通信以光速进行

在人类几千年的文明史上，长距离快速传递信息一直是个大问题。人类的进步史，从一开始就是信息传递方式，或者说是通信方式的发展史。语言、文字和书写系统的发明，写字的泥板、竹简，后来的纸张和印刷术，都是为了信息的传递。直到19世纪初，快马和信鸽还是最快的传递方式。中国古代采用过烽火台传递消息，当边境有外敌入侵时，守军点燃高处的烽火台，远处另一个烽火台的守军看到后，点燃自己的烽火台继续传递该消息。但是从通信的角度讲，烽火台只能传递一个比特信息而已，即有敌情和没有敌情两种情况。另外，它传递的误码率还很高，因为如果谁不小心在两个烽火台的中间点燃了火，就可能引起误判。尽管如此，烽火台在古代还是发挥了巨大的作用。

如何向远距离传递多种信息呢？大航海时代，为了便于船队之间的通信，水手发明了信号旗。今天已经无法确定它的发明者是谁，甚至不知道是哪个国家的水手先发明的，但是可以确定，在16世纪时，英国人和荷兰人已经用信号旗来编码和传递信息了。在随后的英国与荷兰的战争中，英国皇家海军将信号旗语规范化，用11种不同的信号旗相互组合，传达45种信号。海上的信号旗语后来不断发展、不断改进，一直沿用至今（见图6.19）。

在没有遮挡的大海上，信号旗在一定范围内是一种很好的通信方法，但是在陆地上，由于有山峦、森林和城市的阻挡，这种方法无法使用。到了18世纪末，法国一个默默无闻的工程师克洛德·沙普（Claude Chappe，1763—1805）结合烽火台和信号旗的原理，试图设计一种高大的机械手臂来远程传递信息。

沙普在他4个兄弟的帮助下，搭建了15座高塔，绵延200千米，每座高塔上有一个信号臂（见图6.20），每个信号臂有190多种姿势，这样就足以把拉丁文中的每一个字母和姿势一一对应起来（见图6.21）。由于信号塔和信号臂非常高，十几千米外都能看见，因此就可以用它来传递情报。1794年，沙普兄弟展示了这种通信系统，在9分钟内将情报从巴黎传递到了200千米之外的里尔。

▲图6.19 今天国际通用的海上信号旗

这种信号塔的造价虽然比较贵，但是当时法国正好在和奥地利等反法同盟国家开战，急需传递情报的系统，于是一口气建造了556座，在法国建立起了庞大的通信网。整个网络线路长达4800千米，这可能是近代最早的通信网络了。由于信号塔在通信中的有效性，后来西班牙和英国也纷纷建立起自己的系统，但是它们改进了沙普的设计，让信号臂的姿势看起来更清楚。在电报出现之后，信号塔的作用才慢慢消失。

▲图6.20 沙普设计的信号臂

电报的发明要感谢一位精通数学和电学的美国画家塞缪尔·莫尔斯。虽然提及莫尔斯电报码时我们会先入为主地认为他就该是一个科学家，但是在他的年代，人们认为他是在美国绘画史上占有一席之地的优秀画家，很多名人（包括美国第二任总统约翰·亚当斯）都请他画过肖像画。即使在发明了电报之后，他还是继续以作画卖画为主业。

莫尔斯发明电报码起源于一个偶然事件。1825年，莫尔斯接了个大合同，纽约市出1000美元请他为美国的大恩人拉法耶特侯爵（Marquis de Lafayette，1757—1834）画一幅肖像。莫尔斯当时住在康涅狄格州的纽黑文市，而作画地点是500千米外的华盛顿市，但是为了这1000美元（相当于现在的70万美元）巨款，他还是离家去作画了。在华盛顿期间，莫尔斯收到了父亲的一封来信，说他的妻子病了，莫尔斯马上放下手上的工作赶回家。但是等他赶到家时，他的妻子已经下葬了。这件事对他的打击非常大，从此他开始研究快速通信的方法。

▲图6.21 信号臂的姿势对应的字母和数字

莫尔斯的电学和数学基础扎实，他解决了电报的两个最关键的问题：一是如何将信息或文字变成电信号，二是如何将电信号传到远处。

1836年，莫尔斯解决了用电信号对英语字母和数字编码的问题，这便是莫尔斯电码。我们在谍战片中经常看到发报员“嘀嘀嗒嗒”地发报，嘀嗒声的不同其实是继电器接触的时间长短不同造成的。“嘀”就是开关的短暂接触，可以理解成二进制的0，“嗒”就是开关的长时间（至少是“嘀”的3倍时间）接触，可以理解成1。0和1的组合，就可以表示出所有的英语字母。当时虽然还没有信息论，但是人们还是根据常识对经常出现的字母采用较短的编码，对不常见的字母采用较长的编码，这样就可以降低编码的整体长度。图6.22是莫尔斯电码的编码方法。

▲图6.22 莫尔斯电码对英文字母和数字的编码

在解决了编码之后，1838年，莫尔斯研制出点线发报机，解决了信号传送问题。这个装置颇为巧妙，当发报人将继电器开关短暂接通后（发出“嘀”声），接收装置上的纸带就往前挪一小格，同时有油墨的滚筒就在纸带上印出一个点；当电路接通较长时间（发出“嗒”声）后，接收装置上的纸带就往前走一大段，同时油墨印出一段较长的线。接收人根据接收纸带上的油墨印迹，对应莫尔斯电码，就可以转译成文字。

就在莫尔斯发明电报的同时，甚至更早一点时间，1833年，欧洲的发明家威廉·爱德华·韦伯（Wilhelm Eduard Weber，1804—1891）和数学家高斯合作，也发明了类似的装置，并且建立了哥廷根大学和当地天文台的通信。遗憾的是，韦伯后来因为政治原因被当地政府驱逐出境，相应的研究便不了了之了。1837年，英国发明家威廉·库克（William Fothergill Cooke，1806—1879）和查尔斯·惠斯通（Charles Wheastone，1802—1875）也发明了电报，并且最早实现了商业运营。但是他们的发明使用并不方便，因此，还没来得及普及就被莫尔斯的发明取代了。今天，大家都知道莫尔斯而不知道其他做出类似发明的发明家，因为他是真正让电报实用和普及的人。不过，很多不同国家的人几乎在同一个时间点彼此独立地发明了类似的装置，说明当时的技术积累已经使电报的发明成为历史的必然。

从信号旗到信号臂，再到莫尔斯电报，虽然形式不同，通信的效率不同，但是有两个根本之处是相通的：首先，编码是通信的核心，语言本身就是一种编码。信号旗语、信号臂的姿势和莫尔斯电码，都是将信息进行编码。其次，通信的设施和编码的设计是相匹配的，其功能是将编码信息传递出去。莫尔斯设计的电报系统采用长短结合的方式传递信息，是因为各种信息能够使用“嘀”“嗒”两种信号编码。今天我们基于计算机的数字通信采用“0”“1”编码，是因为我们使用的电路很容易实现高电压（对应0或者1）和低电压（与高压相反，对应另外一个数值）。未来通信的发展也是如此，比如今天非常热门的量子通信，利用量子的叠加状态进行编码，相应的通信设备就需要能够检测这种叠加状态。

1844年，在通信史上具有划时代意义。这一年美国第一条城际电报线（从巴尔的摩到首都华盛顿）建成，总长约38英里，从此人类进入了即时通信时代。

最早帮助普及电报业务的是新闻记者，因为只有他们才有大量的电报需要发送。19世纪40年代末，纽约6家报社的记者组成了纽约港口新闻社（美联社的前身），他们彼此之间用电报传送新闻，从此世界各地的新闻社开始涌现。1849年，德国人路透将原来的信鸽通信改成了电报通信，传递股票信息。两年后，他在英国成立了办事处，这就是后来路透社的前身。1861年，美国建成了贯穿北美大陆的电报线，以前通过快马邮车将消息从美国东海岸传递到西海岸需要20天时间，而通过电报几乎瞬间便可完成了。与此同时，美国的快马邮递从此也退出了历史舞台（见图6.23）。

▲图6.23 小马快递公司（Pony Express）的快递员与正在架设电报线路的工人相遇，象征着两个时代的碰撞

1866年7月13日，美国企业家赛勒斯·韦斯特·菲尔德（Cyrus West Field，1819—1892）在经历了12年的努力之后，终于成功地铺设完成了跨越大西洋的海底电缆，欧洲旧大陆从此和美洲新大陆连接为一个共同的世界。

除了为新闻通信服务，电报很快也被用于了军事。由于分散在不同地点的军队之间可以很好地通信和彼此配合，德国军事家老毛奇（Helmuth von Moltke the Elder，1800—1891）提出了一整套全新的战略战术，帮助普鲁士和后来的德国称霸欧洲。为了保密，电报还促进了信息加密技术的发展。

对老百姓来说，比电报更实用的远程通信是电话。普通的家庭是不可能自己装电报机的，一般人也不会去学习收发电报。

一般认为，美国发明家、企业家亚历山大·贝尔（Alexander Graham Bell，1847—1922）发明了电话，并且创立了历史上最伟大的电话公司AT&T（美国电话电报公司，前身叫贝尔电话公司）。不过，为了讨意大利人的欢心，2002年美国国会认定电话发明人是意大利人安东尼奥·梅乌奇（Antonio Meucci，1808—1889），他在贝尔之前发明了一种并不太实用的电话原型机。不过，即使在意大利，也没有多少人知道他。这再次说明了对于一项发明来说，最后那个把发明变成产品的人，远比最早想到发明雏形的人重要得多。

贝尔的母亲和妻子都是聋哑人，贝尔本人则是一个声学家和哑语教师。他为了发明一种听力设备来帮助聋哑人，而最终导致了电话的发明。在贝尔之前，梅乌奇和其他发明家也设计过类似电话机的装置，但是都因为传输声音的效果太差，根本无法使用。1873年，贝尔和他的助手托马斯·奥吉斯塔吉·沃森（Thomas Augustus Watson，1854—1934）开始研制电话。在随后的两年里，贝尔和沃森天天泡在实验室里研究。和很多发明家一样，他们早期总是不断地失败。虽然他们曾成功传输了声音，但是效果也不理想，依然无法使用。当时，全世界有不少人都在致力于发明电话，并且进度相差不多。贝尔能够获得电话的专利，则要感谢他的合作伙伴哈伯德（Gardiner Greene Hubbard，1822—1897）在没有通知他的情况下，于1875年2月25日去美国专利局申请了专利。仅仅几个小时后，另一位发明家伊莱沙·格雷（Elisha Gray，1835—1901）也向专利局提交了类似的电话发明申请。贝尔和格雷不得不为电话的发明权打官司，一直打到美国最高法院，最后，法官根据贝尔提交专利申请的时间更早一点，最终裁定贝尔为电话的发明者。1876年3月7日，贝尔获得了电话的专利（见图6.24）。

▲图6.24 贝尔的电话专利

就在贝尔获得专利权的3天后（1875年3月10日），在实验过程中沃森忽然听到听筒里传来了贝尔清晰的声音：“沃森先生，快来，我想见到你！”这是人类第一次通过电话成功地将语音传到远处。接下来，这两个年轻人又没日没夜地干了半年，几经改进，1876年8月，终于研制出世界上第一台实用的电话机。贝尔和格雷几乎同时发明电话，再次说明当相关技术积累到一定程度，电话的发明就成了必然。即使没有贝尔，人类也将进入电话时代，只是时间上或许晚一点而已。

贝尔对人类的贡献不仅在于发明了实用的电话，而且还依靠他精明的商业头脑，推广和普及了电话。1877年，波士顿架设了全世界第一条商用电话线。同年，贝尔电话公司成立。1878年，贝尔和沃森在波士顿和纽约直接进行了首次长途电话试验，并获得成功，这两地之间相隔300多千米。1915年，从纽约到旧金山长途电话的开通，则将相隔5000多千米的美国东西海岸连到了一起。到20世纪初，世界除南极之外的各大洲都有了四通八达的电话网。原本要几天甚至几个月才能传递的信息，瞬间便可以通过电话通知对方；原本必须见面才能解决的问题，很多可以通过电话解决了。

通信技术的提高和快速发展的交通，极大地促进了市场经济的发展。虽然早在18世纪70年代，亚当·斯密（Adam Smith，1723—1790）就预言，精细的劳动分工和统一的大市场可以创造更多的财富。但是由于交通和通信的障碍，这个预言直到100多年后才真正得以实现。自由贸易的发展，又使得各国的金融系统彼此连成了一个整体。

直到今天，电信产业依然是全世界最大的产业之一，2016年它的产值高达3.5万亿美元。相比之下，我们热议的互联网产业则要小得多，它同期的市场规模只有3800亿美元，相差几乎一个数量级。

电信产业其实只是通信的一部分，广播、电视，乃至整个互联网也都属于广义的通信领域。这些产业之间的关系是这样的：

·单向一对一的通信——电报。

·双向一对一的通信——电话。

·单向一对多的通信——广播、电视等。

·双向多对多的通信——互联网。

有意思的是，实现它们的难度恰好也是上面的次序。因此，我们不难想象，当电报和电话两种通信方式被发明之后，接下来就轮到广播和电视了。在介绍这两项发明前，我们先讲与它们紧密相关的无线电。

无线电技术的发展有赖于麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）的电磁学理论。和之前很多电磁物理学家（如法拉第）不同的是，麦克斯韦的理论水平极高，因此，他建立了理论非常严密的电磁学理论。1865年，麦克斯韦在英国皇家学会的会刊上发表了《电磁场的动力学理论》，并在其中阐明了电磁波传播的理论基础。第二年，德国物理学家赫兹通过实验证实了麦克斯韦的理论，证明了无线电辐射具有波的所有特性，并发现了电磁波的波动方程。

1893年，特斯拉在圣路易斯首次公开展示了无线电通信。1897年，特斯拉向美国专利局申请了无线电技术的专利，并且在1900年被授予专利。然而，1904年，美国专利局又将其专利权撤销，转而授予了意大利发明家马可尼（Guglielmo Marconi，1874—1937）。这种事情在历史上很少见，而背后的原因则是马可尼有爱迪生的支持，此外他还获得了当时钢铁大王、慈善家安德鲁·卡内基的支持。1909年，马可尼和卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850—1918）因“发明无线电报的贡献”分享了诺贝尔物理学奖。1943年，美国最高法院重新认定特斯拉的专利有效，但这时特斯拉已经去世多年了。

说到无线电发明权之争，就不能不提俄罗斯伟大的发明家波波夫（Alexander Stepanovich Popov，1859—1906）。他在无线电领域做了很多开创性的研究，但是今天，除了俄罗斯，世界上没有人承认他是无线电的发明人，而把这个荣誉给了马可尼。这不仅因为马可尼有专利在手，更因为马可尼所发明的远不止无线电的收发装置，而是一整套实用的无线电通信解决方案。人类后来使用的无线电技术就是在他的工作的基础上发展起来的，和其他发明人的工作没有什么关系。此外，马可尼成功地将无线电广播商业化，因此，将发明无线电的荣誉授予马可尼是公平的。

特斯拉和马可尼的技术最初是用于无线电报，但是很快就被用在了民用收音机上。1906年，加拿大发明家范信达（Reginald Fessenden，1866—1932）在美国马萨诸塞州实现了历史上首次无线电广播，他用小提琴演奏了《平安夜》，并且朗诵了《圣经》片段。同年，美国人李·德·福雷斯特（Lee de Forest，1873—1961）发明了真空电子管，电子管收音机随即诞生。不过，全世界第一个定期播出的无线电广播节目直到1922年才由马可尼研究中心实现。

在无线电技术诞生之后，苏格兰发明家约翰·洛吉·贝尔德（John Logie Baird）受到马可尼的启发，利用无线电信号传送影像，并在1924年成功地利用电信号在屏幕上显示出图像。15年后（1939），通用电气的子公司RCA推出了世界上第一台（黑白）电视机。又过了15年（1954），RCA推出了第一台彩色电视机，世界从此进入了电视时代。

技术进步的作用是全方位的，它不仅能创造财富，也能改善我们的生活，甚至能左右政治。

1960年，在美国大选前期，举行了历史上第一次有电视转播的总统候选人辩论，由当时的副总统、共和党候选人尼克松对阵民主党候选人肯尼迪。当时收听收音机的听众认为尼克松占了上风，但是收看电视的观众看到肯尼迪轻松自若、谈笑风生，而大病初愈的尼克松却显得苍老无力，天平在不知不觉中就倒向了肯尼迪。从此之后，电视开始左右美国的政治，以至所有的候选人都要投入巨额的电视广告费。这种情形一直持续到2016年的总统大选，互联网取代电视起到了更有效的宣传作用。

从有了语言文字开始，人类在信息交流上有几次大的进步，包括书写系统的出现、纸张和印刷术的发明等，每一次都极大地提高了知识和信息的传播速度，不过这种“速度”会受限于信息的承载介质（如竹简、纸张）的物理移动速度，即信使的移动速度。但是，当电用于通信之后，人类的通信就以光速进行了，这不仅使信息的传输变得畅通有效，也使科技的影响力快速地向全世界传播。

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从18世纪末到19世纪末，人类经历了两次工业革命，世界因此完成了从近代到现代的过渡。这两次工业革命都有代表性的核心科技，第一次是蒸汽机，第二次是电。围绕这两项技术，相应的新技术不断涌现，原有的产业开始改变，并以一种新的形态出现，同时也诞生了新的产业，后者我们会在后面讲到。两次工业革命的另一个特点是让人类彼此之间的距离迅速缩短，这既表现在交通工具的进步缩短了真实的距离，更表现在电用于通信后，人们之间虚拟的距离几乎为零。你可以想象这样一个场景：一小群走出非洲的人类原本是一家，但是在随后的几万年里很少走动来往，到了19世纪末，分开了几万年的人类又开始走亲戚了，他们甚至可以在电话两旁随时听到对方的声音，这是一种多么让人感动的场景！

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虽然骨质瓷器在此之前已经有了，但是那些早期的骨质瓷器和今天我们使用的没有什么继承性。今天的各种骨质瓷器均源于韦奇伍德的发明。

值得指出的是，普利斯特里的一位身为工匠的亲威也参加了蒸汽机的制造。

热功当量是指热力学单位卡与功的单位焦耳之间存在的种当量关系，焦耳首先用实验确定了这种关系，后规定：1卡=4.186焦耳。

第二类永动机就是从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响的热机。

这本书第一次印刷了700本，个别拷贝流传至今，是拍卖价格最高的古书之一。

富兰克林的这种做法非常危险。1753年，俄国著名电学家利赫曼在做同样的风筝实验时，不幸雷击身亡。

电灯在爱迪生之前就已经有了，但是还处在实验阶段，他是第一个发明了商业化白炽灯的发明家。

第一列、第二列和第三列上半部分代表26个英文字母，第三列下半部分代表特殊符号，第四列代表数字0~9。

这位法国贵族在美国独立战争时带领法国远征军和华盛顿将军并肩作战，对美国赢得独立战争厥功至伟。

库克和惠斯通起步比莫尔斯晚，但是更早投入了商业运营。

1英里等于1.60934千米。

具体时间有争议。

当时马可尼的公司已经被通用电气收购，成为后者的一个子公司。

[1] Morris，Charles R. Morris. illustrations by J.E.. The Dawn of Innovation the First American Industrial Revolution.New York: Public Affairs，2012.

[2] Uglow，Jenny. The Lunar Men: Five Friends Whose Curiosity Changed the World. London: Faber & Faber，2002.

[3] Frances Perry. Four American Inventors. Smith Family Books，2012.

[4] 同上。

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[6] Leapman，Michael. The World for a Shilling: How the Great Exhibition of 1851 Shaped a Nation. Headline Books.

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[8] 克劳修斯的这个结论先后用德文和英文发表。德文文献：Clausius，R. (1854).“Ueber eine veränderte Form des zweiten Hauptsatzes der mechanischen Wärmetheoriein”. Annalen der Physik und Chemie.93 (12): 481–506. Retrieved 25 June 2012. 英文文献：Clausius，R. (August 1856).“On a Modified Form of the Second Fundamental Theorem in the Mechanical Theory of Heat”. Phil. Mag. 4. 12 (77):81–98. Retrieved 25 June 2012。

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