吴军

通信革命:通信如何改变世界?

Chelios chen,你好!

欢迎来我的《科技史纲60讲》。

我在前面介绍了以电为核心的第二次工业革命。电首先是一种能量,在电出现之后,各国就有了一个新的衡量文明程度的方式——发电量。还有一点不容忽视,电还是信息的载体。在今天,信息增加带来的生产力提升要远远超过能量。

这一方面是因为信息对人类太重要了,另一方面是因为直到电出现之前,人类通信发展太缓慢,最近的一百多年我们其实一直是在补课,因此每一次进步,带来的改变都很显著。这一讲,我就为你拆解通信是如何改变世界的。

人类有了语言,就摆脱了依靠基因传递信息这种低效率的形式。后面文字和书写系统的发明,写字的泥板、竹简、纸张和印刷术都是为了信息的传递。人类的进步史,从一开始就是通信革命的历史。

但是,无论是在中国还是在欧洲,长距离快速传递信息一直是一个没有被解决的问题。过去,马能跑多快,信息就能够被传递多快。

在罗马帝国时代,有了类似于中国后来的驿道和驿站,从美索不达米亚将信息传递到地中海另一头的西班牙,大约花费7~10天时间。比如恺撒大帝常常已经到了某地,而他提前派出的信使却还在路上。即使到了1800年后,也就是到工业革命之前,这个速度也没有提升。

一旦遇到紧急情况,马的速度就更加捉襟见肘了。当然,你可能想到用烽火台。的确,烽火台能解决一些问题,但是从通信的角度讲,它只能传递一个比特信息而已,也就是有敌情和没有敌情两种情况。另外,它传递的误码率还很高,因为如果谁不小心在两个烽火台的半中间点燃了火,可能会引起周围的误判。

如何向远距离传递多种信息呢?到了大航海时代,为了便于船队之间的通信,水手们发明了信号旗。在随后的英国荷兰战争中,英国皇家海军将信号旗语规范化,用11种不同的信号旗相互组合,传达45种信号。海上的信号旗语后来不断发展不断改进,一直沿用至今。

信号旗是在没有遮挡的大海上,在一定的范围之内一种很好的通信方法,但是在陆地上,由于有山峦森林和城市的阻挡,效果并不理想。那么如何超越地形阻碍传递信息呢?人们首先想到的是把信号塔建得高高的。

到了18世纪末,法国工程师克劳迪∙夏普和他兄弟设计了一种高大的机械手臂来远程传递信息。下面就是信号臂的图片。

夏普在他四个兄弟的帮助下,在巴黎和里尔之间,建设了15个高塔,延绵200公里,每个高塔上有一个信号臂,每个信号臂有190多种姿势,表达190多种信息。

由于信号塔和信号臂非常高,十几公里外都能看见,因此就可以用它来传递情报。1792年,夏普兄弟展示了这种通信系统,他们在九分钟内将情报从巴黎传递到里尔,在过去做到这件事需要大约一天的时间。

这种信号塔很有效,但造价比较高,不过当时法国正好在和奥地利等反法同盟国家开战,急需这种系统传递情报,还是一口气造了556个,形成了一个庞大的通信网,整个网络线路长达4800公里,这可能是近代最早的通信网络了。

由于信号塔在通信中的有效性,后来西班牙和英国也纷纷建立起自己的系统,信号塔主导的通信系统一度主导了世界。但是,信号塔的衰落比它的兴起还快,因为电报出现了。

不过,你不要因此就忽视了信号旗和信号塔的意义,如果你留意我刚才讲的内容,就会发现,它们之所以能在长距离有效地传递多种信息,是因为它们有各自完整、准确的编码和解码规则。这样就可以把抽象的信息翻译成具体的信号传送出去。电报就是一套可以对信息进行更简单编码并且进行更有效传输的通信系统。

电报是通信史上的一个重要节点,它意味着时间和空间控制人类的时代一去不复返了。电报的发明过程也是这一讲通信变革的重点。

电报的发明要感谢美国一位精通数学和电学的画家塞缪尔·莫尔斯。对,你没有听错,莫尔斯是一个画家。虽然我们今天说到莫尔斯电报码时,总是先入为主地认为他就该是一个科学家,但是在他的年代大家还是把他主要当成画家,事实上他是在美国历史上能够留下一笔的优秀画家,给很多名人画过肖像画,即使在他发明了电报之后,他还是继续以作画卖画为主业。

莫尔斯发明电报纯属一个偶然事件。1825 年,莫尔斯接了个大合同,要去当时离家五百公里的华盛顿作画。在华盛顿期间,莫尔斯收到了父亲的一封来信,说他的妻子病了,莫尔斯马上放下手上的工作赶回家。但是等他赶到家时,他的妻子已经下葬了。这件事对他的打击非常大,他从此开始致力于发明一种能远距离快速通信的方法。

莫尔斯的电学和数学基础扎实,他解决了电报的两个最关键的问题——一是如何将信息或文字变成电信号,二是如何将电信号传到远处。1836年,莫尔斯解决了用电信号对英语字母编码的问题,这也形成了最终的莫尔斯码。

我们在谍战片中经常看到发报员“嘀嘀嗒嗒”地发报,嘀嗒声的不同其实是继电器接触的时间长短不同所造成的,“嘀”就是开关的短暂接触,可以理解成二进制的0,“嗒”(就是开关的长时间(要求至少三倍以上)接触,可以理解成1。

0和1的组合,就可以表示出所有的英语字母。当时虽然还没有信息理论,但是还是根据常识对经常出现的字母采用较短的编码,对不常见的字母用较长的编码,这样就可以降低编码的整体长度。下面这张图片,是莫尔斯电码的编码方法,你可以看看它的编码规则,我今天给你留的思考题就和它有关。

我们今天提到电报都会想到莫尔斯,但事实上,莫尔斯并不是最早发明电报的。在他的同时甚至更早一点时间,欧洲的发明家韦伯和数学家高斯合作,也发明了类似的装置,并且建立了哥廷根大学和当地天文台的通信。

遗憾的是,韦伯后来被当地政府驱逐出境,相应的研究便不了了之了。与此同时,英国发明家库克和惠斯通也发明了电报并且最早实现了商业运营,但是他们的发明并不方便使用,因此没有普及并很快被莫尔斯的发明所取代。

今天大家都知道莫尔斯而不知道其他做出类似发明的发明家们,就是因为他是真正让电报实用和普及的人。不过,很多不同国家的人在几乎同一个年代彼此独立地发明了类似的装置,也说明当时的技术积累使得电报的发明成为历史的必然。

从信号旗,到信号臂,再到莫尔斯电报,虽然形式不同,通信的效率不同,但是有两个根本之处是相同的。首先,编码是通信的核心,语言本身就是一种编码。信号旗语,信号臂的姿势,莫尔斯电码,都是将信息进行编码。

其次,通信的设施和编码的设计是相匹配的,其功能是将编了码的信息传递出去。莫尔斯设计的电报系统采用长短结合的方式传递信息,是因为各种信息能够使用“嘀、嗒”两种信号编码。

今天我们基于计算机的数字通信采用“0、1”编码,是因为我们使用的电路很容易实现高电压(对应0或者1)和低电压(对应另外一个数值)。

未来通信的发展也是如此,比如今天非常热门的量子通信,利用量子的叠加状态进行编码,相应的通信设备就需要能够检测这种叠加状态。关于量子通信,我会在后面的课程里为你详细拆解。

电报最初只是帮助警察抓到更多逃犯,为新闻记者提供即时通讯,后来电报很快地被用于了军事,德国军事家老毛奇提出了一整套全新的战略战术,帮助普鲁士和后来的德国称霸欧洲。同时,电报也开始为商业、金融的实时交易提供宝贵信息,人们越来越多地意识到信息的重要性,为此还研发了各种各样的加密技术。

电报让各地的人类文明,第一次无时差地连接为一个整体,这不仅是通信史上划时代的变革,甚至可以认为,这是人类文明的里程碑。我们可以把电报出现之前的人类文明称为能量文明,而电报发明之后,人类社会就迈入了信息文明的大门。

当然了,对老百姓来讲,比电报更实用的远程通信是电话。普通家庭是不可能自己装电报机的,一般人也不会去学习收发电报的,但是电话拿起来就可以用,要方便许多。

我们今天一般认为是亚历山大·贝尔发明了电话。需要指出的是,他对人类的贡献不仅在于发明了实用的电话这样一个设备,而且在于靠着他精明的商业头脑,推广和普及了电话,开创了以电为核心的现代通信产业。

19世纪后,全球化以及各国金融系统的紧密联系,离不开现代通信。直到今天,电信产业依然是全世界最大的产业之一,2016年它的产值高达3.5万亿美元,相比之下,我们今天热议的互联网产业则要小得多,它同期的市场规模只有3800亿美元,几乎相差一个数量级。

要点总结:

1. 通信的本质有两个,第一是将信息编码,第二是有效进行传输。直到今天,在通信领域的各种技术革命,都围绕着它们进行。

2. 无论是电报还是电话,它们的出现有必然性,很多人争夺专利,就说明了这一点。但是,真正完成发明从0到N全过程的是莫尔斯和贝尔。世界上永远不缺乏从0到1的发明,缺乏的是能够走完全程的人。

3. 通信的革命大大缩短了人和人之间的距离,并且改变了我们的世界。今天任何一个国家在通信上的投入,其实都是很划算的事情。