第4章 物理大发明(4)

1875年6月2日下午，贝尔和他的助手沃森正在从事电报机的研究，一个偶然的事件使他们发现了解决问题的关键。当时他们两人分在两间屋子里联合做实验。沃森看管的电报机上的一个弹簧突然被磁铁吸上了。沃森把吸住的弹簧拉开。这时正在另一间房子里的贝尔发现那里的电报机发出连续的颤声，原来这台电报机的弹簧也开始了颤动。细心的贝尔立即抓住了这个偶然事件，他想，如果对着铁片讲话，声音就会引起铁片振动。如果在铁片后面放有绕着导线的磁铁，铁片振动时，就会在导线中产生忽大忽小的感应电流。这个感应电流顺着电路传送到对方，使另一个块磁铁做同样的振动。这样，声音就可以从一方传到另一方了。贝尔把这个想法告诉沃森，两人立即开始行动起来，经过一段时间的安装和试验，终于研究出了一种新型的能传话的设备，这就是电话机。

留声机和电灯的发明

电报和电话的发明，这是电磁学的两项实际应用，对人类文明的发展有极大影响。

在改进电话机的过程中，有一位大发明家做出了又一件极有意义的发明，发明了留声机。他就是妇孺皆知的爱迪生（T.A.Edison）。爱迪生出生于美国俄亥俄州小镇上一个农民的家里，青年时期就是聋子。他一生中共完成了2 000多项发明，被人们称为“发明大王”。

爱迪生从小爱动脑筋，有强烈的好奇心，遇事总要刨根问底。他喜欢亲自动手，做各种科学实验，特别是物理和化学方面。他甚至把自己家里的地窖也变成了自己的化学实验室，12岁，小爱迪生到火车上卖报，竟把行李车当成了实验室。他利用一切条件和所有空余时间投入发明创造。1873年发明双重发报机和四重发报机，1877年发明留声机，1879年发明白炽电灯，为了使电灯能广泛使用，他研究出了并联电路、保险丝、绝缘材料、输电网络，制成了当时容量最大的发电机。他还发明了铁镍蓄电池、吸音器、水雷检测器、活动影片，等等。1883年，他在研制电灯的过程中，还发现了金属表面的热电子发射现象。这一现象通称“爱迪生效应”。

在爱迪生众多的发明中，留声机和白炽电灯的发明也许对人类生活产生的影响最大。1875年美国人贝尔发明电话，爱迪生在改进电话的过程中，发明了炭精话筒。在调试话筒时，他把一根细针触到话筒的膜片上，用来检测膜片的振动情况。他发现，当人说话的时候，人的声音使细针按同样的节奏振动。这时爱迪生想，如果使细针带动膜片振动，不就可以使声音复原了吗？经过好几天的试验，终于找到了贮存声音的办法。他拿一张蜡纸当膜片，针尖对准急速旋转的蜡纸，在蜡纸上出现深浅不同的痕迹，这样就把声音的振动记录在蜡纸上了。后来他请技师按他的设计做了一台会说话的机器。这台机器有一根固定在膜片上的小针，小针下面有一个能转动的圆筒，圆筒上铺有锡箔。声音使膜片振动，再带动小针上下颤动，小针的颤动就在锡箔上刻出有深有浅的刻槽。爱迪生用这台机器把歌声记录在锡箔上，接着再重新把小针放在刻槽上，转动圆筒，小针在刻槽里上下颤动，又带动膜片振动。结果，刚才唱的歌又重新放了出来。这就是最早的留声机。这台会说话的机器刚一问世就轰动了美国。

1878年9月，爱迪生在一个博览会上看到一种能产生耀眼光芒的电灯。不过，这种电灯并不是今天人们普遍使用的白炽灯，而是通过强大电流的弧光灯。电弧虽然光芒四射，非常引人注目，但却不能持久，而且耗费极大，需要昂贵的化学电池多个串接，实在是既不经济，又不实用。爱迪生和大家一样，深知社会上迫切需要光线柔和、价格便宜、安全耐用的电光源，他立志要解决这个问题。在这之前，英国人斯旺已经展示过一种碳丝电灯。遗憾的是，斯旺并不能保持碳丝长时间发光。困难在于他没有找到适当的方法使碳丝处于高真空的环境中，所以碳丝很快就烧掉了。

爱迪生一方面寻找合适的通电灯丝，一方面努力改进真空的抽取工艺。他先采用最贵重的金属——铂做成灯丝，经过反复试验，证明铂丝并不符合要求。为此他花了5万美金和整整一年时间。为了选用理想的灯丝材料，他几乎用遍了各种金属，对1 600多种耐热材料做了几千次试验。最后，在1879年10月他用碳化棉丝做成白炽电灯泡，通电点燃，连续点燃了40多小时。这是第一个可供使用的白炽电灯。次年1月27日爱迪生获得了有关电灯的专利。

1880年除夕夜晚，美国新泽西州的门洛帕克市的主要街道用爱迪生发明的电灯照耀得如同白昼，这是爱迪生手下的人向参观者作公开表演。人们赞不绝口，纷纷认为，这将对社会文明和人类生活起到不可估量的影响。一个世纪的进程表明，这一评价一点也没有过分。

爱迪生是最了不起的发明家。他把科学成果率先运用于生产技术和社会经济。他建立了第一所工业研究实验室，请了8位科学家协助他工作。这所实验室名符其实地是一个发明工厂，几乎每5天就有一项新发明在这里问世。

爱迪生是一位非常讲究实际的科学家。他认为满足人类的需要就是他工作的目标。他的座右铭是：“我探求人类需要什么，然后我就迈步向前，努力去把它发明出来。”也许有人会说，爱迪生是个天才，他做出这么多发明是命运的结果。可是爱迪生却说：“天才，百分之一是灵感，百分之九十九是汗水！”爱迪生的勤奋可以从他留下的工作日志看出。他一生共写下了3 400本详细记录发明设想、实验情况的笔记！

爱迪生以异乎常人的毅力从事工作。一旦有新的想法，他就会全力以赴、风驰电掣般地突击，务求实现预定目标。为了实现一种新蓄电池的设计方案，爱迪生竟连续试验8 000多次。

伟大的发明家爱迪生为人类作出了巨大贡献，值得后人永志不忘。

无线电报的发明

电报是人类社会发展到资本主义，迫切要求能进行远距离快速通讯的产物。在19世纪上半叶就有许多科学家从事这方面的发明创造。莫尔斯在1837年成功地发明了电码，很快就建立了长距离的通讯网和横跨大西洋的电缆。但是架电线、铺电缆都是很费事的事情。如果能不经电线、电缆而直接传递信息，岂不是更为方便？于是无线电报应运而生。应该说，在赫兹发现和证实电磁波的时代就已经有可能发明无线电报了。但是，一件新生事物的出现并不总是一帆风顺的。在这以后，有多起利用电磁波传递信息的尝试：例如，法国的布朗利（E·Blanly）、英国的洛奇（O·Lodge）、新西兰的卢瑟福（E·Rutherford）、美国的忒斯拉（M·Tesla）都对无线电通讯做过有益的尝试。俄国的波波夫还公开表演过他的无线电收发报机，却没有得到应有的支持。而马可尼（Guglielmo Marconi）1895年在自家的花园里成功地进行了无线电波传递实验，次年即获得了专利。

马可尼是意大利人，1874年4月25日出生在波伦那（Bologna）。父亲是一位乡绅，母亲是爱尔兰人，因此他从小会说英语。马可尼虽然没有进过大学，但由于他家境富裕，延请了意大利的著名学者作为家庭教师在家里给他上课。还在少年时期，他就对物理和电学有很浓厚的兴趣，读过麦克斯韦、赫兹、里希（Righi）、洛奇（Lodge）等人的著作。1894年，马可尼偶然读到一篇记述8年前赫兹发现电磁波的文章，很受启发。他想：是不是可以用电磁波传递信号呢？于是，他采用赫兹的方法产生电磁波，在远处用粉屑检波器来检测。粉屑检波器实际上是一只松散的放有金属粉屑的容器，它平时几乎不导电，一旦电磁波通过，在电磁波的作用下，物质状态发生了变化，就变成能够导电的良导体，这样就显示出无线电信号。无线电波就这样转换成了易于检测的电流。马可尼逐步改进自己的装置，将发射机和接收机都接地，再用一根与大地绝缘的金属线作天线，这样，就可以使发送和接收都变得更有效。天线的利用并不是马可尼开创的，波波夫比他先用上了天线，但是马可尼比较幸运，他的发明及时地得到了英国官方的支持，这大概是因为有不列颠血统的缘故。1896年由于意大利对他的工作不感兴趣，马可尼便携带自己的装置到了英国，在那里他被介绍给邮政总局的总工程师普利斯（William Preece）。这年年末马可尼取得了无线电报系统世界上第一个专利。他在伦敦、萨里斯堡（Salisburg）平原以及跨越布里斯托尔湾成功地演示了他的通讯装置，信号传递的距离增加到了14.48千米。1897年7月成立了“无线电报及电信有限公司”（后来改名为“马可尼无线电报有限公司”）。

1897年马可尼回到意大利，在斯佩西亚（Spezia）向意大利政府演示了19.31千米的无线电信号发送。1898年，他再次来到英国，把发送距离加大到28.97千米。1899年他建立起了跨越英吉利海峡的法国和英国之间的无线电通信。他在许多地方建立了永久性的无线电台。英国著名物理学家开尔文勋爵十分欣赏他的工作，特意付费请马可尼发送一份电报，向年迈的斯托克斯致意，这成了世界上第一次使用无线电报的业务。那一年，在金斯顿举行的赛艇会上，马可尼成功地用自己的信号机报道赛艇比赛的消息。

1900年马可尼为其“调谐式无线电报”取得了著名的第7777号专利。他的事业发展得很顺利。但是当时人们对这项新发明难免有所疑虑，最大的疑虑是无线电波应该走直线，而地球表面却是圆球形，怎么可能远距离传送到地球的其他地方呢？可是马可尼根据自己的实际经验认为，无线电波会沿地表传送，假如把发送台和接收台都接地，更应该沿地表传送。他决定用他的发报系统证明无线电波不受地球表面弯曲的影响。他精心设计了实验方案，用气球把天线尽可能吊高，试图让无线电信号从英国的西南端（康沃尔郡的波特休）发送到加拿大纽芬兰省的圣约翰斯，跨过大西洋，距离为3379.53千米。1901年12月12日，这是具有历史意义的一天，马可尼试验获得了成功。爱迪生对此给予公开赞扬。马可尼的大胆试验打破了传统的看法，引起公众极大的兴趣。第二年他的实验结果就得到了解释。肯涅利（A·E·Kenelly）和亥维赛（O·Heaviside）提出，可能是在地球外层空间存在能使电波反射的电离层。这一论点直到20世纪20年代才由英国物理学家阿普顿（E·V·Appleton）用无线电实验得到证实。

1903年开始，从美国用无线电向英国《泰晤士报》传递新闻，当天见报。到了1909年无线电报已经在通讯事业上大显身手。在这以后许多国家的军事要塞、海港船舰大都装备有无线电设备，无线电报成了全球性的事业，因此，马可尼在1909年和布劳恩（Karl Braun）一起获得了诺贝尔物理学奖。

布劳恩是德国人，1850年6月6日出生于德国的富尔达（Fulda）。他在此地接受了地方普通中学的教育。他曾在马尔堡大学、柏林大学学习过，1872年毕业，他的毕业论文是关于弹性弦的振动。后来他在维尔茨堡大学担任过昆开（Quincke）教授的助手，1874年受聘到莱比锡的圣托马斯中学任教。两年后他受聘为马尔堡大学的理论物理学编外教授，1880年又被聘请到斯特拉斯堡大学担任同样的职务。1883年布劳恩成了卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）工业大学的物理学教授，并于1885年受聘到杜宾根大学任教。他到这里的任务之一是建立一所新的物理研究所。

布劳恩的第一项研究工作是关于弦的振动和弹性棒的振动，特别是棒的振动幅度和周围环境对振动的影响。其他研究工作是以热力学原理为基础的，例如压力对于固体的溶解度的影响。

布劳恩的最重要的研究工作是在电学方面。他发表过关于欧姆定律的偏差问题，以及关于从热源计算可逆伽伐尼电池的电动势问题的文章。他的实验使他发明了以他的名字命名的静电计和阴极射线示波器。

1898年他开始从事无线电报的研究，试图以高频电流将莫尔斯信号经过水的传播发送。后来他又把闭合振荡电路应用于无线电报，而且是第一个使电波沿确定方向发射的试验者之一。

1902年他成功地用定向天线系统接收到了定向发射的信号。

布劳恩的关于无线电报的论文以小册子的形式发表于1901年，题目是《通过水和空气的无线电报》。

第一次世界大战爆发以后，布劳恩曾被派往纽约，作为一名见证人去参加一项专利索赔的诉讼。由于他离开了自己的实验室以及身体有病，所以他没有可能继续进行科学研究工作。布劳恩的晚年是在美国安静地度过的，他于1918年4月20日逝世于美国。

油滴仪的发明

电子电荷的测定，实际上从1896年就开始了。汤姆生有一位研究生，名叫汤森德（J.S.E.Townsend），创造了电解法。氧气从电解池E中产生后，经过A滤去臭氧，经B瓶的水发泡产生云雾，穿越绝缘的石蜡块P进入浓硫酸容器c、d、e，气体中的水分及所带电量全部被硫酸吸收，干燥气体进入D瓶，用象限静电计Q分别测容器G和D的电量。他让电解产生的带有电荷的氧气，从水中发泡产生云雾，测量云雾下降的速度，借速度与雾滴半径的关系求出雾滴的平均重量，再根据水分的总重量求出雾滴的个数。另一方面，他收集这些氧气所带电量，用静电计进行测量，所得电量被雾滴个数除，即得每颗雾滴的电荷。他认为这就是电子的电荷。1897年发表的结果是e≈10-19库，这个结果虽然很粗略，对确定电子的存在还是很有意义的。不过，汤森德的方法非常烦琐，得到的结果仅仅是平均值。

第二年，汤姆生改进了利用云雾的实验方法。密闭容器A中充有水气和空气，容器上方是一只X射线管，X射线照射容器，使里面的空气电离。下方有一活塞P，当它突然下降时，会使容器中的气体迅速膨胀而产生过饱和蒸气，然后以离子为核心形成云雾。这个方法比汤森德的电解法略有改善，得到的平均结果是e=1.1×10-19库。