變黑的燈泡，真空管的發明

讓我們先回到燈泡誕生的19世紀。

回首19世紀，我們理應為當時人們取得的成就感到自豪。冒著蒸汽的郵輪從倫敦港出發，在世界各大洋劈波斬浪；銀光閃閃的鐵軌連接了莫斯科和西伯利亞，從美國東海岸延伸到西海岸；跨越大西洋海底的有線電報將“嘀嗒”作響的消息送至世界各地；高高架起的電話線傳遞著遠方的聲音……

當時世界上擁有殖民地最多的國家是大英帝國，全球到處飄揚著米字旗。俄國也在迅速壯大，疆域從波羅的海延伸到了太平洋。法國在全球范圍內占領了廣泛分布的島嶼和非洲大陸部分地區。統一后的德國成了后起之秀。日本歷經革新，成了東亞的新興勢力。與此同時，土耳其帝國則面臨土崩瓦解的危機。

美國這塊新大陸正迅速崛起，其高等學府聲名鵲起，工業產品門類齊全，鋼鐵產量領跑世界。19世紀后半期，留聲機、電話機、交流電、石油精煉技術和輕巧的金屬鋁都誕生在這塊新大陸。在這里，還誕生了一項不同尋常的發明——電燈泡，它徹底改變了這顆星球夜晚的面貌。

愛迪生發明了電燈泡不久，就碰到了他的第一個煩惱：燈泡使用過一段時間后，內表面會變黑，導致燈光暗淡。

燈泡之所以會變黑，是因為在高溫下的碳纖維燈絲會釋放出一些碳微粒，附著在燈泡玻璃內表面，時間久了燈泡會被熏黑。1

愛迪生和助手想到了一個方法，將一枚銅片放置在燈絲和玻璃泡之間，以阻擋碳微粒飛向玻璃（見圖1-1），但這個方法并沒有奏效。接下來，他們又在銅片上施加了一定的電壓，期望能改變碳微粒的分布，可問題依然沒有解決。

最后，他們改變了銅片上的電壓，這時匪夷所思的事情發生了，竟然有電流從銅片流向了燈絲，而且，只在一個方向上有電流?？墒?，燈絲和銅片并沒有任何接觸，兩者之間是真空的！

愛迪生邀請科學家們來到他的實驗室參觀這一奇特的單向電流現象。愛迪生站在旁邊，微笑地看著他們一次又一次地觀察到同樣的現象并表露出費解的神情。人們把這種現象叫作“愛迪生效應”。在寫給友人的信中，愛迪生將它稱作一種“美學”現象。

愛迪生總是發明不斷，忙碌不停。就在這段時間，他還發明了留聲機和電話機里的碳粒式麥克風（也稱紐扣式麥克風或碳粒式傳聲器）。專注于新發明和實際應用的愛迪生無暇顧及電燈泡里的這個“美學”現象，他習慣性地申請了一個專利，就將其忘在腦后了。2

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19世紀80年代，愛迪生在英國倫敦分公司聘請了大學教授約翰·弗萊明（John Fleming）作為技術顧問。弗萊明也用這種特制燈泡做了這個有趣的實驗，他在銅片和燈絲之間施加了可改變正負方向的交流電，同樣觀察到了在燈絲和銅片之間的單向電流。不過，弗萊明也無法解釋，為什么在真空中有單向流動的電流。

距離倫敦不遠的劍橋大學，劍河緩緩地穿流而過，河床上青綠的水草隨著流動的柔波輕輕地搖擺。距離劍河一箭之地的實驗室里，物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜（Joseph John Thomson）正為實驗桌上的一支真空玻璃管忙碌著。1897年，他在玻璃管的兩端分別安裝了金屬電極，通電后一些帶電微粒從一端的陰極電極飛向了另一端的陽極。就這樣，湯姆遜第一次劈開了陰極金屬中的原子，剝離出帶負電荷的電子，使它們飛出陰極，形成了一條真空中的“電子之河”（見圖1-2）。3

湯姆遜的這一發現，使弗萊明恍然大悟：原來燈絲通電受熱后，燈絲原子中的電子逃逸出去，飛向了銅片，從而產生了單向電流！正如河水總是從高處流向低處，電子也是從能量高的地方沿著“能量斜坡”流向能量低的地方。只是電子的流動或飛行不需要河床或者導體，它在真空中就能完成這一過程。

湯姆遜這一“劈”，劈開了人們曾經認為“不能再分”的原子，劈出了一片新天地：人類不僅首次發現了電子(2)，還為之后真空管的發明打開了大門。

1900年，弗萊明在“無線電先驅”伽利爾摩·馬可尼（Guglielmo Marconi）的公司找到了一個新的顧問職位。

1899年，在一艘英國軍艦上，25歲的馬可尼向另外一艘船只發送了一封無線電報，展示了無線電通信在海上通信領域的優點。1905年對馬海戰期間，俄國調集太平洋第二艦隊，抄近道穿越日本西南方的對馬海峽。日本巡洋艦“信濃丸”號在5月26日夜晚偵察到了俄國艦隊，艦上裝備了從馬可尼公司（Marconi）進口的無線電設備，相關人員立刻發送了一封無線電報給附近的日方指揮船。隨后，89艘日本軍艦及時趕到，擊沉了21艘俄方軍艦。4

馬可尼的下一步計劃是研發跨越大西洋的無線電通信。當時的科學家并不看好這一計劃，他們認為地球彎曲的球面會阻礙無線電波跨越大洋。但馬可尼堅持在大西洋兩岸設置了數十米高的接收和發射天線。發射端通過放電打出聲震如雷的火花，當電波傳送到大洋彼岸時已經變得十分微弱，這就要求接收端的電路對無線電波非常靈敏，而這正是整個裝置中最薄弱的環節，也是弗萊明致力于解決的難題。

在中國，梁啟超主辦的《時務報》上也對無線電做了介紹：“憑空發遞，激而成浪，顫動甚疾，每秒跳二萬五千次（即頻率25 000Hz）?！?a href="../Text/bibliography1.xhtml#wz_1_5" id="wzyy_1_5">5在接收到這種上下快速舞動的無線電波后，要先去掉負半部分，只保留正半部分，這叫作整流，之后才能將信號中的信息提取出來（見圖1-3）。而整流需要一種單向導電的器件，它就像站在單行道上的交警，只允許車輛在一個方向上通行。早期整流使用的是金屬屑檢波器，它的開合速度很慢。

那么，如何找到一個快速的單向導電器件呢？1904年的一天，弗萊明從20多年前的“愛迪生效應”以及它那奇特的單向電流中獲得靈感，他立刻從柜子里翻出了當年的燈泡，給它加上有正有負的交流電。不出所料，銅片和燈絲之間出現了單向電流，這正好能用于無線電接收器中的整流！由于真空二極管沒有機械部分，電流純粹靠電子的流動，因此開合速度比金屬屑檢波器更快。

弗萊明很快仿照這種燈泡設計了一種帶有圓柱形玻璃罩的真空器件，它以燈絲為陰極，以銅為陽極，所以叫作真空二極管（見圖1-4）。開機后，燈絲發熱，帶負電荷的電子從陰極逃逸出來，隨即被陽極吸引過去。同樣，這里也有一個能量斜坡——從陰極到陽極，造成了電子的單向流動。

1912年4月，泰坦尼克號游輪從英國出發，駛向大西洋彼岸的美國，卻不料在夜晚撞上了冰山。幸好船上安裝了無線電發報裝置，電報員立刻不停地發出求救信號，直到最后一刻。附近的一艘船只收到信號后及時趕來，挽救了700多人的生命。大西洋上的無線電波甚至被傳到了美國東海岸，那時馬可尼公司在紐約市沃納梅克百貨大樓頂上設置了一座電報站，一位名叫大衛·沙諾夫（David Sarnoff）的電報員堅守了三天三夜，不停地收發電報，統計遇難者的人數(3)。6

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馬可尼的無線電技術來自海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）發現的無線電波，而后者又得益于詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）優雅的電磁方程組?；A科學與應用研究頻繁互動，促成了一個發明和發現頻出的時代：卡爾·費迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發明了陰極射線管，費森登（Fessenden）發明了無線電廣播……而真空管的發明又為長途電話、收音機、電視機和計算機的發明奠定了基礎。

當時美國最大的電話公司是美國電話電報公司（AT&T Inc.），前身是電話發明人之一的亞歷山大·貝爾（Alexander Bell）的電話公司，總部位于紐約。進入20世紀，電話業務在美國迅速發展。1900年，美國只有60萬戶電話用戶，到1910年卻驟增到580萬戶。在此浪潮下，美國電話電報公司不斷壯大，壟斷了美國絕大部分的電話業務。

20世紀以來，美國電話電報公司開始面臨美國國內反壟斷調查。道格拉斯·費爾（Douglas Fair）于1907年執掌美國電話電報公司后，極力說服美國政府接受全美統一電話業務，由此維持了美國電話電報公司此后70多年的壟斷地位，這也讓美國電話電報公司能從豐厚的利潤回報中拿出大筆資金用于長遠技術的研究。7

1914年，世博會(4)計劃將于舊金山舉辦，美國電話電報公司定下了一個目標，屆時要讓從東海岸的紐約到西海岸的舊金山的長途電話能夠打通。當時，美國電話電報公司的長途電話線從紐約一直延伸至美國中部的丹佛，無法繼續向西延伸，因為隨著距離的延長，電話信號會逐漸衰減。

美國電話電報公司打算在中途設立一些中繼站，從而將信號放大后繼續向前傳輸。這需要一種能放大信號的器件，但真空二極管只能分揀信號，而無法將其放大。這時，一種能放大信號的電子器件引起了美國電話電報公司的注意，它就是李·德福雷斯特（Lee de Forest）發明的真空三極管。

德福雷斯特不擅長動手，他在學生時代做實驗經常燒掉保險絲。盡管他一再被老師告誡要小心，但在一次重要的講座上，他仍然將一只燈泡浸泡到水中，搞砸了實驗。為此他被逐出了耶魯大學謝菲爾德學院，但這并沒有影響他對發明創造的癡迷，后來，他來到了紐約。

1906年，德福雷斯特對真空二極管的結構做了適當的改造。他在燈絲和金屬片之間插入了一根形如木柵欄的銅絲（稱為柵極），想看看會發生什么（見圖1-5）。當他給銅絲柵極施加負電壓時，陰極和陽極之間的電流減少了；反之，當他在銅絲柵極上施加一個正電壓時，電流就增加了。接著，他在銅絲柵極上施加了一個微小的交替變化的電壓，結果竟在陰極和陽極之間得到了一個變化幅度更大的交變電流：信號放大了！

靠著誤打誤撞插入一根銅絲做的柵極，德福雷斯特使真空管放大了信號，于是真空二極管變成了真空三極管，這個發明帶來的榮譽伴隨了他一生。不過德福雷斯特不擅長理論知識，他無法解釋為什么信號會放大。8

離德福雷斯特的實驗室不遠的紐約州尼亞加拉瀑布上興建了一座62米高的巨型水電站大壩。如果德福雷斯特去那里參觀過，也許能得到一些啟發。從北向南流動的尼亞加拉河水遇到了水壩，被攔住了去路，水流大小受到閘門的調控。只需輕按控制水閘的電鈕，涓涓細流就會變成聲震天地的滾滾洪流，這種調控是一種力量的放大。同樣，在真空管單向電流通路中插入一個柵極，它也能像閘門一樣調控電流的大小，這種調控則是一種信號的放大(5)。

1912年，美國電話電報公司出價5萬美元買下了真空三極管的專利，應用于長途電話系統。德福雷斯特不知道，他的這一小小改動即將引發一場巨大的變革。

1915年，世博會延期了一年舉行，而這一年美國電話電報公司的長途線路終于從東海岸延伸到了西海岸。舉行開通儀式那天，公司邀請了亞歷山大·貝爾和托馬斯·華生（Thomas Watson）兩位元老，他們一位在紐約，一位在舊金山，兩人在通話時致敬了電話剛被發明時的經典對話。貝爾拿起話機說：“華生先生，請到我這兒來，我需要你！”遠在大陸另一頭的華生回答道：“可是貝爾先生，坐火車到你那兒要花費整整5天時間！”9

第一次世界大戰爆發后，無線電的研究大大加速。美國發明家埃德溫·霍華德·阿姆斯特朗（Edwin Howard Armstrong）在第一次世界大戰期間于軍中服役，他用真空三極管做出了超外差式接收機，后來還發明了調頻廣播（FM）。(6)1940年，時任英國首相丘吉爾在廣播里大聲鼓舞轟炸中的民眾“無論代價和痛楚有多大，我們都要作戰并贏得勝利”時，人們記住了英國的這位堅強領袖；同年，法國戴高樂將軍在英國廣播公司（簡稱BBC）的廣播上向法國官兵發出抵抗德國軍隊的號召時，人們記住了這位勇敢的將軍，但他們并不知道是誰讓聲音在無線電波里傳遞出去的。

1946年，美國賓夕法尼亞州立大學用真空管研制出第一臺電子數字積分式計算機（簡稱ENIAC），它使用了17 468多個真空管，占地170多平方米，每秒能做5 000次計算。10這里的真空管不是用來放大信號，而是作為一個開關。如果在銅絲柵極上施加一個很大的負電壓，就能使電流中斷。只需把開通和中斷當作0和1兩種狀態，那么它就能表示二進制，從而幫助一臺電子計算機進行計算。

這時真空管的應用可謂如日中天，從收音機、電視機、無線電報、音響再到電子計算機，都離不開真空管的身影，一代又一代的工程師仍在不斷地提升其性能。

在美國電話電報公司下屬的貝爾實驗室，一位名叫默文·凱利（Mervin Kelly）的工程師負責十幾種真空管的開發與生產，并積累了豐富的經驗。但隨著時間的推移，他越來越覺得真空管技術逼近了極限。

首先，真空管發熱嚴重，導致故障頻發。11ENIAC一旦啟動運行，每小時將消耗150千瓦的電，必須使用專門的電力供應。每過15分鐘就會有一個真空管因過熱而爆掉，維修人員往往要花很長時間才能找到它并替換掉。只有美國國防部和大公司才用得起這個龐然大物。其次，真空管個頭不小，無法繼續“縮身”。如果將我們手機芯片里的晶體管都替換為真空管，會是什么情況呢？如果一部手機按2 000億個晶體管來計算，而一個真空管有兩塊方糖那么大，那么這2 000億個真空管能裝滿14萬個集裝箱，需要10艘長度為400米的超大貨輪才能裝得下。

人們急需一種新的電子開關：可靠、小巧和快速，而這需要科學家在基礎物理上取得進一步的突破。