书城科普读物创造与发明
33518000000003

第3章 创造,让世界更美好(3)

首先,作为一种狭义的、小范围的、私人之间的传媒,互联网是私人之间通信的极好工具。在互联网中,电子邮件始终是使用最为广泛也最受重视的一项功能。由于电子邮件的出现,人与人的交流更加方便,更加普遍。另一方面,作为一种广义的、宽泛的、公开的、对大多数人有效的传媒,互联网通过大量的、每天至少有几十万人甚至更多的访问网站,实现了真正大众传媒的作用。

互联网可以比任何一种方式都更快、更经济、更直观、更有效地把信息传播开来。

而互联网的出现,电子邮件和环球网的使用,更好为人的交流提供了良好的工具。

电脑——让人类步入新的时代

电脑的发明

追溯先驱者的足迹,电脑的发明也是由原始的计算工具发展而来。中国在2000多年前的春秋战国时期,劳动人民就独创了一种计算工具——算筹。从唐代开始,算筹逐渐向算盘演变。到元末明初,算盘已经非常普及了。随着人类社会生产的不断发展和社会生活的日益丰富,人们一直希望发明出一种能自动进行计算、存贮和进行数据处理的机器。因而,许多先驱者踏上了发明计算工具的艰难之路。1642年,法国著名的数学家帕斯卡率先迈出了改革计算工具的重要一步,成功地创造了一台能做加、减法的手摇计算机。

直到19世纪中叶以后,计算器同纺织技术的重大革新——程序自动控制思想结合起来,一些功能较全面的计算机器这才纷纷登上历史舞台。

奇异的天才、英国数学家巴贝奇于1822年设计完成的差分机就是其中一个佼佼者。这是一种顺应计算机自动化、半自动化程序控制潮流的通用数字计算机。

而真正揭开电子计算机新篇章的应该是“埃尼阿克”,但“埃尼阿克”却没有真正的运控装置。

后来,美籍匈牙利人冯·诺依曼提出了新的改进方案,这个方案所设计的计算机被称为“离散变量自动电子计算机”。新方案中,冯·诺依曼提出采用二进制和存储程序的设想,从此,诺依曼博士毅然投身到新型计算机设计的行列中。

“埃尼阿克”还没问世,冯·诺依曼就洞察到它的弱点,并提出制造新型电子计算机“埃迪瓦克”的方案。和“埃尼阿克”比起来,“埃迪瓦克”这个长达101页的划时代文献是目前一切电脑设计的基础。虽然“埃迪瓦克”是集体智慧的结晶,但冯·诺依曼的设计思想在其中起到了重要作用。他的名字将永远铭记在人们的心中。

个人电脑的发明与普及

现在,只要我们睁开眼睛,就能发现电脑无处不在,它已进入社会生活的各个领域,变成了人类须臾不可离开的生产和生活工具。人们可以用电脑玩游戏、写信,还可以管理家庭以及生意上的账户收支。电子邮件只需几秒钟就可以将信息和图片从地球的这一端传送到另一端。个人电脑可以用于购物、旅行行程安排、酒店预订和购买电影票等方面。现在,我们很难想象如果没了电脑,世界将会变成什么模样。

然而,个人电脑仍是相当新的事物。第一台全电子计算机于1946年在宾夕法尼亚大学研制出来,被称做ENIAC,意思是电子数字积分器和计算器,包含1.8万只真空管,使用功率为100千瓦。

早期所有的计算机都采用的是真空管或电子管,这些机器体积庞大,占用整个房间且计算结果并不可靠(因真空管或电子管失效),因此许多工程师不得不时常手动调试,使它们正常运行。

发明于1947年的晶体管取代了真空管,使计算机的体积大大缩小并且运行更稳定。而1958年发明的集成电路使计算机的微型化成为可能。电脑开始“瘦身”。

即使如此,直到1975年,才出现了体积足够小且普通家庭有能力购买的计算机。人们只能通过机箱前的开关控制它的运行,以映射到前面板的闪光图案读取输出结果。1976年,MITS公司将20厘米的软盘驱动装配到他们的计算机中用于数据储存。

只要计算机能够与存储设备如磁盘驱动器进行信息交流,计算机软件——应用程序如文字处理工具或游戏等——就可以运行。这个过程需要一种操作系统形式的特别软件。

1972年,美国计算机科学家加里·基尔代尔(1942~1994)开发了程序语言,它允许计算机工程师编写程序然后加载入英特尔4004的只读内存中。这些处理器可以用来控制交通灯和家用电器——如洗衣机等设备。

1973年,基尔代尔编写了能从磁盘中读取和写入数据文件的软件,他将之称为微型计算机,这是第一个应用到微型计算机中的操作系统,并很快取得了成功。

微电子时代的标志——集成电路

集成电路

集成电路是一种微型电子器件或部件。它是采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比和罗伯特·诺伊思。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

集成电路分类

集成电路,又称为IC,按其功能、结构的不同,可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路三大类。

集成电路在中国

中国的集成电路产业诞生于六十年代,共经历了三个发展阶段。

首先是1965年至1978年的开发阶段。这一阶段主要以计算机和军工配套为目标,以开发逻辑电路为主要产品,初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件。

其次是1978~1990年的改善阶段,这一阶段主要引进美国二手设备,改善集成电路装备水平,在“治散治乱”的同时,以消费类整机作为配套重点,较好地解决了彩电集成电路的国产化。

最后就是现在的重点突破阶段了,这一阶段以908工程、909工程为重点,以CAD为突破口,抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设,为信息产业服务,集成电路行业取得了新的发展。

柴油机——现代化的动力

工作原理

柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样,每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸发,自燃温度较汽油低,因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。而且柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。

柴油发动机

柴油机由于工作压力大,所以要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度,因此我们日常见到的柴油机都比较笨重,而且体积较大。柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高,所以成本较高;另外,柴油机工作粗暴,振动噪声大;柴油不易蒸发,冬季冷车时起动困难。以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。但是随着时代发展,小型高速柴油发动机的排放已经达到欧洲III号的标准。小型高速柴油发动机已经步入了人们的生活之中。

柴油机与发动机区别

汽油发动机一般将汽油喷入进气管同空气混合成为可燃混合气再进入汽缸,经火花塞点火燃烧膨胀作功。人们通常称它为点燃式发动机。而柴油机一般是通过喷油泵和喷油嘴将柴油直接喷入发动机气缸,和在气缸内经压缩后的空气均匀混合,在高温、高压下自燃,推动活塞作功。人们把这种发动机通常称之为压燃式发动机。

汽油机汽车具有转速高、质量轻、工作时噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点。其不足之处是燃油消耗较高,因而燃油经济性较差。

柴油机汽车因压缩比高,所以燃油经济性较汽油机汽车要好很多。通常,柴油发动机与汽油发动机相比热效率高30%。

机器人——不吃饭的“小家伙”

机器人发展史

智能型机器人是最复杂的机器人,也是人类最渴望能够早日制造出来的机器朋友。然而要制造出一台智能机器人并不容易,仅仅是让机器模拟人类的行走动作,科学家们就要付出了数十甚至上百年的努力。

1948年,诺伯特·维纳出版《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》,阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

1954年,是机器人制造史上值得纪念的一年,这一年,美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人,并注册了专利。这种机械手能够按照不同的程序从事不同的工作,因此具有通用性和灵活性。

到了1956年的时候,在达特茅斯会议上,马文·明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器“能够创建周围环境的抽象模型,如果遇到问题,能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

工业机器人之父

1959年,德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后,成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为“工业机器人之父”。

1962年到1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器,包括1961年恩斯特采用的触觉传感器,托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器,而麦卡锡则于1963年开始在机器人中加入视觉传感系统,并在1964年,帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器,能识别并定位积木的机器人系统。

1968年,美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人,拉开了第三代机器人研发的序幕。

1978年美国公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

人类与机器人

随着时代的不断进步,各行各业的分工已经开始越来越细化,尤其是在现代化的大产业中,有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母,有的人整天就是接一个线头,就像电影《摩登时代》中演示的那样,人们感到自己在不断异化,“职业病”这个名词也伴随着产生,于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作,因此人们研制出了机器人,用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。而机器人的问世,也相应的使一部分工人失去了原来的工作,也就是所谓的“机器人上岗,人将下岗。”

所以很多人就开始仇视机器人,担心“机器人上岗,人将下岗。”这样的事情会发生在自己的身上,这不仅在中国,即使在一些发达国家如美国,也有人持这种观念。其实人们的这种担心是多余的,任何先进的机器设备,都会提高劳动生产率和产品质量,创造出更多的社会财富,也就必然提供更多的就业机会,这已被人类生产发展史所证明。

英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话:“日本机器人的数量居世界首位,而失业人口最少,英国机器人数量在发达国家中最少,而失业人口居高不下”。这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。

美国是机器人的发源地,机器人的拥有量远远少于日本,其中部分原因就是因为美国很多工人都不欢迎机器人,从而抑制了机器人的发展。日本之所以能迅速成为机器人大国,原因是多方面的,但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺,政府和企业都希望发展机器人,国民也都欢迎使用机器人。由于使用了机器人,日本也尝到了甜头,它的汽车、电子工业迅速崛起,很快占领了世界市场。从现在世界工业发展的潮流看,发展机器人是一条必由之路。没有机器人,人将变为机器;有了机器人,人仍然是主人。

悬空无轮列车——磁悬浮列车

与众不同的磁悬浮列车

从轮子发明的那一天起,所有的车辆都采用车轮与地面或钢轨的摩擦使车辆向前运动,当摩擦力足以毁坏车轮或钢轨时,列车的速度就达到了极限。如果想要获得更高的速度,就得尝试通过克服车轮与钢轨之间的摩擦力来提高车速。磁悬浮列车正是克服了这种摩擦力才达到了常规无法达到的速度。

超导新技术

磁悬浮列车能飞驰在轨道面上,主要归功于超导新技术。1911年,荷兰物理学家昂内斯将水银冷却到零下40摄氏度,使它凝固为一条线,并对它通以电流。当温度降至零下268.9摄氏度时,昂内斯发现水银中的电阻突然消失了。

后来,人们把这种电阻突然消失的现象叫做超导现象。在温度和磁场都小于一定数值的条件下,导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零,这种特殊的导电状态就称为超导态,在很低的温度下呈现超导态的导体就是超导体。

1933年,迈斯纳和奥森费耳德通过进一步的研究发现,金属处在超导态时其内部磁感应强度为零,即能把原来在其体内的磁场排挤出去,也就是说,在超导体内,根本不会发现任何磁场。即使原来导体中有磁场存在,一旦变为超导体以后,磁场就统统被排斥在磁场之外。正是由于超导体的抗磁性,会对磁铁产生一个向上的排斥力,这种排斥力使列车行驶时不与铁轨直接接触,人们开始研制的磁悬浮列车就是利用磁极同性相斥的原理,将超导磁体安装在列车底部,再在轨道上铺设连续的良导体薄板。电流从超导体中流过时,产生磁场,形成一种向下的推力,当推力与车辆重力平衡时,车辆就可悬浮在轨道上方一定的高度了。

磁悬浮列车与目前的高速列车相比,具有许多无可比拟的优点。它可靠性能好,维修简便,最主要的是它的能源消耗极低,不排放废气,无污染。磁悬浮列车集计算机、微电子感应、自动控制等高新技术于一体,是目前人类最理想的绿色交通工具。

磁悬浮列车的前景

20世纪,众多的交通运输方式群雄并起。四通八达的航空线、密如蛛网的高速公路线迫使一度独领风骚的铁路运输业步入“夕阳产业”行列,而高速铁路的出现和迅猛发展,为它注入了新的生机。

1964年10月1日,乳白色的“弹丸”号列车飞梭般穿越在东京至大阪的新干线上,道道流光与白雪皑皑的富士山交相辉映。它以210千米的时速、流线型的力学美、高架桥的雄姿,辅之以现代化的设施,令世人刮目相看。

根据世界标准,时速200千米上便可称为高速铁路。此后,法国、英国、德国、瑞典等国家相继建成高速铁路,时速不断攀升。