通信史话----- 纪念光纤通信发明五十周年

作者:刘晨来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-12-15

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  今年是光纤通信发明五十周年,为了纪念这一重大事件,我来给大家讲讲有关光纤通信的故事。

  翻开人类的历史,人类通信最早可追溯到远古时期。那时的非洲人通过“击鼓接力”“击鼓语言”来传递信息,而在二千多年前的中国,也出现了原始的光通信“烽火台”,以及成语“鸿雁传书” 所描述的用鸟等动物来传递信息的方式。

烽火台blog.sina.com.cn

  在近代,则出现了大家所熟知的电报,电话. 而电报和电话又可分为有线和无线。有线是通过电缆电线来传输信息的,而无线则是通过空间电磁波来进行传输的,那么这些近代通信方式又是如何被发明的呢?

  关于近代通信的发明,主要有以下几个重要的节点:

  1 1838年,美国职业画家摩尔斯发明了有线电报,从而开始了电通信的时代;

  2 1864年,英国数学物理学家麦克斯韦创立了电磁场理论,它直接导致了后来无线通信的产生和发展;

  3 1876年,波士顿大学贝尔教授利用电磁铁的感应原理发明了电话;

  4 1896年,意大利发明家马可尼发明了无线电报。

  首先我们从第一个节点开始聊起。关于电报,现在我们已经很少用到了,在上个世纪七八十年代,我们还经常用到,所以,对于年青的一代,可能对电报已经比较陌生了,那么在人类历史上,第一个提出“电报”这个名词的人是谁呢?

  这个人叫查佩,是法国人。查佩有兄弟俩,人类历史上第一个使用信号塔来传输信息的就是他们俩。

  那么发明电报的人又是谁呢?发明电报的是一个美国人,他是一名画家,并曾担任过美国画家协会的主席,名叫摩尔斯。大家可能有点疑惑,怎么发明电报的是画家,而不是科学家呢,这里面有一个小故事。

  1832101日,摩尔斯在一艘名叫“萨丽号“的邮轮上,遇见了一个人,这个人改变了他的下半生的人生轨迹,这个人是谁呢?

  这个人名叫杰克逊,是一位美国的职业医生,杰克逊这个人具有双重身份,一方面是医生,另一方面他是一名电学博士,在这艘邮轮上,杰克逊博士给乘客作了一场关于电磁铁的演讲,这次演讲引起了摩尔斯强烈的好奇心,他当时就想:我们为什么不能利用电磁铁在有电和没电这两种状态下所作出的不同反应来传递信息呢?这个想法非常好。

  回去以后,摩尔斯既然决然地放弃了他的绘画事业,专心致志地研究起电报来。因为摩尔斯是一名画家,他对电学一窍不通,于是就拜当时著名的电磁学专家亨利先生为师潜心研究,经过多年的努力,最后终于在美国国会3万美金的资助下,在华盛顿和巴尔的摩之间架起了数十公里的线路。

  1844524日,在华盛顿国会大厦联邦最高法院的会议厅里,摩尔斯发出了电报信息,而摩尔斯的助手在巴尔的摩准确无误地收到了这份电文,电文的内容只有短短一句话:“上帝创造了何等奇迹。”,这是人类历史上的第一份电报。

  摩尔斯虽发明了电报机,但美中不足的是,需架设线路,在实用时会出现造价高,维护不方便,费时费力费钱的现象。因此,人类在发明有线电报的同时,就呼唤无线通信时代的到来。而这个时代被后来的著名的科学家麦克斯韦所开创。

  麦克斯韦是一位英国物理学家和数学家,在他年少的时候,就显示出与众不同的才华,在中学时期,麦克斯韦在全国最高学术机构的学报----《爱丁堡皇家学会学报》上发表了一篇论文,据说论文的内容当时只有大数学家笛卡尔曾研究过,而且他的方法比笛卡尔更加简单。

  当然,如果没有他父亲的科学启蒙,以及后来遇到的两位贵人,他是不可能实现伟业的。

  麦克斯韦的父亲是一位机械设计师,他对麦克斯韦的一生影响非常大,麦克斯韦成年后,之所以能创立麦克斯韦电磁场方程组,很大一部分得力于他的数学天赋,而这种数学天赋正是他的父亲在一次无意中发现的。

  那还是在麦克斯韦小的时候,有一天,他父亲叫麦克斯韦画一个插满菊花的花瓶,麦克斯韦画完后就交给了他父亲,他父亲打开一看,这那是花瓶啊,在纸上涂的全部都是几何图形。但从这一简单事件中,他父亲敏锐发现了麦克斯韦在几何学乃至数学上的天赋,于是,就开始教麦克斯韦几何学,从此麦克斯韦与数学结下了不解之缘。

  那么另两位贵人又是谁呢?

  第一位贵人是剑桥大学霍普金斯教授,据史书记载,有一天,霍普金斯去剑桥大学图书馆去借书,他想借一本数学专著,结果发现这本书已经被人借走了,到底是谁借走的呢?要知道,这本数学专著一般的大学生,就是大学数学老师也很难看懂的呀!于是霍教授就去问图书馆管理员是谁借走的?管理员告诉他是一名叫麦克斯韦的学生。霍教授感到这位学生不一般,就亲自登门拜访这位学生。

  当霍教授走进麦克斯韦的房间时,发现麦克斯韦正在宿舍趴在桌子上作读书笔记,霍教授拿起他的笔记本一看,上面写满了乱七八糟的东西,内容杂乱无章,于是霍教授就对麦克斯韦提出了自己的忠告:

  “小伙子,如果没有秩序,你永远成不了优秀的物理学家。“

  正是霍教授这一句话,点醒了麦克斯韦,从此,麦克斯韦在霍普金斯的指导下,用不到三年的时间就掌握了当时最先进的数学方法,这一点对他日后完成电磁理论起的作用非常大。

  第二位贵人又是谁呢?他就是著名的科学家法拉第,据史书记载,法拉第的数学功底不深,但他有一个突出的优点,就是动手能力强,做实验的功夫非常了得。所以法拉第就根据他所做的实验写了一本《电学实验研究》书,在这本书中,几乎没有出现任何理论和数学公式,因此一些科学家看后认为他只是一个实验员,但唯独麦克斯韦看后觉得非常有价值,他想通过自身的数学才能来弥补这一缺陷。经过多年的努力,麦克斯韦前后发表了三篇有关电磁学的划时代学术论文,从而奠定了电磁场理论的基础。

麦克斯韦方程组baike.baidu.com

  麦克斯韦对人类的最大贡献就是预言了电磁波,并用麦克斯韦方程组对电磁波作出了数学描述,这些对日后人类利用无线电技术-----无线通讯产生了深远影响,1896年马可尼发明无线电报,就受到它的影响。

  意大利发明家马可尼号称“无线电之父”,1909年他因发明了无线电报技术而获诺贝尔物理学奖,马可尼本人对研究用电磁波向空中发送信号非常着迷,经过努力他设计了一种简陋的装置,并在1901年成功进行了人类历史上第一次无线电通信实验。

  除了电报,人类还发明了电话,电话使人与人之间的联系更加便利,从而拉近了人们之间的距离,形成了“地球村”,电话的发明,使传递信息更加迅速便利,它使我们的生活更加丰富多彩,那么发明电话的又是谁?他是如何发明的呢?

  发明电话的人名叫贝尔,出生于1847年,贝尔是波士顿大学语言生理学教授,而他的妻子则是一个聋子,有一次,贝尔在做聋哑人用的“可视语言“的实验时,发现了一个有趣的现象,即当电流出现流通和截止这两种情况时,螺旋线圈会发出各种噪声,而这种噪声就像电报机发出的”嘀答“声一样,于是贝尔马上联想到:我们能不能利用这种现象来输送人发出的声音呢?

  为了解出这个谜团,贝尔一头扎进图书馆,开始研究电磁学理论,并做出了一台样机。187562日,贝尔和他的助手沃特森在实验室对样机进行了试验,当时贝尔在实验室的一头,而沃特森则在另一头。在做实验时,贝尔一不小心把硫酸溅到自己的腿上,他大声对沃尔森喊道:沃尔森先生,请到我这里来帮帮我。“这句话由电线传到沃尔森耳中,沃尔森当时就兴奋地从那一头冲了过来,他知道试验成功了。

贝尔发明了电话blog.sina.com.cn

  两年后的1878年,贝尔在波士顿和纽约这两座城市之间进行了第一次长途电话试验,结果也获得成功,从此人类就有了现在的电话了。

  再后来我们就有了光纤通信,光纤通信的发明人是被人们誉为光纤通信之父的前香港中文大学校长高锟先生。在1966年,高锟先生发表了一篇《用于光频的介质纤维表面波导》的研究论文,这篇论文创造性提出了用一种石英玻璃制作的光学纤维来传输信息,用以替代传统的电缆,从此,人类通信方式发生了根本性的变化,高锟本人也因此获得了2009年度诺贝尔物理学奖。

 高锟先生与光纤通信fiber.ofweek.com

  光纤通信改变了我们的日常生活,它使我们的通信更加便利,生活更加丰富多彩。时光倒流到一百多年前,几乎没有人会想到普通的玻璃能将全世界的人都联系到了一起。人类会永远感谢高锟先生这位伟大的科学家。

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