信息技術是人類20世紀重要的技術成就之一,本文根據郵票追溯人類在此領域的進展。
信息技術,不論是信息傳輸(電報、電話、傳真、電視),還是信息處理(計算機),都建立在電子學基礎之上。
無線電電子學的誕生依賴于兩個重要人物,一個是愛迪生,另一個是赫茲,郵票對他們都有記錄。愛迪生于1883年研究白熾燈時意外地發現,燈絲與加有正電壓的電極之間有電流流過,而在加負電壓時無電流。愛迪生并不清楚這個現象的機理,也沒有意識到其重要意義。直到1897年J.J.湯姆孫發現電子后,人們才知道這就是熱電子發射現象,該效應后來被命名為愛迪生效應,它是后來各種電子器件的基礎。
1904年,英國發明家弗萊明根據愛迪生效應發明了二極管,可用于無線電信號的檢波。1905年,美國物理學家德福雷斯特(De Forest)在二極管的正極和負極之間加了一個用金屬柵網做的電極(柵極),從而制成了三極管。三極管對電子學的發展有很大的作用,美國1973年發行了電子學進展系列郵票,其中一張的票面就是德福雷斯特三極管。改變柵極電壓,可以改變電流的大小,因此三極管有放大作用。此后,四極管、五極管、微波管等電子管器件相繼問世。
赫茲從另一方面對無線電電子學的誕生起了重大的作用,他于1887年驗證了電磁波的存在。德國1994年發行的紀念赫茲的郵票票面的背景就是電磁波圖案,以紀念其奠基性的工作。之后,馬可尼和波波夫于1895年發明了無線電報,開始用無線電波做媒體傳送信息。
廣播和電視
廣播和電視是對社會影響最大的兩種傳媒。無線電廣播出現于1920年代。馬紹爾群島1998年發行的1920年代大事系列郵票,其中一張就是“無線電廣播來到世界”。各種無線電廣播器材出現在美國電子學進展系列郵票中。
在各種信息傳送方式中,電視傳送的信息量最大,可作為信息傳送技術的代表。要傳送一幅圖像,必須把整幅圖像分解為一個個像素,把這些像素按順序從一個地方傳送到另一個地方,然后再進行合成。分解像素的方法最早是德國的尼普可夫(P.G.Nipkow)1884年提出的機械掃描方法。德國為紀念電視技術發明百年的郵票重現了尼普可夫的圖像傳送系統。尼普可夫在一塊圓盤上鉆一列或幾列排成螺線的小孔,擋在一個物體之前,使圓盤迅速轉動,以實現把該物體分解成一個個像素。
1927年,英國工程師貝爾德(J.L.Baird)實現了尼普可夫的設想,造出了世界上第一臺電視機。馬紹爾群島的上述系列郵票中也有一張記錄了這一事件。
尼普可夫掃描盤的缺點是清晰度和靈敏度有矛盾:要清晰,必須增加像素的數目,孔必須開得很小,這樣進光量就小。1934年后電子掃描裝置取而代之。現代的全電子電視之父也在郵票上有記錄,他就是美國工程師茲沃爾金(W. Zworykin)。他在1923、1924年相繼發明了攝像管和顯像管,1931年組裝成世界上第一個全電子電視系統。
二次大戰后,電視廣播在各國逐漸普及,“世界進入電視時代”——這是馬紹爾群島1950年代大事郵票中一張的主題。俄羅斯的一張郵票的票面是,電視機屏幕里有一個女播音員在播音,左下方一個攝影師扛著攝像機在工作,票面上還有4座電視塔,左邊兩座是世界最高的莫斯科奧斯坦金電視塔和世界第二高的上海東方明珠電視塔。電視塔下有一輛電視轉播車,車上的接收裝置正對著天上的電視轉播衛星。這張郵票很好地表現了電視從拍攝到接收的過程,也顯示了電視從在大城市就地播送到今天利用同步通信衛星覆蓋全球的發展歷程。
計算機
人類很早就想制造能進行數學計算的機器。這可追溯到17世紀法國物理學家帕斯卡所制的手動計算機,它只能做簡單的四則運算。
18世紀英國數學家巴貝奇(C.Babbage)最早提出具有程序控制功能的自動計算機的設想。他設計出一臺“分析機”,借鑒提花機中用穿孔卡片控制花紋圖案的技術,把計算程序存在穿孔卡片上。他還設想出現代計算機的許多其他特性,但當時的技術不能實現他的想法。為了紀念巴貝奇的奠基性工作,英國于1991年發行了印有其頭像的郵票。
第一臺電子計算機ENIAC(電子數值積分計算機)是二次大戰中因軍事需要(彈道計算)而開始研制的,于1945年底制成。它的設計者是埃克特(J.Eckert)和莫奇利(J.Mauchly),他們也因此出現在郵票上。
電子管計算機都是龐然大物,例如ENIAC共用了18000只電子管,占地170平方米,相當于10間房間大小,耗電功率150千瓦。工作時,它常因電子管燒壞而停機檢修,但它卻標志著“計算機時代的黎明”——這是馬紹爾群島1998年發行的1940年代大事郵票中一張的主題。
ENIAC的一大問題是,其計算程序靠外插方法即改變線路連接的方式來實現。盡管計算速度比以前的手動或繼電器計算機提高很多,但為計算準備程序卻要花費很長的時間。美國軍方在制造ENIAC的同時就要求承制單位設計更強有力的計算機。這時,著名數學家馮·諾伊曼加入到這項工作中來。馮·諾伊曼提出了一個稱為EDVAC(離散變量自動電子計算機)的方案,它有兩個特點:一是用二進制代替十進制,二是采用了“程序存儲”機制,計算程序存儲在計算機內。諾伊曼機由中央控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備5部分組成,現代電子計算機都采用這樣的結構。匈牙利為了紀念本民族這個偉大的兒子于1992年發行了紀念他的郵票。
計算機的小型化和功能的提高與固體電子學的進展分不開。1947年12月,美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁、布拉頓三人發明了晶體管,馬紹爾群島的1940年代大事系列郵票記錄了這一事件,而他們也因此分享了1956年的諾貝爾物理學獎。
與電子管相比,晶體管有許多優點:體積小,重量輕,壽命長,耗能低,制造工藝簡單,使用時不需預熱。美國的電子學進展系列郵票上有印刷電路板上的晶體管。
1950年代又出現了集成電路(芯片),即將晶體管、二極管等有源元件與電阻、電容等無源元件按照一定的電路互連,“集成”在一塊半導體晶片上,完成特定的功能。同以往裝配的電路比較,它的體積小,功耗低,速度快,可靠性高,特別是它把材料、元件和連接導線綜合在一起,在特定的制造工藝中完成,生產效率高,成本低。從半導體到集成電路標志著信息時代的黎明——這是坦桑尼亞1990年發行的一張郵票的主題。
1959年,第一塊集成電路由美國得克薩斯儀器公司的基爾比(J. Kilby)制成,他因此而被授予2000年的諾貝爾物理學獎。基爾比和他的集成電路也出現在郵票的票面上,票面上的英文是“微芯片預言了計算機革命”。顯微鏡下的芯片也是紀念英國皇家顯微鏡學會150周年的紀念郵票的票面圖案。
第一代計算機是電子管計算機,第二代計算機是晶體管計算機。由于計算機中要用大量的晶體管,而且數字電路便于集成化,因此集成電路特別適合于計算機,成為計算機所必須的基本器件。因而,計算機繼續發展為第三代集成電路計算機和第四代大規模集成電路計算機。
集成電路芯片的設計依靠計算機輔助設計,新的芯片又提高了計算機的性能,兩者相互促進,新加坡1986年發行的一張郵票的圖案形象地表現了這一點。我國臺灣地區是集成電路產業的重要基地,海峽對岸發行了集成電路電子工業郵票。
由于制造工藝的不斷進步,集成規模越來越大。從經驗總結出穆爾定律:每18個月同樣大小的芯片上集成的晶體管數目增加一倍(或每5年集成度增大到10倍)。這個趨勢至今仍然保持著。
與此相應,計算機的存儲量越來越大,速度越來越高,性能越來越強。1970年代后期,一種獨立的微型機系統——個人計算機開始流行。
最早的個人計算機是美國蘋果公司的蘋果Ⅱ型計算機,于1977年開始在市場上出售。馬紹爾群島發行的郵票上有它的記錄。一貫生產銷售大中型機的IBM公司看到個人機的巨大市場,于1979年秘密組建了個人機研制組,于1981年推出IBM PC,1983年又推出IBM PC/XT,這在美國2000年發行的郵票上有體現。其后,PC機得到爆炸性的發展。今天,微機性能比以前的巨型機還強。
與以往的任何機器都不同,計算機能夠代替人腦的部分功能,稱為電腦,英國1999年發行的千禧年郵票對此表現得頗為形象。計算機的出現不但極大地提高了人類認識自然和改造自然的能力,而且開辟了一個信息時代,對社會生活各個方面產生了重大的影響。郵票對此有非常好的展示。
例如:以色列的郵票展示了計算機在工業中的應用;中國香港地區的郵票展示了計算機在教育中的應用——學位帽是靠書本和計算機壘起來的,計算機占了很大的成分;意大利的紀念意大利安莎通訊社成立50周年的郵票,更表明今天的新聞通訊業離開計算機就沒法工作;俄羅斯的計算機郵票中,臺式機和便攜機的屏幕上顯現了計算機的各種最新用途:計算機輔助設計、計算機圖形學、互聯網,帶立體眼鏡的男子正在操作虛擬系統。
總之,信息的傳輸、處理和提取是社會的基本運作方式之一,計算機是一個高效能和通用的信息處理機,無怪乎各國都在全力發展以計算機為中心的信息技術。英國和加拿大發行了信息技術郵票,而從英國的郵票中可看到從象形文字到電腦的發展過程。
計算機網絡
為實現不同計算機之間的信息共享和資源共享,在1960年代末開始發展了計算機網絡技術。最早發展的是各種局域網。為使不同類型的網絡互相聯通,1969年,美國國防部組織一批科學家,開始興建廣域網,即互聯網(Internet)。現在,互聯網在全世界已深入社會,擁有眾多用戶。意大利1998年發行的郵票展示了互聯網。
在互聯網上應用超媒體超鏈接技術,將互聯網上眾多的計算機中的信息連接起來,這就是所謂萬維網(www)。今天,WWW的服務已成為互聯網最主要的資源,人們所謂的上網,就是在瀏覽器友好的界面下,從一臺計算機漫游到另一臺計算機,正如馬紹爾群島的一張郵票所表現的——瀏覽奇妙的WWW世界。(本文作者秦克誠為北京大學物理系教授。)