在一瞬间挪动了地方。

贝尔德在英国皇家技术学院毕业时，英国正参与第一次世界大战。他打算应征到部队中担任无线电通信技术军官，但由于体弱多病而未能如愿。此后，他决意做一名专业的“业余无线电爱好者”。贝尔德对无线电领域的许多问题有着浓厚的兴趣，由于缺乏必需的研究条件，屡遭失败，使他几近精神崩溃。在得知马可尼发明的无线电技术成功地实现了声音传送之后，贝尔德萌生了用它传送活动影像的想法。

贝尔德最初研究电视的时候，人们认为他的想法稀奇古怪不切实际，无人给予他经济支持，他白天替人推销皮鞋油，晚上在狭小的顶楼做实验，每天的收入只够买面包付房租，他的很多样机是用饼干筒、自行车灯聚光镜以及鞋带捆扎的铁条支架做成的。

1925年10月2日，贝尔德成功地把一个活动玩偶的舞蹈动作图像从顶楼的一个角落传送到另一个角落。贝尔德激动万分地跑下楼，把杂货铺里的一个小男孩拉上来当他的第一位电视观众。一夜之间贝尔德迅速成名，许多投资者纷纷解囊，希望他实现更大的目标。1927年，贝尔德实现了从伦敦到格拉斯哥之间的电视信号传送。1928年，贝尔德的电视信号从伦敦传送到纽约。此外，贝尔德还发明了转盘式彩色电视，提出了投影电视的设想。他认为，应该让人们像看电影那样享受电视。

贝尔德发明的电视在实际应用中有两个严重的问题：机械转盘小孔扫描速度不够快，通过小孔投射的光斑太大，图像既闪烁又不清晰；产生电视信号的转盘和再现电视图像的转盘在机械上不容易同步，需经精细调节才能观看稳定的画面，而且这种电视装置庞大，不适宜在室外播送电视节目。1931年，出生在俄罗斯的美国发明家楚里金（1889—1982年），以两件新发明解决了这些问题，奠定了现代电视技术基础。

楚里金改进了布劳恩发明的阴极射线示波管，利用银—铯氧化物涂层，将聚焦的影像明暗空间分布转换成相应的电荷分布，用一束左右上下扫描的电子束获取这种信号，发明了光电摄像管。他又用聚成细束的电子，左右上下顺序轰击阴极射线管的荧光屏，以摄像管发出的信号控制电子束强度，图像亮的地方电子数量增加，暗的地方电子数量减少，在荧光屏上重现摄取的画面，发明了电视显像管。

在楚里金发明的光电摄像管和显像管中，电子可以聚成很细的束，在电场和磁场控制下以极快的扫描速度传送和再现影像，产生清晰、稳定的画面。今天，全世界所有的电视仍采用楚里金的这两项发明。

楚里金的父亲是经营船舶航运的商人，一心希望儿子继承家业，但尊重儿子的选择送他去彼得堡技术学院学习电气工程。1912年楚里金毕业。接着，他到法国跟随物理学家朗之万（1872—1946年）研究X射线。1914年俄罗斯参与第一次世界大战，楚里金中断了研究工作担任无线电技师，使他有机会了解无线电装置的内部结构和相关知识，为日后的发明打下了重要基础。

第一次世界大战结束，楚里金举家移民美国，在威斯汀豪斯公司从事阴极射线管研究。在不足5年的时间内，他发明了光电摄像管；不到1年他又发明了电视显像管。可是，热衷发电设备制造的威斯汀豪斯公司对他的发明不感兴趣。1929年，楚里金转入美国无线电公司后获得了400万美元的资金支持，改进和完善了他的电视系统，使他的发明得以实用化，从而完全取代了贝尔德的机械电视。然而，楚里金发明的光电摄像管和电视显像管在43年之后即1968年才获得专利权。

全电子化的电视于1935年开始在德国向公众播出。1936年，这种电视转播了在德国柏林举办的奥林匹克运动会实况，此时的电视还是黑白色彩。全电子化彩色电视于1949年在美国研制成功，1951年第一次向公众播出。

今天，电视已经进入全球一半以上的家庭，每天，数以亿计的人都会坐在电视机前观看世界风云变幻、人间喜怒哀乐、宇宙万千气象。

20世纪30年代，电子技术领域的发明，拓展了人类获取自然信息的空间尺度。科学家开始突破光学显微镜的局限，深入更小的微观世界观察病毒和原子；开始通过电磁波获取光学望远镜无法得到的太空天体信息。

1931年，德国科学家卢斯卡（1906年～）发明了电子显微镜，利用电子代替光线观察细小的物体。在以往的光学显微镜中，透镜放大率受到光的波长限制，当被观察样品的尺寸和光的波长相近时，光线会发生严重的衍射，出现模糊的光斑，透镜所产生的图像不再是样品本来的样子。而且光学显微镜的放大率一般不能高于2 000倍，这一限制已困扰科学家200年，使许多微观领域的研究止步不前。

卢斯卡的发明源于对电子物理特性的基础研究。1924年，意大利物理学家德布洛伊（1892—1987年）发现电子具有波动性，可以像光线那样成像，这激发了人们产生制造电子显微镜的联想。卢斯卡使真空中聚成细束的电子在静电场和磁场的作用下偏转，快速穿透制成薄片的样品，以扫描的方式投射在阴极射线管的荧光屏上，呈现出样品放大的图像。在电子显微镜中，经过高电压加速的电子波长比可见光小几万倍，然而电子显微镜分辨率可以比光学显微镜高几万倍，能够使样品放大100万倍以上，甚至可以看见单个的原子。电子显微镜使人们进入材料科学、医学和生命科学的新领域。2003年，当SARS在全球肆虐的时候，电子显微镜帮助人们迅速找到了SARS冠状病毒元凶。

1931年，年轻的美国工程师央斯基在研究短波无线电通信干扰时，在接收装置的耳机里听到一种轻微的吱吱声，这种声音几乎每天都会出现，而且每天约比前一天提前4分钟。央斯基有一位研究天文学的朋友告诉他：“从太阳上看地球自转一昼夜是24小时，从遥远的恒星上看，地球自转一周需要的时间会短一些，因为银河系本身也在旋转。这种信号会不会来自太空？”央斯基连续观测了一年，最后确认这种无线电信号来自银河系中央的一颗恒星。这一发现开创了无线天文学，科学家从此打开了另一扇窥测宇宙奥秘的窗口，发现了许多用光学望远镜无法见到的星体，观测到太阳发出的变化无常的无线电信号，探测到木星大气中剧烈的风暴，还探测到宇宙大爆炸之初产生的电磁波辐射，这些电磁波信号在太空中经过100多亿年才到达地球，通过它们，科学家绘出了宇宙诞生之初的景象。


图片说明
1． 最早对公众进行无线电广播的美国匹兹堡电台当时播音的情景
2． 1924年，美国生产的可以随身携带的电子收音机
3． 最早的电视机
4． 1925年，贝尔德正在英国伦敦演播室调试机械电视
5． 人们正在收看贝尔德播出的电视节目，当时只有图像没有声音
6． 1926年，贝尔德最早播出的电视画面——一张人脸
7． 楚里金发明的光电摄像管
8． 电视显像管
9． 1939年，美国生产的电视机和当时的汽车一样贵
10． 电子显微镜
11． 通过太空无线电信号获得的宇宙诞生之初的情景。蓝色小块显示在引力作用下气体正在凝聚成星系
12． 央斯基在分析天体发出的无线电信号