变黑的灯泡，真空管的发明

让我们先回到灯泡诞生的19世纪。

回首19世纪，我们理应为当时人们取得的成就感到自豪。冒着蒸汽的邮轮从伦敦港出发，在世界各大洋劈波斩浪；银光闪闪的铁轨连接了莫斯科和西伯利亚，从美国东海岸延伸到西海岸；跨越大西洋海底的有线电报将“嘀嗒”作响的消息送至世界各地；高高架起的电话线传递着远方的声音……

当时世界上拥有殖民地最多的国家是大英帝国，全球到处飘扬着米字旗。俄国也在迅速壮大，疆域从波罗的海延伸到了太平洋。法国在全球范围内占领了广泛分布的岛屿和非洲大陆部分地区。统一后的德国成了后起之秀。日本历经革新，成了东亚的新兴势力。与此同时，土耳其帝国则面临土崩瓦解的危机。

美国这块新大陆正迅速崛起，其高等学府声名鹊起，工业产品门类齐全，钢铁产量领跑世界。19世纪后半期，留声机、电话机、交流电、石油精炼技术和轻巧的金属铝都诞生在这块新大陆。在这里，还诞生了一项不同寻常的发明——电灯泡，它彻底改变了这颗星球夜晚的面貌。

爱迪生发明了电灯泡不久，就碰到了他的第一个烦恼：灯泡使用过一段时间后，内表面会变黑，导致灯光暗淡。

灯泡之所以会变黑，是因为在高温下的碳纤维灯丝会释放出一些碳微粒，附着在灯泡玻璃内表面，时间久了灯泡会被熏黑。1

爱迪生和助手想到了一个方法，将一枚铜片放置在灯丝和玻璃泡之间，以阻挡碳微粒飞向玻璃（见图1-1），但这个方法并没有奏效。接下来，他们又在铜片上施加了一定的电压，期望能改变碳微粒的分布，可问题依然没有解决。

最后，他们改变了铜片上的电压，这时匪夷所思的事情发生了，竟然有电流从铜片流向了灯丝，而且，只在一个方向上有电流。可是，灯丝和铜片并没有任何接触，两者之间是真空的！

爱迪生邀请科学家们来到他的实验室参观这一奇特的单向电流现象。爱迪生站在旁边，微笑地看着他们一次又一次地观察到同样的现象并表露出费解的神情。人们把这种现象叫作“爱迪生效应”。在写给友人的信中，爱迪生将它称作一种“美学”现象。

爱迪生总是发明不断，忙碌不停。就在这段时间，他还发明了留声机和电话机里的碳粒式麦克风（也称纽扣式麦克风或碳粒式传声器）。专注于新发明和实际应用的爱迪生无暇顾及电灯泡里的这个“美学”现象，他习惯性地申请了一个专利，就将其忘在脑后了。2

*　*　*

19世纪80年代，爱迪生在英国伦敦分公司聘请了大学教授约翰·弗莱明（John Fleming）作为技术顾问。弗莱明也用这种特制灯泡做了这个有趣的实验，他在铜片和灯丝之间施加了可改变正负方向的交流电，同样观察到了在灯丝和铜片之间的单向电流。不过，弗莱明也无法解释，为什么在真空中有单向流动的电流。

距离伦敦不远的剑桥大学，剑河缓缓地穿流而过，河床上青绿的水草随着流动的柔波轻轻地摇摆。距离剑河一箭之地的实验室里，物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）正为实验桌上的一支真空玻璃管忙碌着。1897年，他在玻璃管的两端分别安装了金属电极，通电后一些带电微粒从一端的阴极电极飞向了另一端的阳极。就这样，汤姆逊第一次劈开了阴极金属中的原子，剥离出带负电荷的电子，使它们飞出阴极，形成了一条真空中的“电子之河”（见图1-2）。3

汤姆逊的这一发现，使弗莱明恍然大悟：原来灯丝通电受热后，灯丝原子中的电子逃逸出去，飞向了铜片，从而产生了单向电流！正如河水总是从高处流向低处，电子也是从能量高的地方沿着“能量斜坡”流向能量低的地方。只是电子的流动或飞行不需要河床或者导体，它在真空中就能完成这一过程。

汤姆逊这一“劈”，劈开了人们曾经认为“不能再分”的原子，劈出了一片新天地：人类不仅首次发现了电子(2)，还为之后真空管的发明打开了大门。

1900年，弗莱明在“无线电先驱”伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi）的公司找到了一个新的顾问职位。

1899年，在一艘英国军舰上，25岁的马可尼向另外一艘船只发送了一封无线电报，展示了无线电通信在海上通信领域的优点。1905年对马海战期间，俄国调集太平洋第二舰队，抄近道穿越日本西南方的对马海峡。日本巡洋舰“信浓丸”号在5月26日夜晚侦察到了俄国舰队，舰上装备了从马可尼公司（Marconi）进口的无线电设备，相关人员立刻发送了一封无线电报给附近的日方指挥船。随后，89艘日本军舰及时赶到，击沉了21艘俄方军舰。4

马可尼的下一步计划是研发跨越大西洋的无线电通信。当时的科学家并不看好这一计划，他们认为地球弯曲的球面会阻碍无线电波跨越大洋。但马可尼坚持在大西洋两岸设置了数十米高的接收和发射天线。发射端通过放电打出声震如雷的火花，当电波传送到大洋彼岸时已经变得十分微弱，这就要求接收端的电路对无线电波非常灵敏，而这正是整个装置中最薄弱的环节，也是弗莱明致力于解决的难题。

在中国，梁启超主办的《时务报》上也对无线电做了介绍：“凭空发递，激而成浪，颤动甚疾，每秒跳二万五千次（即频率25 000Hz）。”5在接收到这种上下快速舞动的无线电波后，要先去掉负半部分，只保留正半部分，这叫作整流，之后才能将信号中的信息提取出来（见图1-3）。而整流需要一种单向导电的器件，它就像站在单行道上的交警，只允许车辆在一个方向上通行。早期整流使用的是金属屑检波器，它的开合速度很慢。

那么，如何找到一个快速的单向导电器件呢？1904年的一天，弗莱明从20多年前的“爱迪生效应”以及它那奇特的单向电流中获得灵感，他立刻从柜子里翻出了当年的灯泡，给它加上有正有负的交流电。不出所料，铜片和灯丝之间出现了单向电流，这正好能用于无线电接收器中的整流！由于真空二极管没有机械部分，电流纯粹靠电子的流动，因此开合速度比金属屑检波器更快。

弗莱明很快仿照这种灯泡设计了一种带有圆柱形玻璃罩的真空器件，它以灯丝为阴极，以铜为阳极，所以叫作真空二极管（见图1-4）。开机后，灯丝发热，带负电荷的电子从阴极逃逸出来，随即被阳极吸引过去。同样，这里也有一个能量斜坡——从阴极到阳极，造成了电子的单向流动。

1912年4月，泰坦尼克号游轮从英国出发，驶向大西洋彼岸的美国，却不料在夜晚撞上了冰山。幸好船上安装了无线电发报装置，电报员立刻不停地发出求救信号，直到最后一刻。附近的一艘船只收到信号后及时赶来，挽救了700多人的生命。大西洋上的无线电波甚至被传到了美国东海岸，那时马可尼公司在纽约市沃纳梅克百货大楼顶上设置了一座电报站，一位名叫大卫·沙诺夫（David Sarnoff）的电报员坚守了三天三夜，不停地收发电报，统计遇难者的人数(3)。6

*　*　*

马可尼的无线电技术来自海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发现的无线电波，而后者又得益于詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）优雅的电磁方程组。基础科学与应用研究频繁互动，促成了一个发明和发现频出的时代：卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发明了阴极射线管，费森登（Fessenden）发明了无线电广播……而真空管的发明又为长途电话、收音机、电视机和计算机的发明奠定了基础。

当时美国最大的电话公司是美国电话电报公司（AT&T Inc.），前身是电话发明人之一的亚历山大·贝尔（Alexander Bell）的电话公司，总部位于纽约。进入20世纪，电话业务在美国迅速发展。1900年，美国只有60万户电话用户，到1910年却骤增到580万户。在此浪潮下，美国电话电报公司不断壮大，垄断了美国绝大部分的电话业务。

20世纪以来，美国电话电报公司开始面临美国国内反垄断调查。道格拉斯·费尔（Douglas Fair）于1907年执掌美国电话电报公司后，极力说服美国政府接受全美统一电话业务，由此维持了美国电话电报公司此后70多年的垄断地位，这也让美国电话电报公司能从丰厚的利润回报中拿出大笔资金用于长远技术的研究。7

1914年，世博会(4)计划将于旧金山举办，美国电话电报公司定下了一个目标，届时要让从东海岸的纽约到西海岸的旧金山的长途电话能够打通。当时，美国电话电报公司的长途电话线从纽约一直延伸至美国中部的丹佛，无法继续向西延伸，因为随着距离的延长，电话信号会逐渐衰减。

美国电话电报公司打算在中途设立一些中继站，从而将信号放大后继续向前传输。这需要一种能放大信号的器件，但真空二极管只能分拣信号，而无法将其放大。这时，一种能放大信号的电子器件引起了美国电话电报公司的注意，它就是李·德福雷斯特（Lee de Forest）发明的真空三极管。

德福雷斯特不擅长动手，他在学生时代做实验经常烧掉保险丝。尽管他一再被老师告诫要小心，但在一次重要的讲座上，他仍然将一只灯泡浸泡到水中，搞砸了实验。为此他被逐出了耶鲁大学谢菲尔德学院，但这并没有影响他对发明创造的痴迷，后来，他来到了纽约。

1906年，德福雷斯特对真空二极管的结构做了适当的改造。他在灯丝和金属片之间插入了一根形如木栅栏的铜丝（称为栅极），想看看会发生什么（见图1-5）。当他给铜丝栅极施加负电压时，阴极和阳极之间的电流减少了；反之，当他在铜丝栅极上施加一个正电压时，电流就增加了。接着，他在铜丝栅极上施加了一个微小的交替变化的电压，结果竟在阴极和阳极之间得到了一个变化幅度更大的交变电流：信号放大了！

靠着误打误撞插入一根铜丝做的栅极，德福雷斯特使真空管放大了信号，于是真空二极管变成了真空三极管，这个发明带来的荣誉伴随了他一生。不过德福雷斯特不擅长理论知识，他无法解释为什么信号会放大。8

离德福雷斯特的实验室不远的纽约州尼亚加拉瀑布上兴建了一座62米高的巨型水电站大坝。如果德福雷斯特去那里参观过，也许能得到一些启发。从北向南流动的尼亚加拉河水遇到了水坝，被拦住了去路，水流大小受到闸门的调控。只需轻按控制水闸的电钮，涓涓细流就会变成声震天地的滚滚洪流，这种调控是一种力量的放大。同样，在真空管单向电流通路中插入一个栅极，它也能像闸门一样调控电流的大小，这种调控则是一种信号的放大(5)。

1912年，美国电话电报公司出价5万美元买下了真空三极管的专利，应用于长途电话系统。德福雷斯特不知道，他的这一小小改动即将引发一场巨大的变革。

1915年，世博会延期了一年举行，而这一年美国电话电报公司的长途线路终于从东海岸延伸到了西海岸。举行开通仪式那天，公司邀请了亚历山大·贝尔和托马斯·华生（Thomas Watson）两位元老，他们一位在纽约，一位在旧金山，两人在通话时致敬了电话刚被发明时的经典对话。贝尔拿起话机说：“华生先生，请到我这儿来，我需要你！”远在大陆另一头的华生回答道：“可是贝尔先生，坐火车到你那儿要花费整整5天时间！”9

第一次世界大战爆发后，无线电的研究大大加速。美国发明家埃德温·霍华德·阿姆斯特朗（Edwin Howard Armstrong）在第一次世界大战期间于军中服役，他用真空三极管做出了超外差式接收机，后来还发明了调频广播（FM）。(6)1940年，时任英国首相丘吉尔在广播里大声鼓舞轰炸中的民众“无论代价和痛楚有多大，我们都要作战并赢得胜利”时，人们记住了英国的这位坚强领袖；同年，法国戴高乐将军在英国广播公司（简称BBC）的广播上向法国官兵发出抵抗德国军队的号召时，人们记住了这位勇敢的将军，但他们并不知道是谁让声音在无线电波里传递出去的。

1946年，美国宾夕法尼亚州立大学用真空管研制出第一台电子数字积分式计算机（简称ENIAC），它使用了17 468多个真空管，占地170多平方米，每秒能做5 000次计算。10这里的真空管不是用来放大信号，而是作为一个开关。如果在铜丝栅极上施加一个很大的负电压，就能使电流中断。只需把开通和中断当作0和1两种状态，那么它就能表示二进制，从而帮助一台电子计算机进行计算。

这时真空管的应用可谓如日中天，从收音机、电视机、无线电报、音响再到电子计算机，都离不开真空管的身影，一代又一代的工程师仍在不断地提升其性能。

在美国电话电报公司下属的贝尔实验室，一位名叫默文·凯利（Mervin Kelly）的工程师负责十几种真空管的开发与生产，并积累了丰富的经验。但随着时间的推移，他越来越觉得真空管技术逼近了极限。

首先，真空管发热严重，导致故障频发。11ENIAC一旦启动运行，每小时将消耗150千瓦的电，必须使用专门的电力供应。每过15分钟就会有一个真空管因过热而爆掉，维修人员往往要花很长时间才能找到它并替换掉。只有美国国防部和大公司才用得起这个庞然大物。其次，真空管个头不小，无法继续“缩身”。如果将我们手机芯片里的晶体管都替换为真空管，会是什么情况呢？如果一部手机按2 000亿个晶体管来计算，而一个真空管有两块方糖那么大，那么这2 000亿个真空管能装满14万个集装箱，需要10艘长度为400米的超大货轮才能装得下。

人们急需一种新的电子开关：可靠、小巧和快速，而这需要科学家在基础物理上取得进一步的突破。