人类通讯的发展——从电磁感应到网络起源

人类社会的发展离不开通信技术的演进。而现代通信的基石，其起源可以追溯到电磁感应的早期探索。

一、电磁感应的探索——奥斯特/安培/法拉第

在解释电磁感应的原理之前，我们要记住三位科学家：汉斯·克里斯蒂安·奥斯特、安德烈-玛丽·安培和迈克尔·法拉第。

1. 汉斯·克里斯蒂安·奥斯特

1. 1820年，丹麦物理学家奥斯特进行了关于电流和磁场的实验。奥斯特准备了一根导线和一个指南针。他把导线接入一个电源，使电流通过导线。当电流通过导线时，奥斯特发现到指南针的指针发生偏转。奥斯特进一步尝试不同的导线形状和电流方向，并发现磁针的偏转方向始终与电流方向垂直。这个实验成果成为了电磁感应研究的重要基础。
2. 奥斯特因此得出了结论：当电流通过导线时，会在导线周围产生磁场，这个磁场是一个闭合的环形磁力线。而磁针的偏转是由于导线周围的磁场对磁针的磁力产生作用。 奥斯特此时并不会知道，这个发现将给人类社会带来多大的改变。
   

2. 安德烈-玛丽·安培

1. 1822年，安培受奥斯特的启发，开始进行自己的实验研究。安培首先把一根导线绕成一个螺旋形的线圈，然后在线圈里通电。当电流通过线圈时，他观察到指南针的指针偏离了原来的方向，显示出线圈周围产生了磁场。安培随后进行了多组实验，改变电流的大小和方向，观察磁场的变化和指南针的响应。
2. 通过实验观察和测量，安培得出了结论：电流通过导线时，会在导线周围产生一个闭合的磁场。磁场的方向可以使用右手定则确定：当握住线圈，让四指指向电流的方向，那么大拇指的方向就是磁场的方向。
3. 在之后，安倍通过一系列的实验研究，得到了两大发现：1）电流产生的磁场与电流强度成正比，同时与导线的形状和长度有关。2）通过闭合环路的任何路径的总磁场强度是相等的。
   

3. 迈克尔·法拉第

1. 1831年，法拉第进行了著名的实验。法拉第取了一根导线，并将其绕成一个线圈的形状，将这个线圈连接到一个电流表上。接下来，他将一段铁磁体（可以是铁芯或磁铁）放置在导线的附近。当他使铁磁体接近或远离导线时，磁场的强度或位置发生变化。此时，法拉第观察到电流表指针的明显偏转，显示出磁场的变化导致了电流的产生。
2. 该实验证实了磁能生电的现象，即通过改变磁场的强度或位置，可以在导体中产生电流。法拉第总结了这一发现，提出了著名的法拉第电磁感应定律，即导体中产生的感应电动势（即电压）与磁场变化率成正比。
   

二、电报：远程信息传递的开端——塞缪尔·莫斯

1. 莫斯电码

电报的起源始于1833年，在一艘由欧洲启航到纽约的游船上，莫斯遇到了一位对电磁学感兴趣的乘客，对方向大家展示了导线中电流通过时产生的电磁效应。当电流通过导线时，导线周围会产生一个磁场，这个磁场会使附近的铁块变得有磁性，并且吸住小铁片、大头钉、螺丝针等物体。当电流断开时，磁性吸力也会立即消失。

这个简单的实验激发了莫斯的兴趣，使他对电磁学产生了浓厚的兴趣。他决定改变职业，投身于电磁学的研究。经过大量的学习与研究，莫斯最终利用使电流交替地通电和切断所产生的不同信号，编制代表数字和字母的电码。这就是著名的莫斯电码，也是电信史上最早使用编码。

莫斯曾在在《科学手记》中这样写道：

“如何利用神速电流？只要能让它不停地跑十英里，我就能让它跑遍全世界。突然切断电流，就能够产生电火花。电火花就是一种符号；没有电火花则是另一种符号；没有火花的时间长又是一种符号。这样，就有三种符号可以组合起来，代表数字或字母。它们的适当组合，就可以代表全部字母。这样，文字就能够由电线传送出去。其结果，我们就一定能够创造出可以在相隔遥远的两地迅速地互通信息、可以记录的新机器！”

这段原文描述了莫尔斯对电报的构想和实验过程。他观察到通过控制电流的开关，可以在导线中产生电火花。他意识到这些电火花可以作为符号，从而代表字母和数字。通过不同的电火花组合，可以传送各种不同的信息，从而实现文字在电线上传输。

2.莫斯电报机

电报机由两个主要部分组成：发送器和接收器。发送器用于将信息转换成电信号并发送，而接收器则用于接收电信号并将其转换回可读的信息。

发送器内部有一个电流开关，当按下发送键时，电流会在导线中流动，根据摩尔斯电码的规则，产生相应的点和划的组合。点和划的长度和间隔是根据规定的摩尔斯电码时长来确定的。

接收器内部有一个电磁铁，当接收到电流时，电磁铁受到影响，产生一个磁场。当发送器通过导线发送电流来到接收器时，电磁铁的磁场会导致接收器上的指针偏转，显示出收到的电信号的点和划。根据摩尔斯电码的规则，我们可以将该电信号转化为可读的字母、数字和符号。

3.第一份长途电报

1844年，莫斯在美国首都华盛顿特区的一条铁路线上搭建了一段电报线路，连接着华盛顿特区和马里兰州的巴尔的摩。5月24日，伟大的时刻到来了！莫斯在华盛顿的国会大厦联邦最高法院的会议厅里，用颤抖的手，向40英里外的巴尔的摩城，发出了人类历史上第一份长途电报。内容是："What hath God wrought! "（上帝创造了什么！） 通信的时代来临了。

4. 电报网络

在19世纪末到20世纪初，电报站点通过电报线路连接，形成一个国家范围或跨国范围的通信网络，使得远距离的文字通信成为可能，电报网络在欧美地区得到广泛发展。

三、电话：声音的传输——亚历山大·格拉汉姆·贝尔

电话机的发明

19世纪70年代末和80年代初，贝尔受到法拉第的电磁感应实验的启发。他了解到当电流通过导线时，导线周围会产生磁场，并且当磁场变化时，导线中会产生感应电流。这启发了他的构思，是否可以用电流来模拟声音，并通过电信号传输声音。

1876年，贝尔设计出了第一个电话机。由话筒、听筒、电线组成。
主要原理如下：

• 震动转换：话筒内部通常包含一个振膜（薄磁性振膜）。当人们讲话时，声波通过空气传播并击打话筒的振膜，导致振膜发生微小的震动。
• 电信号产生：在电磁感应麦克风中，振膜连接着一个线圈，并靠近一个永久磁铁。当振膜发生震动时，线圈相对于磁铁运动，产生一个变化的磁场。这个变化的磁场使线圈中产生了电流，从而产生电信号。
• 电信号传输：话筒内部的电信号通过电缆或其他方式传输到接收端设备，例如电话交换机或录音设备。
• 电磁感应：在接收端，电话的听筒负责将电信号转换回声音。听筒中包含一个电磁铁和一个振膜（薄磁性振膜）。当电流通过电磁铁时，它会产生一个磁场，磁场的变化会导致振膜发生震动。
• 声音再现：振膜的震动通过空气传播，并产生类似于发声端的声波。这些声波被听筒上的听觉传感器（即耳朵）接收，并转换为声音。

现在由贝尔设计制造的第一台电磁电话机仍然保存在华盛顿历史和技术博物馆里。

电话机的发展：

1. 1877年，爱迪生发明了磁精电话，比贝尔的话筒更加灵敏、有效。
2. 1878年，沃特森在电话机上增加了磁性电铃，用户可以呼叫交换台，而交换台也可以呼叫每个用户。
3. 1879年，卢赛薇尔特发明了挂钩开关器，当拿起话筒时，电话机自动接通，挂上时，话机又自动切断。
4. 1891年，美国人史瑞乔发明了自动电话选择器，这是一种磁铁式的步进滑动接触装置，根据拨号盘发来的一个个电流脉冲信号，自动地上升、旋转、选择接线位置，自动接通所需的电话线路。

注：有线电话中使用的电线与电报机的电线在基本构成上没有区别，都是用于传输电信号的导线。

四、模拟通信的数字化——网络基石

还记得，我们前面提到的萨缪尔·莫斯，我们将其发明的电报称为远程信息传递的开端。同时，我们也可以把萨缪尔·莫斯进行的关于电信号传输的实验被 认为是模拟通信的数字化的开端。

1. 采样定理的提出——模拟通信数字化的基础技术

采样定理，也被称为奈奎斯特-香农定理，是由两位科学家独立提出的，他们分别是哈里·尼科拉斯和克劳德·香农。

在萨缪尔·莫斯的基础上，当我们想要将声音、图像等模拟信号变成计算机能够理解的数字形式时，就好像需要翻译成另一种语言。但这个翻译过程需要一些特殊的规则，以确保信息不会遗漏或失真。

在20世纪20年代，哈里·尼科拉斯和克劳德·香农分别提出了尼科拉斯-香农采样定理，这个定理指出，一个连续信号可以通过在一定时间间隔内对其进行采样，然后再以足够高的采样率重建，从而准确地恢复原始信号。

它的基本原理可以用一个简单的比喻来解释：想象你在海边看海浪。如果你只看一次，你可能会错过很多细节，因为海浪是连续变化的。但如果你每隔一段时间都看一次，你就能够捕捉到海浪的变化。

在信号处理中，我们面临类似的问题。模拟信号（比如声音或图像）也是连续变化的，就像海浪一样。为了将这些连续的信号变成计算机能够理解的数字形式，我们需要拍摄这些信号的快照，就像在不同时间点看海浪。

采样定理告诉我们，如果信号中的最高频率是f（也就是信号的最高变化速度），我们需要以至少2f的频率对信号进行拍摄。这就像是说，如果海浪变化得很快，我们就需要更频繁地看海浪，以捕捉到所有细节。

如果我们不按照足够高的频率来采样信号，就可能错过其中一些变化。结果可能是，我们在数字化信号时丢失了重要的信息，就像在海浪观察中错过了某些变化。

所以，采样定理的基本原理是：为了将连续的模拟信号变成数字形式，我们需要以足够高的频率进行采样，以捕捉到信号中的所有变化。这样，在数字信号中，我们就可以准确地还原出原始信号，就像在不同时间点看海浪一样。

在介绍完采样定理后，我们要介绍两种技术，分别为：阿尔伯特·约伯斯的数字化音乐系统与PCM编码。

2.数字化音乐——阿尔伯特·约伯斯

阿尔伯特·约伯斯是一位德国工程师，他在采样定理的基础上于20世纪50年代设计了一种特殊的系统，可以将声音转化为数字信号，也就是一串数字。这样，音乐就可以被计算机读懂了。

想象一下，你正在画一幅美丽的画，但你想要把这个画分享给你的朋友们。然而，你的朋友们可能在不同的地方，不太容易一起看到画。于是，你想到了一个主意：你可以把画的每一个部分都用数字记录下来，然后把这些数字发给朋友们。他们可以根据这些数字，重新拼凑出完整的画面，就好像在重新拼图一样。

阿尔伯特·约伯斯的数字化音乐系统就是类似的思想。将声音的每一个小片段都变成了一串数字。这样，音乐就可以被记录下来，无论是在磁带上还是在计算机里。而且，这些数字化的音乐可以很容易地在不同的地方进行传输，就像你的朋友可以收到你发来的画的数字一样。

3.PCM编码

在采样定理的基础上，科学家们发明了一种将模拟信号数字化的技术，即脉冲编码调制（PCM）。在20世纪中叶，PCM技术开始在电话系统中得到应用，使得电话信号能够以数字形式传输，从而提高了通信质量。

想象你在画一张海滩的图片，你要表达海浪的高低变化。但是，你的朋友可能在不同的地方，你想通过照片让他们看到你的画。于是，你想到了一个方法：你可以在整个画面上画上很多小方块，每个方块的颜色和亮度代表了一个小部分的海浪高度。然后，你可以把每个小方块的颜色和亮度转化为数字，发送给朋友。他们可以根据这些数字，重新还原出整幅画面，就好像是在拼图一样。

PCM编码就是类似的思想。它将声音分成很小的片段，每个片段都用数字表示，就像用颜色和亮度描述海滩的每一部分。这些数字可以被记录下来，也可以通过网络传输。然后，计算机或其他设备可以根据这些数字重新还原出原始的声音，就像是在重新拼图一样。

你发现了吗？这两种技术本质都是采样定理的在各个领域的应用。

五、数字通信技术——克劳德·香农

在了解数字通信技术之前，我们首先需要了解通信的基本原理。在过去，人们主要使用模拟信号来进行通信。模拟信号是连续变化的信号，就像音频和电视广播中使用的电波一样。然而，模拟信号在传输过程中容易受到噪声和干扰的影响，导致信号质量下降。这促使科学家们寻求一种更可靠的通信方式。

数字通信技术的发展可以追溯到20世纪50年代和60年代。一位重要的人物是克劳德·香农，他是信息论的奠基人。舍农在1948年提出了信息论的概念，它为数字通信奠定了理论基础。信息论为我们提供了一种度量和理解信息的方法，使得我们能够更好地处理和传输信息，以及优化通信系统的设计。

下面，我将更详细地解释数字通信技术的原理：

1. 数字信号和模拟信号：
   在数字通信中，信息被转换成数字信号，也就是一系列的0和1。这些数字信号可以用来表示声音、图像、视频等各种信息。相比之下，在模拟通信中，信号是连续变化的，就像音频和电视广播中使用的电波一样。
2. 数字信号的编码和解码：
   在数字通信中，信息源（比如声音或图像）首先被数字化，也就是被转换成数字形式。这个过程称为编码。编码过程中，信息会被分割成小的单元，并映射到二进制数据上。这些二进制数据可以通过计算机或通信设备进行处理和传输。
3. 数字信号的传输：
   一旦信息被编码成数字信号，它可以通过各种传输介质进行传输，如电线、光纤、无线电波等。数字信号的传输是离散的，因此它在传输过程中不受模拟信号所遇到的衰减和干扰问题的困扰。
4. 纠错码和检错码：
   在数字通信中，为了提高通信的可靠性，通常会采用纠错码和检错码的技术。纠错码可以在接收端自动修复少量错误，而检错码可以用于检测是否有错误发生。
5. 总结：
   数字通信技术的原理涉及到将信息转换成离散的二进制数据、传输这些数字信号，以及在接收端将其解码还原成原始信息的过程。

六、ARPANET的建立——互联网的前身

在了解完上述的理论后，让我们把视线拉回20世纪60年代，当时的世界正处于冷战时期，科学技术蓬勃发展。美国的国防高级研究计划局（ARPA）意识到，在战争时期，通信系统的稳定和可靠性至关重要。为了建立一种具有强大抗干扰能力的通信网络，ARPA于1969年9月20日启动了一个史无前例的计划——ARPANET，计算机的第一次联网实现就是发生在这个计划中。

ARPANET的目标是建立一种分布式网络，将多个计算机连接在一起，使它们能够相互通信和交换信息。在ARPANET之前，计算机只能通过点对点的连接进行通信，早期计算机之间的点对点连接虽然可以看作是一种形式的网络，但它们并没有构成一个大规模的网络，主要是因为以下几个原因：

1. 缺乏互联性：早期计算机之间的点对点连接是相对独立的，每两台计算机之间需要建立一个专门的物理连接线路。这导致网络结构非常简单，没有形成复杂的连接网状结构，缺乏整体互联性。
2. 通信复杂性：随着计算机数量的增加，所需的点对点连接线路数量会呈指数级增长，这使得通信的复杂性和管理变得非常困难。这种点对点连接方式在规模上受到了很大限制。
3. 故障隔离：由于点对点连接的缺乏互联性，一旦某个连接出现故障，就会导致该连接两端的计算机无法通信，整个网络没有故障隔离和容错能力。
4. 扩展性限制：由于点对点连接需要耗费大量的物理资源和管理成本，随着计算机数量的增加，扩展性受到很大限制。

综上所述，早期计算机之间的点对点连接虽然是计算机网络的雏形，但由于缺乏互联性、通信复杂性、故障隔离和扩展性限制，没有构成一个大规模的网络。ARPANET的建立解决了这些问题，ARPANET采用了分布式的、去中心化的网络结构，通过使用“接口消息处理器”（IMP）设备，将多台计算机连接在一起形成一个网络。

1969年10月29日，ARPANET完成了历史性的第一次联网实现，在加利福尼亚州的洛杉矶市，位于加利福尼亚大学洛杉矶分校的一台SDS Sigma 7计算机和位于斯坦福大学的一台SDS 940计算机通过ARPA资助的连接设备实现了网络连接。

这个连接的实现是由一组称为接口消息处理器（IMP）的设备完成的。在斯坦福大学的SDS 940计算机上安装了一个IMP，而在洛杉矶的UCLA计算机上也安装了一个IMP。IMP起到了路由器的作用，它们负责将数据分组从一个地点传输到另一个地点，并实现了两台计算机之间的数据传输。

这次历史性的连接并不是完美的，起初尝试进行数据传输时，传输的第一个字符“L”传输到了一半，然后系统崩溃了。但在第二次尝试后，数据传输成功，一个名为“LOGIN”的命令传输到了斯坦福大学的计算机，成功实现了计算机之间的第一次网络连接。

这次连接标志着ARPANET的建立，它是世界上第一个大规模的分组交换网络，奠定了现代互联网的基础。从这个历史性的时刻开始，计算机之间的连接和信息交换变得更加便捷和灵活，逐渐演变成了如今的互联网。ARPANET的建立是计算机和通信技术史上的一个重要里程碑，也为人类带来了无限可能的信息时代。

七、TCP/IP协议

随着计算机网络的兴起，人们希望能够建立一个稳定、可靠、灵活的通信网络，让全球的计算机能够相互连接和交换信息。但是在早期，不同计算机之间采用的通信协议不统一，导致通信十分困难。因此，人们急需一种标准化的通信协议来解决这个问题。

为了解决上述问题，研究人员开展了大量的工作，最终发展出了TCP/IP协议。TCP/IP协议最初是由美国国防部高级研究计划局（ARPA）（现在称为DARPA）开发的。

TCP/IP协议是一个分层的协议集合，由两个主要的协议组成：TCP（Transmission Control Protocol）和IP（Internet Protocol）。它们共同工作，实现了计算机网络中的可靠数据传输和路由。

• IP协议（Internet Protocol）：
  IP协议负责将数据包从源计算机传输到目标计算机。在发送数据时，源计算机将数据包分成小块，每个小块都包含了目标计算机的地址和数据的一部分。这些数据包在互联网上被路由器转发，直到到达目标计算机。IP协议使用IP地址来标识每台计算机，类似于邮寄地址，确保数据包能够准确地传递到目标计算机。
• TCP协议（Transmission Control Protocol）：
  TCP协议是一种面向连接的协议，它负责确保数据的可靠传输。当数据包到达目标计算机后，TCP协议会确认是否成功接收，并处理任何可能发生的丢失、错误或重复数据。如果数据包丢失或出现错误，TCP协议会要求源计算机重新发送丢失或错误的数据，以保证数据的完整性和准确性。TCP协议还通过拥塞控制机制，调整发送数据的速率，以避免网络拥塞。

八、之后的故事

1. 商业化和互联网的普及（1990年代）：1990年代，互联网开始向商业化方向发展。 world Wide Web的发明使得互联网的使用更加简单和便捷，促进了互联网的普及和商业应用的快速增长。

2. 网络搜索和电子邮件的普及（1990年代）：随着互联网的普及，网络搜索引擎的发展和广泛应用使得人们可以更轻松地获取信息。同时，电子邮件的普及使得人们可以实现快速的电子通信。

3. 社交媒体和移动互联网的兴起（2000年代）：2000年代初期，社交媒体开始兴起，人们可以通过各种平台进行在线社交和分享。同时，移动互联网的普及和智能手机的普及使得人们随时随地都能上网，加速了互联网的普及和全球化。

4. 云计算和大数据时代（2010年代）：2010年代，云计算技术的发展推动了大规模数据存储和处理的能力，使得人们可以更高效地管理和共享数据。大数据的时代也催生了数据驱动的应用和人工智能的发展。

5. 物联网和5G时代（2020年代）：进入2020年代，物联网的发展和5G技术的普及进一步加速了互联网的发展。物联网连接了更多设备和物品，构建了一个智能、互联的生态系统，5G技术提供了更快的传输速度和更低的延迟，为更多创新应用提供了可能。