每當我們提到烽火臺,就會自然而然地想到長城,實際上烽火臺築在長城沿線的險要處和交通要道上。壹旦發現敵情,便立刻發出警報:白天點燃摻有狼糞的柴草,使濃煙直上雲霄;夜裏則燃燒加有硫磺和硝石的幹柴,使火光通明,以傳遞緊急軍情。上圖為新疆呼圖壁縣境內的烽火臺,在呼圖壁縣境內***有5個烽火臺,其中3個已毀,烽火臺長寬均約4米,高約5米,築臺年月不詳。
烽火臺通信,源於奴隸制國家在政治和軍事方面對通信的需要。據歷史記載,早在三千多年前,中國就有了利用烽火臺通信的方法。關於烽火通信有個叫“千金買笑”的故事。故事是這樣的,周朝有個周幽王,這是壹個非常殘暴而腐敗的君主,他有個愛妃名叫褒姒,長得非常美麗,《東周列國誌》中有這樣壹段話來形容褒姒:“目秀眉清,唇紅齒白,發挽烏雲,指排削玉,有如花如月之容,傾國傾城之貌。”褒妃雖然很美,但是“從未開顏壹笑”。為此,周幽王使出了壹個賞格:“誰要能叫娘娘壹笑,就賞他壹千斤金子”(當時把銅叫金子)。於是有人想出了壹個點起烽火戲諸侯的辦法,想換取娘娘壹笑,壹天傍晚,周幽王帶著愛妃褒姒登上城樓,命令四下點起烽火。臨近的諸侯看到了烽火,以為西戎(當時西方的壹個部族)來犯,便領兵趕到城下救援,但見燈火輝煌,鼓樂喧天。壹打聽才知是周幽王為了取樂於娘娘而幹的荒唐事兒,各諸侯敢怒不敢言,只好氣憤地收兵回營。褒姒見狀,果然淡然壹笑。但事隔不久,西戎果真來犯,雖然點起了烽火,卻無援兵趕到。原來各諸侯以為周幽王又是故伎重演。結果都城被西戎攻下,周幽王也被殺死了,從此西周滅亡了。
至今仍相傳的“千金買笑”的故事就是從這兒來的。後來,又有人寫了首詩,諷刺“烽火戲諸侯”之事,詩是這樣的:
良夜頤宮奏管簧,無端烽火燭穹蒼。
可憐列國奔馳苦,止博褒妃笑壹場!
這個歷史故事不僅生動的描繪了當時利用烽火臺通信的情況,同時也告戒後人,通信是非常重要的,不論在什麽時候也不論是什麽人,都不能拿通信當兒戲。 17世紀中葉,人們發明了望遠鏡,它使得人們可以看得更遠了。到1791年,法國人發明了燈信號,此後“燈語”通信在歐洲風靡壹時。直到今天,信號燈、旗語、望遠鏡等目視光通信的手段仍在使用,但是這壹切還是最原始的光通信,不能算作是真正的光通信。不過,這些原始的光通信由於方便、可靠至今仍在使用,所以還是有必要了解的,讓我們認識壹下望遠鏡吧。
望遠鏡的作用首先是能夠放大遠方物體的張角,人眼的分辨角大約是1分(1分是1度的六十分之壹),而望遠鏡能使人眼能看清角距更小的細節,其次,望遠鏡能將光線集中起來,使人眼看到本看不到的暗弱物體發出的光線。望遠鏡由物鏡和目鏡兩組鏡頭及其他配件組成。為了減小望遠鏡的像差,物鏡和目鏡通常由多個元件組成。望遠鏡所能收集的最大的光束直徑,稱為口徑。所能觀測到的範圍稱為視場,通常以角度來表示。視場大小和目鏡的結構有關,對於同樣的目鏡視場直徑與放大倍數成反比:放大率越高,視場越小。
中國目前最大的光學望遠鏡是2.16米。茫茫宇宙,繁星似沙,但今後10年,人類為天體光譜作的“戶口登記”數,將超過以往數百年。因為,人類有了新的“千裏眼”———大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡,該望遠鏡於2004年建成,安放在北京興隆縣燕山山脈中興隆觀測站,屆時,將大大提升中國天文學研究的國際地位,使中國恒星和星系的光譜觀測達到國際領先水平。
大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(LAMOST)是國際上視場和口徑最大的天文望遠鏡,長50米、高30米,視場為5度,口徑達4米,壹次觀測可達20平方度(整個宇宙空間約有4萬平方度)。通過大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡,在21世紀前10年,人類就可測出天體光譜100萬個。
目前世界上最大的望遠鏡是位於夏威夷的凱克望遠鏡,直徑10米,由36面1.8米的六角型鏡面拼合而成,耗資壹億三千萬美元,主要是由美國的壹個企業家凱克捐助修建的,第壹面凱克望遠鏡建造成功後,凱克基金會又投資修建了凱克二號望遠鏡,兩座望遠鏡挨在壹起,威力無比;另外的大型望遠鏡有美國國立天文臺位於南北兩半球的兩個八米望遠鏡,壹座位於夏威夷,壹座位於智利,合稱雙子座望遠鏡;日本人在夏威夷建造了壹座八米的稱為昴星團望遠鏡;下世紀歐洲南方天文臺將建成四座八米望遠鏡,組合口徑相當於15米!
目前世界上最大的射電望遠鏡是波多黎各的阿雷西沃無線探測儀,它是我們安放在宇宙間的最大的無線電耳朵。該望遠鏡上的巨大的反向鏡的直徑為305米。阿雷西沃探測儀被用來搜尋空中的由外星智能生命發射來的信號,如果妳看過電影《黃金眼》(英美合拍,1995)及《接觸》(美國,1997),就壹定不會對它陌生。 雖然人類社會的文明程度和科學技術得到了很大的提高,但是簡單的利用光傳遞信息的方式仍然在廣泛使用,例如紅黃綠交通信號燈,旗語,電燈發明之後,又有了利用百葉窗和燈光的燈語。讓我們認識壹下旗語。
旗語產生於西方的大航海時代,艦船之間通過旗語來進行聯絡;直到現在,各種信號旗仍然在船舶上懸掛。在F1的賽車場也使用到了旗語,可以說它也是壹種目視光通信的手段。如果妳能向F-1賽手像是塞納、舒馬赫、威倫紐夫等高手侃侃有關F1旗語的話題,壹定能讓他們刮目相看。
了解F1的旗語吧:
白色旗表示跑道上有緩慢移動的車輛
紅色旗表示比賽已停止
黑色旗表示指定的賽車下次通過修理站時要停車
黃底紅道旗意思是告訴車手跑道較滑
黑白對角旗表示是非運動員行為
黃旗表示有危險
黑白格相間的旗子意思是比賽結束
藍旗表示有車手正要超車
黑底黃色圓心旗表示賽車有故障
綠色旗表示全程暢通
不論是烽火臺、望遠鏡,還是交通紅綠燈、旗語,它們都是光通信的不同形式,但是它們有壹個***同點,就是利用大氣來傳播可見光,由人眼來接收。也正因為如此,我們才會對它們如此地熟悉,可是這些卻不是真正的意義上的光通信,更不是強大的光通信,真正強大的光通信應該是光纖通信。在這裏,應該明確,光通信指的是壹切運用光作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱,而不管傳輸所使用的媒質是什麽;而光纖通信則是單純地依靠光纖作為媒質來傳送信息的通信方式。
盡管人類很早就認識到用光可以傳遞信息,比如3000多年前中國就有了用光傳遞遠距離信息的設施——烽火臺;但是,其後的很多年中,光通信幾乎沒有什麽發展;後來又有了用燈光閃爍、旗語等傳遞信息的方法;但是這些都是用可見光進行的視覺通信,是非常原始的光通信方式,不能稱得上是完全意義上的光通信。
近100年中,人們仍然沒有對光通信失去興致,就連大發明家貝爾(BELL)也嘗試著用光來打電話,這被認為是近代光通信的開始。20世紀60年代後,隨著人們對通信的要求變得越來越強烈,光通信獲得了突飛猛進的發展。我們今天所說的光通信已不再是用可見光進行的視覺通信,而是采用光波作為載波來傳遞信息的通信方式了。現代人類已經進入了信息社會,光通信的魅力也逐步地展現在人們的面前。 光通信的出現比無線電通信還早。波波夫發送與接收第壹封無線電報是在1896年,以發明電話而著名的貝爾,在1876年發明了電話之後,就想到利用光來通電話的問題。1880年,他利用太陽光作光源,大氣為傳輸媒質,用硒晶體作為光接收器件,成功地進行了光電話的實驗,通話距離最遠達到了213米。1881年,貝爾宣讀了題為《關於利用光線進行聲音的產生與復制》的論文,報導了他的光電話裝置。在貝爾本人看來:在他的所有發明中,光電話是最偉大的發明。
貝爾用弧光燈或者太陽光作為光源,光束通過透鏡聚焦在話筒的震動片上。當人對著話筒講話時,震動片隨著話音震動而使反射光的強弱隨著話音的強弱作相應的變化,從而使話音信息“承載”在光波上(這個過程叫調制)。在接收端,裝有壹個拋物面接收鏡,它把經過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到矽光電池上,矽光電池將光能轉換成電流(這個過程叫解調)。電流送到聽筒,就可以聽到從發送端送過來的聲音了。
利用光在大氣中傳送信息方便簡單,所以人們開始研究的光通信都是這種方式。但是光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制,比如在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況,就會看不遠和看不清,這叫做大氣的能見度降低,使信號傳輸受到很大阻礙。此外,太陽光、燈光等普通的可見光源,都不適合作為通信的光源,因為從通信技術上看,這些光都是帶有“噪聲”的光。也就是說,這些光的頻率不穩定、不單壹,光的性質也很復雜;壹句話,就是光不純。因此,真要用光來通信,必須要解決兩個最根本的問題:壹是必須有穩定的、低損耗的傳輸媒質(可不能再用空氣了喲!);另壹個問題是必須要找到高強度的、可靠的光源。在此後的幾十年中,由於這兩項關鍵技術沒有得到解決,光通信就壹直裹足不前。也正因此,貝爾的光話始終沒有走上實用化的階段。所以我們今天也沒有用上貝爾的光電話,而只是用了他發明的電話;但不管怎樣,貝爾真的是壹位偉大的發明家,我們應該記住他的名字。 1870年,英國物理學家廷德爾在實驗中觀察到,把光照射到盛水的容器內,從出水口向外倒水時,光線也沿著水流傳播,出現彎曲現象,這好象不符合光只能直線傳播的定律。實際上,這時光仍是沿直線傳播,只不過在水流中出現了光反射現象,因而光是以折線方式前進的。光也可以“走彎路”。
廷德爾觀察到的現象,直至1955年才得到實際應用。當時在英國倫敦英國學院工作的卡帕尼博士,發明了用極細的玻璃制做的光導纖維。每根細如絲的光導纖維是用兩種對光的折射率不同的玻璃制成,壹種玻璃形成中央中心束線,另壹種包在中心束線外面形成包層。由於兩種玻璃在光學性質上的差別,光線經壹定角度從光導纖維的壹端射入後,不會從纖維壁逸出,而是沿兩層玻璃的界面連續反射前進,從另壹端射出。最初,這種光導纖維只是應用在醫學上,用光纖束組成內窺鏡,可以觀察人體腸胃內的疾病,協助醫生及時作出確切的判斷。
其實,現代的光纖通信也就是運用光反射原理,把光的全反射限制在光纖內部,用光信號取代傳統通信方式中的電信號,從而實現信息的傳遞的。