第6章 电报机与继电器

萨缪尔·芬利·布里斯·莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse）1791 年出生于马萨诸塞州的查尔斯顿镇。这座小镇曾是邦克山战役打响的地方，位于波士顿的东北部。莫尔斯出生那年，距美国宪法制度刚过两年，而当时乔治·华盛顿正处在他的第一个总统任期内；叶卡捷琳娜大帝正统治着俄国；路易十六和玛莉·安托瓦内特将在 2 年后的法国大革命中人头落地。然后在 1791 年，莫扎特完成了他最后一部歌剧——《魔笛》(The Magic Flute)，不久后在 35 岁时与世长辞。

莫尔斯在耶鲁大学深造，并在伦敦学习艺术。后来他成为了一名成功的画家。他的作品《拉法耶特将军》（General Lafayette，1852 年），现在还悬挂在纽约市政大厅。1836 年，他以独立候选人的身份参与竞选纽约市市长，并获得了 5.7% 的选票。他还是一个早期的摄影爱好者。莫尔斯接受路易斯·达盖尔（Louis Daguerre）的亲自指点，学习银板照相术，并且拍摄了美国最早的一些银板照片。在 1840 年，他把这项技术传授给了 17 岁的马修·布雷迪（Mathew Brady），而布雷迪后来与同事一起，完成了一组非常有纪念意义的关于美国内战、亚伯拉罕·林肯（Abraham Lincoln），还有萨缪尔·莫尔斯本人等的摄影作品。

但是，这些只是他兼收并蓄职业生涯中的点缀而已。萨缪尔·莫尔斯之所以被现在的人们所熟知，还是因为他发明的电报机，以及他名字命名的电码。

全球性即时通信对于我们来说已经司空见惯了，这项技术其实是在近代才得到发展的。回溯到 19 世纪早期，你也可以进行即时通信或者远距离通信，但是不能同时做到做到这两点。即时通信受声音传播距离的限制（没有扩音器可以用），或者受视野的限制（或许可以使用望远镜作为辅助工具）。使用信件可以进行更远距离的通信，但是寄信耗费的时间太多，并且需要马匹、火车或轮船。

莫尔斯的发明问世前的几十年里，人们为了提高远距离通信的速度，做过很多尝试。技术上比较简单的方法是，雇用一些人站在山上，作为中继系统，挥旗发出旗语。而在技术上稍复杂的解决方案是，使用带有机械臂的大型装置，代替人做挥旗的工作。

“电报”（telegraph，字面意思就是“远距离书写”）这个想法在19世纪早期就出现了，而且在萨缪尔·莫尔斯 1832 年开始实验之前，其他的发明家就已经开始研究它了。理论上说来，电报机的原理是很简单的：在线路的这一端采取一些措施，使线路的另一端发生某种变化。这恰好与我们第一章中用手电筒远距离发送信息所用到的方法很一致。不过呢，莫尔斯先生不会用灯泡作为他的信号发生装置了，因为最早的可使用的电灯泡到 1879 年才被发明出来。作为替代手段，莫尔斯利用了电磁（electromagnetism）现象。

如果你手头有一根铁棒，那么在上面用细导线绕几百圈，然后在导线上接通电流，铁棒就变成了一块磁铁。现在它可以吸引其他的铁块和钢块（电磁铁上缠绕足够多的细导线，会产生足够强的电阻，能防止电磁铁产生短路现象）。断开电流，铁棒将丧失磁性。

电磁铁是电报机的基础。在线路的一端闭合或断开开关，可以使线路另一端的电磁铁有所动作。

实际上，莫尔斯的第一个电报机比后来演化出的版本要复杂。莫尔斯认为，发报系统应该确实能在纸上写出些什么东西，或者就像计算机用户后来描述的那样，“输出一份硬拷贝。”当然，电报机输出的不一定非得是单词，因为那样做就太过复杂了。但是不管是杂乱无章的线条还是点和划，在纸上总应该写些东西。注意，莫尔斯现在一头扎进了一个需要纸张和阅读的模型，这很像瓦伦丁·霍伊（Valentin Haüy）的观点——盲人用的书应该印有凸起的字母。

尽管萨缪尔·莫尔斯在 1836 年通知过专利局，他成功发明了电报机，但是直到 1843 年，他才说服美国国会，为其创建了一个公共基金。1844 年 5 月 24 日，这是历史性的一天，当华盛顿特区和马里兰州巴尔迪摩市之间的电报线路架设完成时，一条信息被成功地传递，内容是圣经中的句子：“What hath God wrought!”（神造了什么！）

传统电报机中用来发送信息的电键，其外形如下图所示。

它虽然外表奇特，其实只是一个被设计成有“最大开闭速度”的开关而已。如果需要长时间使用电键，最舒适的方法是，用拇指，食指和中指握住手柄，轻击它使其上下移动。保持电键的按下状态一小段时间，就会产生一个“点”的莫尔斯码。按下状态保持的时间更长一些就会产生一个“划”的莫尔斯码。

线路的另一端是一个接收器，它主要是由一块电磁铁拉动一根金属杆构成的。最初，电磁铁控制的是一只钢笔。有一个装置通过使用一个压紧的弹簧来拉动一卷纸经过设备，与电磁铁连接着的钢笔就会弹起或落下，在纸上画出点和划。能读懂莫尔斯电码的人员就可以把这些“点”和“划”译成字母和单词了。

当然，我们人类是个懒惰的物种，电报操作员们很快发现，他们可以很容易地通过听钢笔弹起和落下的声音来翻译电码。在传统电报机中的“发声器”的帮助下，钢笔最终被废弃，整个装置看起来如下图所示。

当电报机的电键被按下时，发声器中的电磁铁拉动上面的活动横杆下降，它会发出“滴”的声音。当松开电键的时候，横杆弹回到原来的位置，发出“嗒”的声音。一次快速的“滴-嗒”声代表点；一次慢速的“滴——嗒”声则代表划。

电键、发声器、电池，还有一些导线连接到一起，电报机的电路示意图与前面章节中的手电筒电路图很相似。

正如我们以前所发现的那样，不必非得用两根导线来连接两个电报站。如果地球能为我们提供电路的另一半的话，一根导线就足够了。

就像我们在上一章所做的那样，我们可以把接地的电池用大写“V”表示。因此完整的单向系统如下图所示。

双向通信仅仅需要再增加一个电键和发报人。这与我们前一章中的做法是类似的。

电报机的发明标志着现代通信的开始。人们第一次能够在视线或者听力之外的距离范围进行实时交流了，而且信息传递的速度比骏马疾驰还要快。而更加耐人寻味的是，这个发明使用了二进制码。但是在后来的电子和无线通信（包括电话、无线电、电视）所使用的通信模式中，二进制码被废弃了，直到后来它又被应用在了电脑、光盘、数字影碟、数字卫星电视广播和高清电视上。

莫尔斯的电报机在某种程度上要胜过其他的设计，因为它对线路没有苛刻的要求。当你连好电键和发声器之间的线路后，它们一般都可以正常工作。而其他的电报系统对线路的要求就没这么简单了。但是正如我上一章提到的那样，这种电报机最大的问题就是长导线所带来的电阻。尽管一些电报线路使用高达 300 伏的电压，而使有效距离能够超过 300 英里，但是线路还是不能无限延长。

显然，设置一个中继系统是解决该问题的一个方案。每隔 200 英里左右，为一个工作人员装配好发声器和电键，他就可以接收信息，然后再把它转发出去。

现在，想象你已经被电报公司聘用，成为中继系统的一部分。他们把你扔在纽约和加利福尼亚之间的一个无名之地，让你在一个只有一桌一椅的小屋里工作。一条导线从东面的窗户伸进来，连接到发声器上。而你的电报机电键连到电池上，最后线路从西窗伸出去。你的职责就是接收从纽约发来的信息，然后转发它们，最终使它们到达加利福尼亚。

开始时，你喜欢接收完一条完整的信息后再把它转发。首先，根据发声器发出的滴答声，将字母记下来；当信息接收完毕时，再开始用你的电键来发送。最后，你终于掌握了诀窍，在听到滴答声的同时就可以发送信息，不需要再把信息记录下来了。这节约了不少时间。

有一天，当你正在转发信息时，瞄了瞄发声器上那根上蹿下跳的横杠，又看了看在电键上上下翻飞的手指。然后你就这样来来回回地瞅来瞅去，恍然发现发声器上下跳跃的节奏与电键是一致的。因此你就去外面找了根小木棍，然后用木棍和一些细绳把发声器和电键连接到了一起，如下图所示。

现在，设备可以自己工作了，而下午剩余的时间嘛，你就可以去休个假，钓个鱼。

这真是个有趣的想法，但是事实上，萨缪尔·莫尔斯在早些时候就已经领会了这个设备的概念。刚刚我们发明的这个设备称做“继电器”。继电器与发声器很像，传进来的电流驱动电磁铁拉动金属杠，金属杠同时又作为一个开关的组成部分，而这个开关连接着电池和输出线路。通过这种方法，输入的比较弱的电流就被“放大”成了较强的输出电流。

继电器的示意图如下。

当输入的电流触发了电磁铁，电磁铁把一个弹性金属条吸附下来，就像闭合了开关一样，使电流可以从接口输出。

因此，把一个电报机电键、一个继电器，还有一个发声器连接好，差不多就是下图的这个样子。

继电器是一个意义非凡的设备。当然，它是一个开关，但是这个开关的闭合和断开并不是由人来操纵的，而是由电流控制的。你可以通过它来完成一些不可思议的事情。实际上，使用它，你甚至可以装配好一台近乎完整的计算机来！

不错，继电器是一项如此出色的发明，以至于电报博物馆也为它留有一席之地。让我们悄悄拿起一台，藏在外套里，飞快地从警卫身边溜过去。这台继电器用起来将非常方便。不过我们在使用它之前，还要学会如何计数。