环球新视野

第一章 日新月异物理学


　　众所周知，物理学与化学、材料科学、信息科学等一样，均属于自然科 学的范畴，然而由于物理学所研究的物质运动具有普遍性，因此，物理学的 发展一方面为自然学科的其它学科提供了新的基本概念和理论原理，另一方 面又为自然学科的其它学科提供了新的实验方法和手段，所以，物理学理所 当然地成为了自然科学的带头学科。
　　当今物理学的发展的确可用日新月异来形容。本章将向大家介绍一下物 理学的最新动态。

第一节 神奇的新物质


　　当今时代是一个科技飞速发展的时代，种种高精尖技术层出不穷，数不 胜数，然而，高新技术无论如何神奇，总离不开一定的物质。一种新技术若 材料无法过关，也还是水中之月，不能投入实用。
　　　　　　　　　　　如果说信息技术、新能源技术、新材料技术是现代高科技的三大支柱， 那么材料则是现代化工业之骨肉，其重要性可见一斑。 一、发展新能源、节能的关键——新能源材料
1.光电转换材料
　　人们很早就知道，太阳是个巨大的能源，而且很久以来一直在探索如何 更好地利用太阳能这种无穷无尽又没有污染的绿色能源。人类开始利用太阳 能是进行光热转换，即使用我们熟悉的太阳灶等，而到了 70 年代则兴起了一 种新兴的光电直接转换的廉价能源——光伏发电，就是大家熟知的太阳能电 池。
太阳能电池种类繁多，如单晶硅、多晶硅等等，而现在最具发展趋势且
被一致看好的则是非晶硅薄膜型太阳能电池，它的优点是制作工艺简单，适 合大面积连续生产，制造成本低且能量返还时间短，正因如此，它倍受人们 的青睐。当然，非晶硅薄膜电池仍有其需改进之处，如它使用一段时间后效 率下降、性能不稳定等等，这也正是各国正努力研究，试图解决的问题。
为了实现减小非晶硅电池转换效率和晶体硅或多晶硅的差距，同际上的
竞争是很激烈的，现在主要进行的是非晶硅/多晶硅叠层电池的研究，我国在 这个领域处于领先地位，在国际上也有自己的一席之地。
这类大面积非晶硅薄膜电池的前景是美好而远大的。
2.高温结构的陶瓷材料 提到陶瓷，大家或许会自然而然地联想到那些精美的瓷器，而我们这里
要介绍的陶瓷材料可没那么简单，它们的本领要大得多。 大家知道，汽车的发动机一直是用金属材料制造的，这就不可必免带有
金属的种种缺陷：导热性好、耐热性差、耐腐蚀性差、高温下易氧化、变形 等等，因而导致了大量能量的浪费。要想提高热效率，必须从根本入手—— 改变制造发动机的材料。于是，一种新型的耐高温且低散热的陶瓷材料便应 运而生。
　　陶瓷燃气轮机、陶瓷柴油机等有着极其诱人的前景，美、日、德及中国 等国家先后投入大量的人力、物力进行研究，取得了很大进展，但它仍有缺 陷。新型的、性能更好的陶瓷材料仍在不断的研制开发中。
　　
　　人类对事物的认识是无限的，我们相信，陶瓷材料的发展也是无可限量 的。
3.超导材料 超导这个概念是近年流行的一个热门话题。超导现象一经发现，就在全
世界掀起了一股“超导热”。 超导体的一个重要特性就是它的零电阻性。只要进入超导状态，通过导
体内部的电流即可看成无阻尼运动，表现为零电阻现象。目前全世界每年都 有大量的能量消耗在输电导线发热上，超导现象及超导体的发现无疑是及时 雨。
　　然而，物质的超导现象多数是在超低温状态下才出现的，因此高温超导 材料的研究便成了各国努力的方向。经过不懈的努力，超导体的临界温度已 有大辐度的提高，但仍有许多问题需解决，一旦将来解决了所有问题投入生 产，那么实现远距离超导输电，将成为解决大容量、低损耗输电的一个重要 途径。
　　超导体的另一个基本特性是迈斯纳效应，即完全抗磁性。1933 年迈斯纳 在实验中发现，不管超导体内部有无磁场，一旦进入超导状态，超导体内的 磁场一定为零，即完全抗磁性。超导体的完全抗磁性用途可大了！它可以产 生磁悬浮现象，可用来制做磁悬浮列车，车速高达 500 公里/小时，是如今我 们的特快列车的近 4 倍，若使其在真空隧道中运行，则车速竟可达 1600 公里
/小时。它也可用来制造无摩擦轴承，用于发射火箭，可将发射速度提高 3
倍以上。 超导体的另一个特性是约瑟夫逊效应。简单地说就是电子通过超导体的
约瑟夫结中势垒隧道而形成的超导电流的现象。此效应的应用也相当广泛，
如超导量子干涉器、红外探测器、超导计算机、超导激光武器等等，它在军 事舞台上大显身手。
尽管超导技术的应用如此广泛，前景如此诱人，但由于低温超导实现起
来难度大、成本高，难以投入应用，因而寻求在更高温度具有超导电性的材 料便成了今后五年乃至更长一段时间的一个主要课题，只有对其进行深入研 究，解决一系列基础问题，超导技术才会有坚实的基础和光明的前景。
二、新技术革命发展的重点——信息材料
　　信息材料的特点很多，如品种多、要求高、专业性强、涉及面广、发展 速度快、技术更新快??一般来说，它主要用于通信技术、电子技术、计算 机技术等方面。
1.半导体材料 半导体材料的支柱产业即硅单晶，现在正得到越来越多的应用，目前全
世界每个月需硅单晶片约 1000 万枚（主要是 6in 的单晶片，但有向大口径化 发展的趋势），这是任何晶体所不能比拟的。
　　自然界的半导体材料有多种，为何人们独独对硅情有独钟呢？这是由硅 的独特性质决定的。硅是至今人们研究最清楚、最透彻，且是人类所能获得 的最纯净、最完整的材料。现今制造高纯单晶硅的技术已趋近完美，平均每
1000 亿个原子中才会有 1 个杂质原子，同时，人类还发展了一套迄今最精密 的硅平面工艺技术。可以毫不夸张地说，人类在小小的硅片上已建起了一座 微电子学大厦。所以，硅的基础位置是任何材料无可替代的。
当然，硅也不是尽善尽美的。由于它是一种非发光材料，使它在光电子

集成技术中遇到了困难。人们不可能放弃已经高度发展的硅微电子技术和高 精度平面工艺，去另找一种新材料代替硅，这在经济上、工艺上都行不通—
—事实上人们经长期努力，也没有找到硅的代替材料。所以人们别无选择， 只能以硅为基础，制造能发光的复合材料，这正是物理界面临的一个新课题。 人们用各种工艺来探索硅基发光材料，主要研究方面是缺陷工程、杂质 发光、能带工程、异质外延等等，但进展均不大。90 年代这一研究终于取得 了突破性进展，即 发明了发光多孔硅，简单地说即将硅单品在 HF 溶液中用电 化学法腐蚀成多孔状，可获得强可见光发射。自此以后，硅基发光材料的发 展进入了一个崭新的阶段，几个最先进的代表性工艺为：硅基多孔 SiC 蓝光
发射材料、硅量子点（线）阵列、纳米硅/非晶硅超晶格发光材料等等。 如今对硅基发光材料的研究已形成了一个热潮，正处于攻坚阶段。人们
以更高的热情开展研究工作，这是当前光电子材料研究的主要潮流。
2.光导纤维
　　光导纤维的基本功能是对光束的束缚和传播。自从 1970 年美国康宁玻璃 公司制成第一根光纤后。人们便不断地在此领域进行研究工作，现已开发出
10 余种光纤中的物理效应。 首先介绍一下光纤基质作为一种光学介质所固有的物理特性：全反射效
应，可用于光纤通信和传感等；磁光法拉第效应，可用于电流测量；热光效
应，可用于温度测量；光弹效应，可用于水声、压力测量和光相位调制器； 散色效应，可用于分布参数测量；此外还有色散效应、非线性效应等等。
再有就是与光纤传输特性相关的效应，如塞格纳克效应，可用于制光纤
陀螺；光纤微弯的损耗特性等等。 光纤的第三类特性是人为开发的效应或人为增强的效应，如光纤中受激
放大作用，可用于光孤子通信和全光通信；双折射效应，可用于相干通信或
制偏振调制型传感器；布喇格衍射效应，可用于分布参数测量和色散补偿等。 此外还有特殊光纤涂层引入的增敏或退敏效应等等。
若对光纤中各种物理效应及其应用回顾一下，我们可发现，人类在利用
光纤中固有的物理效应的同时，还想方设法开发新的效应，后者尤其重要， 因为人类的新的要求是不断增长的。
当前人类面临的一个新课题是提高光纤通信容量，但目前采用的波分复
用技术可能会产生严重的路际干扰，有效的解决途径是利用色散特性抵消非 线件不良影响。美国康宁公司止在开展此项工作。另外，通过掺杂增进光纤 的某些物理效应也是今后重要的研究课题。
　　总而言之，光纤已成为下世纪多媒体技术和信息高速公路中同时具备传 输、传感两种功能的理想载体，而在开拓其应用领域、提高现有功能特性方 面仍有很多工作要做。
3. 信息记录材料 信息记录材料主要用于高密度、高速度、大容量存储的信息库，是软件
及信息库的基础，更是计算机外围设备的关键。 当今世界上较常见的是磁带或磁盘记录介质、垂直记录和光储存。一张
直径为 30 厘米而密度为 108 点/平方英寸的磁盘可存入几千本书的信息量， 而垂直记录存入的信息量可达几万本。相比之下，光盘则更加神奇，一张只 读光盘可存储的信息量是同尺寸软盘的 500～1000 倍，成为多媒体计算机的 海量存储器。代表着人类最高科技结晶的光盘在当前包括多媒体技术在内的

信息革命浪潮中得已大显身手。 当前光盘技术的前沿研究正不断发展，光盘存储的容量也已接近光学极
限，但仍难以适应计算机的高速、并行性和智能化方向的发展。因此，一种 更新的技术——高密度光学全息储存技术向光盘储存发出了挑战。
　　光全息存储的独特优点在于它的高存储容量（理论上是光盘的 106 倍）、 极高的数字传输速率，极短的存取时间及其高冗余度。它潜在的竞争力是其 高存储容量和信息存取的并行特性。
　　当前磁盘和光盘仍是数据存储技术的主流，全息储存则尚不够成熟，不 够完善，有好多问题等待解决，而其关键则在记录材料，需衡量各材料的灵 敏度和价格。此外固定技术也有待完善，但无论如何，全息储存的潜力是巨 大的，前景是无比光明的。
4.敏感材料 敏感材料就是其物理性质对电、光、声、力、热、磁等有灵敏反应的材
料，是信息探测传感器的主要材料，其灵敏度决定着受控精度，因此研制此 类材料需有严格的工艺制度。
三、复合材料和功能材料
1.高性能复合材料 复合材料是一种由基本材料和增强体材料组成的新型材料。而组合的原
则自然是为了扬长避短。它是根据发挥某一材料的长处、避免其短处而设计
的，目的是充分利用能源，节约能源，故受到各国的普通重视。 高性能复合材料的种类很多，如前文介绍过的陶瓷基复合材料，可在高
温下长期工作，被美苏航天飞机和太空站所采用；法国导弹系统上应用的利
用三维编织技术加工的陶瓷基复合材料；另外以铝、镁、钛、铜等合金作基 体，以金属丝、陶瓷纤维或碳纤维做增强体构成的金属基复合材料，密度小、 耐高温、强度大、热导好，广泛应用于军事和民用产业；此外还有防弹衣的 材料、比重小强度高的芳纶是纤维增强塑料的一种，而导弹弹头则是碳/碳复 合材料的一种。
2.高分子功能材料
　　高分子材料是一种有机合成材料，近年来发展速度很快。据统计，每年 递增速度达 14％左右，其优越性是原料丰富，生产能耗低，便于加工且密度 小（不足钢的六分之一）。
在过去很长的一段时间内人们认为高分子材料是绝缘体，这束缚了它的
许多用途。目前人们利用导体高分子技术制成了优良的高分子导电材料，它 的导电性完全可以与铜一较高下，且其重量轻，加工简易，性能稳定。
　　目前在高分子材料研究方面的一个热门课题是利用有机导电材料作“生 物芯片”技术，制造生物计算机，其容量有望达到现在电子计算机的 10 亿倍， 但其工艺还有待完善，许多问题有待解决。
3.新型合金材料 新型合金材料包括非晶态金属、申记忆合金等。所谓非晶态金属是利用
高温快速冷却打乱金属中分子排列次序形成的一种高强度、抗腐蚀且导磁性 强的合金材料，可广泛用作高强度结构材料，也可用作磁性材料。
　　记忆合金，顾名思义是具有“记忆”功能，它具有在一定温度下恢复原 状的特点。当年阿波罗号的巨大天线就是用记忆合金制成，使其团成一团放 入航天器，到月球后又拿出，使之凭“记忆”恢复天线的形状。记忆合金现
　　
已广泛用于航空航天事业。
4.生物材料 生物材料即生物医学材料，指用来制作各种人工器官和与人体生理环境
（器官、组织、体液、血液等）相接触的医疗用具和制品的材料，目前国内 外对生物材料的开发研究仍处于成熟和半成熟阶段。
　　生物材料是一种要求较高的材料，最基本的要求如：材料必须无毒，不 会致癌、致畸形，不会引起人体细胞基因突变，化学性质稳定，有抗体液、 血液和酶的体内生物老化作用，不会引起急性中毒、溶血、凝血、发热、过 敏等现象，具有与天然组织相适应的物理机能，易加工成型，易消毒，耐高 温催化??等生物材料之所以要求如此之苛刻，是因为它与人类的生命和健 康紧密相连，息息相关。随着人工器官的广泛应用，生物材料学大大发展， 其中发展最快的是合成高分子医用材料，这里就不再做过多的介绍。
　　当前国内外生物材料开发研究的主要趋势是致力于提高材料的生物相容 性和功能性，以适应研制各种人工器官的需要，为医学发展提供物质基础。 目前，一个新兴的生物材料与制品的生产业正在发展成形中，它将对促进人 类的文明、保障人类的健康与长寿起重大作用。

第二节 大显身手的波


　　提起波，大家一定并不陌生，学过物理的同学一定都清楚地记得“机械 振动在介质中的传播方式叫做机械波”。人们今天已经认识了好多波，如机 械波、水波、声波，甚至知道光也是一种波。本章则着重介绍一些如今在物 理学上大显身手的波的家族的另一些成员：超声波、次声波、微波、红外线、 激光。
一、超声波
　　提起超声波的用途，其广泛程度令人难以置信，如超声波诊断、超声波 治癌、超声波无损测温、超声波无损检测技术等，数不胜数。
首先我们来看看超声波的诊断是如何进行的。医生首先向人体内部发射
超声波，然后接受人体内部组织反射的回波信号，再根据其所携带的人体组 织信息，经过调制、放大、运算、传递、记录等处理系统，最后利用超声波 成像技术清晰地显示在荧光屏上。这样医生便得知了病人的情况，从而有了 临床治疗疾病的根据。
提起癌症，大家都谈虎色变，它的危害的确严重，人类正发展各种治疗
方法来对付它，如放疗、化疗、手术切除、热疗等等
　　热疗历史悠久，2000 年前就有用烙铁烧去肿物的记载。据近代研究，治 癌的温度应在 42.5℃到 45℃之间，而最优温度是 43℃。我们现在当然不会 再用什么烧红的烙铁去治疗，那我们用的武器又是什么呢？不错，正是超声 波。
　　超声波有强穿透能力，可聚焦于深层组织，从而形成以超声为动力的声 动力学疗法。现今热疗通常指局部加热肿瘤区，而超声加热易于控制方向性， 对控温用的金属针没有干扰，比较安全，只损伤肿瘤而对身体无害。超声波 的优势是显而易见的，它为古老的热疗法注入了新的生命力，写下了超声波 抗癌的新篇章。
提起工业无损检测，更是超声波的拿手好戏。超声波指向性好，且频率

越高，指向性越好；超声波在介质中传播时遇到界面会发生反射；它传播能 量大，对材料穿透力强??超声波的这些强项令它成为在工业无损检测中应 用最为广泛的一种方法。
　　现今应用最多的是脉冲反射法，其原理是用高频电脉冲激励压电晶片发 出超声波，进入人工件后遇到缺陷发生反射，反射波再由压电晶片转化成电 脉冲，放大后由仪器显示出来，以此为根据可判断缺陷的位置和大小。
　　超声波检测的优越性在于灵敏度高，适用性强，成本低廉，对人体无害。 故得到广泛的应用。
二、微波
　　我们这里将主要向大家介绍一下微波的热效应，这是微波最主要的用途 之一。
　　微波加热物体的主要特点是即时性。只要有微波辐射，物体便立刻得到 加热，反之物体则会瞬间停止受热。这种性能完全符合工业连续自动化生产 加热的要求，由于微波能转化成热能有即时性，使加热过程中无需对热介质、 设备等作预热过程，避免了额外能耗，而且微波能量的利用率较高。
　　提到微波应用的例子，则更是数不胜数。在干燥物料方面，微波对农副 产品中导热性较差、粘稠的以及最大限度保持原有风味的物料有良好的加工 效果，故在制茶、浓缩果汁、果茶加工等方面得以施展；微波对需在封闭环 境下加工的物料进行干燥也很有效；微波还可以对产品进行干燥和膨化，加 工后产品复水性好；此外对高档的木、竹制品原料进行干燥，微波更是有炉 窑所不可比拟的优势。微波可大显身手的另一方面是使物料解冻回温，它可 用于解冻食品，优点是时间短，风味、新鲜度、营养成分保持率高，工作环 境整洁，无污染，冻品不滴水等等。我国在这方面的应用与国外尚有差距， 需要科技人员进一步努力攻关。微波还可用于使冻木升温，此方法可大量节 能，但仍需进一步着手研解决实用化的问题。第三个方面则是微波可杀菌、 灭霉、杀虫等。微波能有效杀灭原料中混杂的昆虫卵，但却不损伤原材料， 也不会留有任何残留物。微波杀菌是食品加工业中保持食品品质的最佳技术 手段，它具有常规杀菌方法难以达到杀菌效果，而且不会改变食品的品质和 风味。
微波正得到愈来愈广泛的重视和应用，人们在尽最大力发掘微波潜能。
据《科技日报》报道，英国科学家甚至认为微波将成为未来的取暖源。英国 马尔博罗微波中心的科学家在墙上安一台微波发生器，并用反射镜反射到各 个角落进行取暖。用微波取暖温度分布均匀，且节省能源，相当于电取暖耗 电的百分之几。但目前最大的障碍是人对微波有恐惧心理，科学家担心微波 会使人大脑内部过热。
三、红外线
　　前面提到光也是一种波，光波分紫外区、可见光区和红外区，处于红外 区的光波就是我们要讲的红外线。
　　一切物体都有自身的红外辐射特性，万物都不分昼夜地辐射着红外线， 因此，红外系统便诞生了。
　　红外光学系统就是把目标物体辐射出的红外线集聚到红外探测器上，再 将之转换成电信号，经放大和处理后输送给显示记录装置。红外系统的突出 优点是能识别伪装，可昼夜工作，受天气影响小，且它比雷达的分辨率高， 所以在军事上得到了广泛的应用。
　　
　　目前，应用较普遍的是红外夜视装置。当前的红外夜视装置与 50 年代就 有的红外夜视仪早已不可同日而语，技术性能已提高了不止一个数量级。红 外夜视设备目前已广泛应用于海、陆、空三军，如坦克、飞机、舰船的夜间 驾驶观察设备，战术导弹和火炮的火控系统，单兵侦察设备等。今后将发展 用凝视型焦面阵列组成的热成像系统。
　　下面讲讲更神奇的红什外隐身术。隐身术是一种保存自己的重要手段， 其方法之一即是红外隐身术，主要的途径有两条：隐真和示假。它的方法一 般是抑制目标的红外线铺射或改变目标的热形状，使目标与背景无法区分， 它可利用红外遮蔽技术和红外融合技术来隐真，可利用红外变形技术和红外 假目标技术来示假。
　　此外，红外技术在军事上的应用还有通信、侦察、报警、对抗、制导、 弹药引爆等，有着广阔的发展前途。
　　在无损检测技术上，红外检测也占有一席之地。当物体内部存在裂纹或 气孔时会改变物体的热传导特性和表面温度分布。红外检测的基本思想即用 仪器检测物体在加热或冷却过程中温度变化的差异，从而判断缺陷存在与 否。
四、激光
　　激光也是光波的一种，它是一种单色光。激光是 20 世纪人类科学最伟大 的成就之一，目前它已经在工业、农业、医学、科学、国防等方面得到越来 越广泛的应用。激光的用途很多，如激光通信、激光无损检测、激光照像、 激光医疗等，还有大家较陌生的，有待进一步研究和发展的新科技：激光清 洗技术、激光控制化学反应等。下面首先让我们来看一看激光是如何应用于 通信技术的。
激光通信是以激光为载波、用脉冲数字编码来调制这一载波的通信方
法。激光通信容量大，比无线电波能容纳更多的信息，且它抗干扰、抗破坏 能力强，反窃听性能好。故激光适用于保密通信和航天通信。
一般来说，通信距离较短时，如海岛之间、舰船之间、导弹发射场与指
挥中心之间等，即几十公里之内常用大气激光通信。这是因为大气作为激光 光束的传播介质时，由于大气的吸收、散射等影响会使激光束发生偏移、扩 散、强度减弱等，降低通信质量，所以大气激光通信一般只用于短距离保密 通信。
目前正处于实验研究阶段的还有空间激光通信和水下激光通信。大家知
道，远距离传输若用无线电波会发生巨大的扩散，大大减弱信号的强度，这 对于已经越飞越远的人类的航天器来说是无法满足要求的，会大大影响通信 质量，且发射微波又需要巨大而且笨重的天线，对人类极不方便，于是人类 开始探索激光用于空间通信。1980 年 1 月，美国空军首次完成了飞机对地面 的激光通信实验，飞机距地面 9 公里、距激光器最远时达 48 公里。据专家预 测，在 2000 年左右可能会有供实际使用的激光通信系统问世。激光空间通信 的主要优点在于跨越距离远，且不需要巨大的天线，前景很广阔。水下激光 通信，主要应用于战略核潜艇与指挥中心之间的保密通信，目前的通信系统 水下接受深度仅为 15—20 米，这显然远远不够。90 年代投入应用的通信系 统可达到 100 米，但它的不足之处太多，如发射天线庞大、防原子辐射能力 差、发射机效率低等等。相比之下，水下激光通信优势显著，它单色性强， 方向性好，传输率高，不易受干扰，更难以被截获，能使潜艇在水下 300 米

处接到信号。美国从 1978 年着手研究水下激光通信，累计耗了数亿美元，取 得了重大技术性突破，并多次成功地完成实验，预计不久即可实现实际部署。 激光还可用于清洗技术。清洗在工业生产中是一项必不可少的环节，传 统的方法自然是用水或其它液体进行清洗，但随着现代科技的发展，电子器 件的尺度越来越小，那么极小的微粒都会带来很大危害，此时常规的清洗方
法已经无能为力，于是激光清洗便应运而生了。 激光清洗的原理是比较复杂的，它包括一系列的物理和化学效应，目前
为止它还没有一个定论，其机制尚未完全明了，基本上处于研究阶段。但其 优势是显而易见的，如不损害物体表面（尤其是高精度器材尤为重要）、不 带来新污染等等。激光清洗技术的主要应用领域是微电子技术方面，它在清 除极细小的微粒污物上可大显身手。另外，它还可能应用于医学方面、电力 系统方面等等。
　　大家知道，医院中器械的消毒是一件马虎不得的大事，传统方法是用水 等液体洗涤，再用高温高压灭茵，清洗时间长，中间环节多，易产生污水污 物并带来新污染，而用激光则能快速清除器械表面的污物，杀死病毒，减少 中间环节，且无二次污染的可能。
　　电力系统的高压绝缘体也是激光的用武之地，它们的清洗需在带电情况 下完成，常规的清洗方法只能望而却步，可又不能不洗，否则它们的污染会 造成大规模的停电事故，传统方法只好勉为其难地定期清扫更换。而采用激 光清洗便可实现带电远距离清除，带来巨大的效益。
此外，一些贵重的文物、字画等的清洗更是非激光莫属。
　　随着科学技术的进一步发展，激光清洗技术会得到迅速发展，开辟一个 全新的激光应用新领域。
有关激光控制化学反应，其原理则更加复难杂难解，这里就不再介绍了。

第二章 无处不在的信息学
第一节 信息世界 一、信息和信息学
　　大家对信息这个词一定不陌生，常听到类似“信息时代”、“信息化社 会”等词语。但是，到底什么是信息呢？
　　信息和物质、能量一样是客观世界的三大要素之一。简单地说，信息就 是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内 容的名称。可以毫不夸张地说，宇宙中万物变化都和信息密切相关，人类无 时无刻不在交换、存贮和利用信息，但大多数情况下是盲目、不自觉或半自 觉的进行的。信息的重要性长期没有受到重视。直到近代科技的进步迫切要 求人类提高接受信息和处理信息的能力，计算机技术和无线电技术的飞速发 展将为通信的革命提供了条件，有关信息的研究才终于被人们的重视起来。 信息具有 8 个特性，即可识别性，可处理性、可代替性、可压缩性、可 共享性、可存贮性、可传输性、可扩散性。了解了信息的特性，我们在生活 中就能更好地利用信息，提高我们的工作效率。下面将这 8 个特性简单地介
绍一下。
　　所谓可识别性，是由信息的客观存在性决定的，因为自然界的信息是客 观存在的，我们可以通过仪器表，运用各种检测手段来识别它。所谓可处理 性即对信息的处理，指对信息的排序、归并、存储、检索以及模拟、预测等。 电子计算机就是一种高度自动化处理信息的工具，当然，它也是一个信息存 贮的仓库，这就是信息的可存贮性。说到信息的可压缩性，大家较为熟悉， 我们学的公式正是在分析大量的数据之后总结出的结论，即被压缩过的信 息，每一条理论的得出都离不开大量复杂的事例。可见我们常常对信息进行 集中和概括，以便于处理。指所谓信息的可共享性，指一条新闻可以一个人 看，也可以全世界人同看，信息量并无改变，不像分苹果，分得人越多，每 个人分到的越少。
了解了信息之后大家会问：什么是信息学呢？顾名思义，信息学自然是
一门研究信息的科学，它是在人们逐渐认识到信息的重要之后应运而生的， 信息学的主要任务是研究信息的产生和发展，信息的利用和存贮，以及信息 的传递、交换、处理等等。
二、信息论
信息论是在通信的发展中产生的，它研究信息的基本性质和度量方法。
1948 年美国数学家仙农发表了一篇著名论文《通信的数学理论》，奠定了信 息论的基础。他建立的信息论包括三个主要内容：信源理论、信道理论、信 息失真函数理论。下面我们简单谈一谈信息论。
　　信息量的概念是根据概率论的观点提出的，概率论是信息论的基础，要 了解信息论则先要了解一下概率论。
　　每个人都知道，水在 100℃时会沸腾，在 0℃时会结冰，这些事是确定的， 我们称之为确定事物。而另外一些事物则并不确定，如每年会下几次雪，明 天温度会是多少，这都是随时变化的事物，又叫随机事物。随机事物表面看 来杂乱无章，但实则有其内在规律可循，比如明天下不下雪是一个随机事物， 但冬季下雪的可能性则远远大于夏季。随机事物发生的内在规律就是概率分
　　
布问题。概率论就是研究随机事物统计规律的数学理论。 举个例子来说，你在桌面上抛一枚硬币，它可能出现两种结果，正面或
反面，则出现正面或出现反面的概率各为 50％。若抛两枚硬币，则每个硬币 都有两种可能性，所以共有三种可能：两个正面，两个反面或者一正一反， 前两种可能发生的概率各为 25％，而一正一反发生的可能是 50％。概率论告 诉我们，只要在同样的试验条件下重复足够大的次数，结果与理论相差极小。
大致了解了概率论，我们便可以介绍一下仙农的信息论了。
1.信源理论 信源就是信息的发源地。信源理论中首先规定了信息量的概念。 大家在日常生活中常常凭直觉或感觉来判断“这条消息重要”、“那条
消息没什么价值”，这正反映了消息中所含信息量的多少。一条消息所含信 息量越多，则相对来讲越重要。
　　大家不禁要问：信息量的多少如何衡量呢？一般来说，出现概率小的事 情，传递的信息量大一些，出现概率大的事则传递的信息量小一些。举个例 子，如果你告诉你的朋友，今天太阳是从东边升出来的，这是一个完全确定 的事件，没有一点不确定，发生的概率是 100％，那这条消息的信息量为零， 可以说你没给你的朋友任何信息。但如果你告诉他，世乒赛中国队包揽了全 部金牌，这个消息的信息量就大，因为有好多国家派队参赛，许多高水平的 运动员会聚一堂，每个人都可能得金牌，最终谁获得金牌是一件不确定的事， 中国队得金牌这件事发生概率就小，包揽全部金牌的概率就更小，故此消息 所含信息量大得多。
根据仙农理论，某消息所含的信息量，等于它发生概率的倒数的对数。
即：
1
信息量 = lg 概率
2、信道理论 前面讲过，信息的八大特性之一是可传输性，而信息的流通则必须通过
信道。
　　我们知道，一条公路在一定条件下有一个最大通过能力。同样，一个信 道也有其容量，存在最大传信率，所谓传信率是指通信速度。一般来说，只 要选用合适的编码，在传信率低于信道容量时，信息完全可以毫无差错地在 信道中传递，这正是仙农的信道理论所告诉我们的。
我们研究信道的目的，正是为了挖掘信道的潜力，更好地发挥信道的潜
力，使其能存贮或传输更大的信息量。
3.信息失真函数 研究信息失真函数的主要目的是探明在允许的失真范围内，要把信源的
信息完全传递出去所要求的信道容量最小值是多少。 随着科学技术的发展，信息论正愈来愈广泛地应用于一系列与信息有关
的理论之中。

第二节 电子计算机


　　电子计算机是信息技术的基础设备，信息业的发展与计算机的发展是紧 密相连的。电子计算机是信息时代的标志，是现代科学技术的伟大成就，具
　　
有运算、存储、判断、推理等许多功能，在现代科技生产和生活中得以广泛 应用。所以在介绍信息学时，我们不得不先来看一看这个信息化的大脑—— 电子计算机。
一、计算机的产生
　　第一台计算机是在 1642 年诞生的，法国著名数学家巴斯卡为了减轻父亲 计算工作繁重的负担，制成了第一台机械计算器，然而它只能进行加法运算。 后来计算机走上了一天天发展、完善之路，从只能计算加法，到加减乘除皆 通，到可计算开方运算，计算机一步步走向成熟。但 直至 1888 年美国工程师 霍勒瑞恩制造出电动机械计算机以前，人们用的还都是机械计算机。本世纪 电子元件走进了计算机，揭开了计算机的新篇章。1954 年，世界公认的第一 台电子计算机——电子数值积分计算机在美国诞生，从此开始了现代计算机 的新纪元。
二、电子计算机的结构
　　谈到电子计算机的结构，大家一定张口即来：硬件和软件。下面我们分 别谈谈硬件和软件。
1.硬件 计算机的硬件包括两大部分：主机部分和外部设备。主机部分即指运算
器、内贮存器和控制器；外部设备则由输入装置、输出装置和外存贮器组成。
　　运算器 我们每个人都有运算能力，计算机内部也有一个能进行运算的 器件，即运算器。计算机的运算器既聪明又愚蠢。说它聪明，是因为它的运 算速度奇快无比，每秒钟上亿次已经不在话下。可它却又是愚蠢的，因为运 算器只会做加法运算，而且只能一个数一个数地机械相加，比如算 27＋16， 它必须先数出 27 个数，再数出 16 个数，两堆数合在一起又从头数，得出结
果 43。方法很笨，可它数得快，每秒数上亿次，故只需 0.01 秒即可轻松得
出答案。你或许会问：那么那些复杂运算怎么办呢？别着急，计算机自有办 法，让它算 7—5，它将其变成 7＋（-5）；让它算 4×3，它可以将其变看成
4＋4＋4；算 6÷3，就变成 6＋（-2）＋（-2）??其它复杂运算也同样化成
加法运算，愚蠢的机器就聪明起来了。
　　内存贮器 内存贮器是衡量电子计算机性能好坏的标准之一，其容量越 大，解决问题的能力越强。
目前计算机的内存贮器主要是半导体存贮器。如果将其看成一个旅馆，
其中有许多房间，则每个存储单元相当于一个房间。它可以存储字节，也可 以空着。存储容量表示存贮器中能放的字节数，其大小标志着电子计算机记 忆能力的强弱。存贮器的记忆力是很强的，美国科学家曾成功地在一块方糖 那么大的存储器上存放 1000 亿个数据。
　　电子计算机存贮器的作用可谓举足轻重，一旦损坏，整个机器则如一堆 废铁，无法使用。
　　控制器 控制器是电子计算机的“神经中枢”，它完全类似于人类的神 经系统。它可以对每一条信息进行分析和判断，并发出各种控制信号协调电 子计算机各个部件的工作。比如说，计算机接受运算命令“1 十 2×3”，控 制器将它存入存贮器，然后根据先乘除后加减的原则取出 2 和 3，放入运算 器相乘——也即相加，得出答案 6 放在运算器中，再从存贮器中取出 1 与 6 相加得答案 7 放入存贮器，最后控制器命令输出设备将结果输出。
大家可以看出，没有控制器，计算机不可能正常工作。

　　一般我们将内存贮器、运算器和控制器合称中央处理机。以上三种均属 主机部分，接下来讲一讲外部设备。
　　输入、输出设备 输入设备是电脑的感觉器官，它负责将计算机所需的 信息输入计算机，常见的有键盘、鼠标和光笔。其中键盘是最常用的，键盘 上有几十个键，上标各种字母或数字等，按动这些键可以向计算机发命令。 鼠标器则是将之在桌上移动并按动控制键在屏幕上发命令。至于光笔则可以 直接在屏幕上绘画或写字。
　　电子计算机的输出设备包括显示器、打印机等。显示器大家比较熟悉， 外形类似于电视机，可以在屏幕上显字符或图形。打印机则如同一只开口的 箱子，口中可以吐出写着字符或图形的一条条纸带。
　　外存贮器 电子计算机的外存贮器主要是磁盘、光盘磁带机、磁鼓等。 将磁盘放在磁盘存贮器上，通过磁头工作可进行人与电脑的信息交流， 即“读”与“写”。磁盘的存储容量相当大，一张普通磁盘可存入约几千本 书的信息量。但相比之下光盘则更加神奇，一张光盘存储的信息量是同尺寸 软盘信息量的几百甚至上千倍。至于磁鼓，由于它体积庞大，极为笨重，基
本上被淘汰。
2.软件 我们在操作计算机时给计算机发的指令叫程序，电子计算机的整个程序
系统叫软件。软件又分两大类：应用软件和系统软件。
　　计算机现在还听不懂语言（尽管已发布了语言识别系统，但现在技术水 平还不够高，只能与键盘配合使用），要使计算机执行人发出的命令，必须 找到一种人机共用的语言，人类采取了一种机器语言——二进制。
二进制是一种计数的方法，逢二进一，它的运算规律极其简单，0＋0=0；
1＋0=1；0 十 l=1；1 十 1=10；这样计算机内部的操作自然也简单。然而，计 算机只懂自己的这种语言，而这种语言难学且难记，所以人们又创造了高级 语言，如 BASIC 语言、C 语言等，一般使用电脑的人学会高级语言就可以了。 接下来给大家介绍一下一种极特殊的软件：计算机病毒。病毒这个词大 家一定不陌生，但计算机病毒是怎么回事，大家恐怕就不甚了解了。计算机
病毒的定义是：能够自我复制的恶意软件。
　　大家一定很奇怪，在这个冰冷的机器世界中怎么会产生“病毒”呢？当 然，罪魁祸首还是人类。最早的病毒是谁制造的，早已不得而知，但它产生 之后传播之快，令世人震惊。
计算机病毒与医学上的病毒是两个完全不同的概念。它是一种程序，是
一种起破坏作用的计算机程序或指令。但它与医学上的病毒颇有相似之处， 它感染计算机后很有隐蔽性且有潜伏期，一旦满足了一定条件，它会按设计 者预先设定的指令大闹一场，使计算机内存的数据或命令遭到破坏，且它的 传染性极强，可以不断自我复制并通过各种途径传播向别的计算机，危害巨 大。
　　计算机病毒的种类数不胜数，它们的程序内容少、小巧玲珑，极易感染 计算机。以下是几种较常见的病毒：
　　星期天病毒：在电脑认定的星期天发作，屏幕显示“今天星期日，何必 那么辛苦”，而后则清除掉计算机的全部内存。
　　“磁盘杀手”病毒：是一种比较恶性的病毒，传染范围较广，当病毒发 作时屏幕显示“当磁盘杀手工作时，请不要关机或拿开磁盘”。几秒钟后，
　　
病毒将磁盘上信息全部删除，屏幕显示“现在可以关机了，祝你好运。” “蠕虫”病毒：美国一青年制造的“蠕虫”病毒曾将美国大大折腾了一
下。他制造病毒是出于恶作剧，此病毒使计算机工作起来极为缓慢甚至瘫痪。 此次事件导致美国最大的计算机网络瘫痪了 24 小时，经济损失巨大。
　　病毒种类虽然多，但其危害主要有以下几种：破坏存储数据；改变磁盘 中心存储内容和数据；降低运行速度至停止工作；干扰用户工作。
　　计算机病毒危害巨大，但“魔高一尺，道高一丈”，人类依然有办法整 治它。为了防止它的传染，我们必须加强管理，软件不能随意外借，凡外来 软件必须经过病毒检查才能使用，需要立电脑病毒防疫系统。对于病毒仅仅 预防还不够，一旦染上病毒，还需要杀毒软件，现在人们已经研制出很多种 类的软件，它可以在病毒造成危害之前将它查出并杀灭。如常用的 kill 软 件。
　　尽管如此，要在近期内消灭计算机病毒是不可能的，和计算机病毒的斗 争将是一个长期而艰难的过程。
三、计算机的发展
计算机的发展速度之快是令世人震惊的。电子计算机的更新速度大约是
8～10 年更新一次，其运算速度提高 10 倍，价格却反而下降。 电子计算机问世至今已有 50 年，经历了电子管时代、晶体管时代、中小
规模集成电路时代，进入了大规模集成电路时代。采用大规模集成电路制造
的计算机是第四代计算机。目前世界上采用的多数是第四代计算机，电子计 算机进入第四代，开始朝两个力向发展：微型和大型。
1.微型电子计算机
　　从世界上第一台如庞然大物般的电子计算机，到今天的集成电路制造的 计算机，大家可以看出计算机发展的一个趋势，即速度越来越快，体积越来 越小，而微型计算机则是由小型计算机演变而来，比小型机更小的计算机。 微型计算机一般被称为“微机”或“微电脑”。
微机的优点很多。首先，它比较便宜。这是因为它体积小，故用料少，
自然价格低，而且随着科技的发展，其价格仍逐年降低。另外微机的用途极 为广泛，它已经渗入了我们社会生活的各个方面，是计算机系统中的佼佼者。 它运用种种最新科技使自身不断发展、完善，更新速度极快，性能、质量提 高得也很快。
今天的电脑已走入家庭，一人一机的时代正向我们走近，这正是微机的
功劳，但微机的作用远不止于此。你知道傻瓜相机为什么不需调焦距、对光 圈，可以自动调焦吗？那是因为照像机中安装了神奇的微型计算机。再看看 家中的小天鹅洗衣机为什么是全自动的，不需人工操作？还是那不可思议的 微机在大显神通。当然，你还可以推想微机应用于航空、交通、结算等等领 域又会如何作为。
2.大型电子计算机 所谓大型电子计算机，并非大家想象中的体积大、占地广、质量惊人的
庞然大物，而是说其运算速度快，可靠性高。
　　让我们看看那场 1991 年爆发的大战——海湾战争。海湾战争中进行了一 场导弹大战，最为大家熟知的自然是“爱国者”大战“飞毛腿”了。“爱国 者”此役大获全胜，被称为“飞毛腿克星”。大家可能不知道它的非凡战绩 全仗其头部安装的一种大型计算机，即一种 100 万次/秒的高速计算机，它
　　
结合多功能相控阵雷达、TVM 导弹跟踪系统。这些先进的电子系统使它自动 化程度极高，反应极快，目标真假识别能力强，所以爱国者的高拦截率创下 了世界军事的新记录。
　　大型计算机主要的应用领域是在航空航天技术、大型工程设计、气象预 报、密码破译、原子能技术、地下资源勘探等等。大型机最突出的特点是运 算速度快，已经快到了超乎想象的程度。各国政府在超级计算机的研制中， 最为重视的仍是运算速度的提高。1989 年日本电气公司同美国克雷公司在日 本的子公司开展了一场激烈的宣传战，各自宣传自己的大型机的速度和性 能。同时双方也不断努力提高自己的产品的速度和其它性能，1990 年美国推 出世界第一台超级主计算机，日本则研制出世界第一台约瑟夫森结巨型机； 美国又于 1991 年研制成功更快的大型机，可供 100 位工程师、科学家同时使 用。
　　我们或许会认为亿次计算机已经很有本事了，可如今大型机的速度快得 令人难以置信，日本的每秒 160 亿次的巨型计算机刚一出笼，德国的每秒 400 亿次的超级电脑又问世了，而美国克雷公司则宣布定要将巨型机的速度再提 高四倍，达到每秒 2000 亿次以上。
　　大家或许难以理解为什么各国政府如此大笔投资、煞费苦心地致力于大 型机，殊不知，由于大型机的功能强、储存量大、可靠性好，其高速的运算 本领已经使它成为尖端领域中不可缺少的主力军。大型计算机是当代一个国 家科学技术和工业发展水平的重要标志，它从一个侧面体现了一个国家的实 力。
在介绍了第四代电子计算机的两个发展方向之后，我们再来看看即将广
泛应用的生力军，第五代计算机——人工智能计算机。 有人提出计算机会不会比人更聪明乃至统治人类等疑问，这一点我们大
可放心，计算机的所谓智能只是一个范畴的智能，只不过是人类智慧的延伸，
何况现在功能最强的电脑也不过是相当于几岁幼儿的智力。科学家们认为人 工智能问题很难在 10 年之内有所突破。
第五代计算机的另一特点是能理解我们的语言，甚至能用声音与我们“说
话”，但这一点也是困难重重。当今电脑的语音识别系统正日趋完善，尤其 是对英语更是达到了相当高的水平。现在语音识别对电脑的智能化提出了比 较高的要求。今年 IBM 公司发布了中文语音识别产品 Via Voica，这正是一 种带智能化特色的产品。
然而，现在我们所说的这些距第五代计算机“实现人机对话”的构想还
相差甚远。仍以 IBM 的中文语音识别产品为例，它只能听懂一些比较简单的 命令和某些特定的语句。系统自定词组共 32000 个，这与浩如烟海的汉语词 汇相比相差甚远，何况汉语这个语种新词不断出现呢！所以我们现在取得的 成果不过是在研制第五代计算机的历程中迈出的小小的一步而已。
　　那么，未来的第五代计算机究竟是个什么样子呢？将不再像前四代那样 工作，不仅能存储人们编制的程序，还能在一定程度上给自己编程序，它有 知识，会学习，能进行推理，它能理解语音和文字，并会说话，它还具有汇 集、记忆、检索知识的能力。
　　第五代计算机的前景十分诱人，日本是第一个开始研制第五代计算机的 国家。可在 1992 年，日本却宣布终止对其研究。这从一个方面说明了人工智 能问题的难度之大，但它一旦诞生，必将创造无法预料的奇迹。
　　
　　我们可以毫不夸张地说，电脑是本世纪最伟大、最神奇的产物，它的出 现把人类带进了一个崭新的领域，打开了人类智慧的大门。电子计算机是信 息社会的重要工具。

第三节 现代通信技术


　　人类的信息活动从古至今经历了五次重大的变革，即：由打手势到语言 的产生；文字被创造出来；印刷术——尤其是活字印刷的发明；电信和广播 的开创；电信同计算机结合。
　　用电子学来传递信息始于 1844 年的莫尔斯玛的电报，后来发明了电话， 接着发明了无线电通信。电视的产生使通信进入了声像结合的视听技术时 代。直至 1958 年，美国把电信同计算机相结合，才形成了今天的现代化通信 技术。
　　现代化通信技术是以微电子技术为基础，以计算机技术为核心的通信技 术，其主要表现是先进的通信手段和先进的通信网络。
一、数据通信
　　数字通信是把原始信号变为二进制的数字脉冲来进行传输的通信方式。 在数字通信的基础之上拓宽和发展即为数据通信。
数据通信把数据的处理和传输合为一体，扩展了计算机的应用范围，提
高了计算机的利用率。在这个信息社会里，政府机关、财政金融等许多部门 都要求高效率，数据通信无疑是一种极其重要的工具。它可靠性高，保密性 强，传输的信息量大且距离远。
用于数据通信的通信网称数据通信网。随着通信现代化的发展，数据通
信网必然取代模拟通信网（如电话网等），而数据通信网的发展方向则是“综 合业务数字通信网络”，它可以综合信息传输与检索、资金转移、教育、医 疗、监视，遥测等诸多内容，且传输电话的速度将为电话网的十几倍，发文 稿的速度也将是现在模拟通信网的 6～7 倍。
上面说的这些并不是梦想，人类正逐步使其成为现实。日本东京大学的
学术情报中心通过数据网把全国各大学、研究机构的 186 个图书馆联系在一 起，使读者在网络上的任何地方都可以通过计算机享有网中各图书馆的信 息。美国的全球电子信息网络更加神奇，它已开始为我国及美国的客户提供 电子数据交换的中介服务，我国的报纸《中国日报》已正式入网，这样美国 和别国的用户也可以了解中国经济等方面的信息。
　　世界各国都在加紧研究和建造“综合业务数字通信网络”。据报道，德 国和荷兰之间已经开通这种业务，来自法国的消息则称法国即将实现百分之 百的通信数字化。目前来看发展较快的仍首推西欧和日本。
二、卫星通信
　　卫星通信的优势可想而知：不受地理条件限制；覆盖面广，三颗卫星即 可覆盖全球，实现全球通话；费用省。而一旦卫星通信采用数字方式，所传 送话路的数量更是大得多，可大大提高通信质量且降低费用。
　　卫星通信是在 1965 年变为现实的，美国发射成功第一代国际通信卫星， 终于使人类利用卫星开辟新的通信渠道的梦想成真，到 1990 年国际通信卫星 已发展了 6 代。有 118 个国家参加了国际通信卫星组织，有 170 多个国家使 用多颗卫星的 10 万条以上的线路。如今的国际越洋通信线路，卫星通信已占
　　
70％，海缆通信仅占 30％。 海湾战争是战争史上第一次全面应用卫星通信的一次较大规模的战争。
大家知道，在海湾战争的爆发当晚，几百架多国部队的飞机对伊拉克首都巴 格达进行轮番轰炸，几乎全部命中预定目标。这个奇迹是如何被创造出来的 呢？其实早在战争爆发前几个月美国就专门发射了几颗军事卫星，全面监视 伊拉克的动静。卫星将收集的信息传回指挥中心，故美国早就对伊拉克的核 研究中心、通信中心甚至总统所处的位置等了如指掌，这正是多国部队的轰 炸如此成功的关键所在。整场战争中共有 60 多颗军用通信卫星和 20 多颗民 用卫星用于情报收集、通信、导航等等。在这场战争中，战场的地面情况通 过卫星传至指挥中心，再传至多国部队指挥部，指挥部再在计算机的帮助下 作出决策，发布命令。多国部队的优越的通信设备使之处于主动地位，最终 获胜。
　　现代技术的发展使卫星通信的应用愈来愈广泛，如在气象观测、电视转 播、无线电导航、航天实验、军事侦察等方面都可一展身手。
　　下面我们再来看看为适应人们对通信要求的日益提高而产生的通信系 统，甚小口径卫星通信系统（又称 VSAT 卫星通信系统）。它的发展被认为是 通信系统中最有意义的成就之一，将对通信发展起巨大的推动作用。其突出 的优点是设备体积小，结构紧凑，天线架设方便。当然，它还具有卫星通信 的普遍优越性：可靠性高，保密性好，抗干扰能力强且不受地形等的限制。 目前全世界已建成 10 多万个 VSAT 终端站。
三、移动通信
　　所谓移动通信是指人在运动或旅行中实施的通信联络。若通信双方都在 活动，则要经过一个固定的台、站转接。人们采用这种移动通信正是适应了 现代信息社会的快节奏、人员流动强的需要。
现在比较流行的 BP 机即是一种单向型的移动通信，它方便、廉价、易普
及，很受欢迎。现在 BP 机的应用十分广泛，最主要的应用是在商业领域，它 可以让你的合作伙伴及时找到你，告诉你市场行情。
在一些大城市中常见有人手持“大哥大”边走边打电话，看着颇为潇洒。
“大哥大”的学名叫做移动电话，移动电话有两大类：模拟移动电话和数字 移动电话。当然，正如前面数据通信中介绍的那样，数字移动电话的优点很 明显，突出的一点即是可传送更多的信息，故可以大大增加用户的数量。数 字化是移动电话的发展方向。我国现仍是模拟移动电话占据主导地位，数字 移动电话不到总数的 5％。
　　那么，移动通信要达到的目标是什么呢？科学家告诉我们，那就是“个 人通信”。在科学技术飞速发展的今天，通信方式仍只是“通信到电话”， 而不是“通信到个人”。在不远的将来，我们可以达到“个人通信”时代， 每人一号，人手一机，你可以随时呼叫他人或被他人呼叫，无论你身在何处 都可以同任何地方的人通话。这个系统的一个中心环节是电话交换机，它必 须知道每个人在哪儿才能接通电话，这对系统的智能化提出了很高的要求。 未来的个人通信将是移动通信与智能技术的结晶，今天的移动通信网为明天 的个人通信奠定了良好的技术基础。
四、光纤通信
　　光纤通信，顾名思义，自然是利用光导纤维来进行通信。提到光导纤维， 人们自然会想到那位华裔科学家，被称为“光通信先行者”的高锟。他率先
　　
提出了“用光代替电流、用玻璃代替铜导线”，但光在玻璃中传播只能走 30 米远。高锟为了解决这一问题，经大量实验终于查明了原因，并在 1966 年发 表了论文《适合于光频率的绝端介质纤维表面波导》。在他的这一理论指导 下，科学家们终于研制出了光纤。
　　光导纤维的优越性有很多，同等长度、同等传递信号宽度的光缆重量为 铜缆的十万分之三，体积为铜缆的十万分之四，价格为铜缆的万分之五，可 谓优势明显，且光通信的容量比电通信大得多。光纤的优越性还体现在抗干 扰、抗辐射，可大大减少传输中继站，耐高、低温等等。
　　光纤的种种优势中最主要的一点，是其通信容量大得惊人。1988 年，跨 越大酉洋的第一条海底光缆容量就达到电缆的 1000 多倍。90 年代光缆的进 步愈发神速，居然比 1988 年的光缆容量又提高了 1000 多倍。这只不过是光 缆目前达到的容量，而光缆的理论容量比这还要大 1000 多倍呢！
　　光纤的发展将是不可限量的，光纤通信正从国内通信向国际通信发展， 目前各国在努力发展国内光纤通信的同时正大规模展开国际工程。如英国标 准化公司正建设的第三条大西洋海底光缆工程，连接美国、加拿大、西班牙、 英国、法国，全长 8500 公里；还有西欧——中东——东南亚工程，分两部分， 一个经过前苏联，另一个经过印度洋；美国也有 6 家公司与前苏联合作兴建 联接苏联、欧洲和日本的世界性光纤通信系统。
光纤通信改变了通信业的面貌，光缆网络作为未来信息高速公路的重要
组成部分，已成为各国争先建设的信息基础设施。 现代通信手段和通信网络的种类很多，这里仅仅例举了一部分。此外，
全球定位系统、自动通信集成网络、电子信箱等等也都是当代高新的通信技
术。

第四节 信息高速公路


　　信息高速公路是运载信息的高速公路，是一个将各种新技术结合在一起 的网络。
我们身边有各种各样的信息网络，如电话网、广播网、电视网、计算机
网络等等，但它们是一个个孤立的个体。为了满足未来社会对信息的需求， 必须将它们联系起来，连接成一个包括语音通信、图像传送、数据通信这几 种媒体的巨大网络，形成高速度大容量的信息网络。
信息高速公路必须包括：①信息来源。②计算机为用户储存并提供信息。
③通信网络传递信息。④软件控制计算机。⑤用户有设备接受和发出信息。 当然，信息高速公路也必然有其组成的基本技术要素，那就是集成电路网络 技术和多媒体。前两者大家比较熟悉，在此不再多讲，下面我们来看看多媒 体的一些情况。
　　多媒体一词近 10 多年来风靡世界，成为当今信息技术领域最热门的话题 和研究方向之一。大家对这个词也一定不陌生，但到底什么叫多媒体呢？
　　传递和信息媒体有 5 种，即数字、字符、声音、图形、图像。人们希望 能通过这 5 种媒体与计算机交流，但是这 5 种媒体的存在仍不能成为多媒体 技术的标志，多媒体还有一个重要特点是人与计算机的交互作用，人可以通 过自己的行为影响计算机。举个例子来说，家中的电视机可以显示数字、字 符、图形、图像，且可以放出声音，但它并不是多媒体技术，因为人们只能
　　
被动地观看节目，不能对节目进行综合控制。多媒体技术则追求交换性和交 互性，电视可依人们的意愿放节目，也可以让人们控制剧情的发展方向。
　　从传统计算机到多媒体，从传统电视到交互性电视，信息的传递正经历 着由单向到双向的进步过程。
　　多媒体具有综合处理音频、视频、图像、文字等多类信息的功能，包括 计算机、电视机录象机、游戏机、传真机等许多新产品的性能，真正实现了 图文一体化，视听一体化。计算机在多媒体技术的帮助下正朝着人类更易接 受的处理信息的方向发展，实现了人机融合。
　　多媒体技术的应用极为广泛，它可以用来召开电视会议。多媒体系统可 造成一种完全相同的会议场景和气氛，既可以提高会议效率，又能节省大量 旅费。多媒体技术还能“虚拟现实”，它可以制造出一种逼真的模型世界， 给人以身临其境之感。这项技术不言而喻首先应用于高科技领域，最主要的 应用是航空航天方面，如微重力环境仿真虚拟星际考察、航天器与空间站仿 真等，此外它在军事上的应用也有，如集团军模拟演习等。多媒体还有很多 应用也是很重要的，如在医学方面、教育领域，甚至将来可能实现的电子购 物等等。
　　通过上面的介绍，大家一定已经清楚，多媒体技术的发展是建立在通信、 计算机、信息处理、网络等诸多学科高度发展的基础之上的。它站在各学科 技术的最高起点上，正日益完善自己，这正应了那句话：没有最好，只有更 好！未来十几年中多媒体产品将是市场潜力最大的产品。
了解了信息高速公路的含义及其核心技术，下面我们来看看那已经将建
设信息高速公路提到日程上来的国家。
一、信息高速公路在美国
　　世界上最早提出建设信息高速公路的国家是美国。但这不是一件说办就 能办的事，直至 1991 年，美国众议院才同意拨巨款建造它。为铺设连接超级 计算机的光导纤维网络，美国政府拨款 10 亿美元，使企业在电脑和通讯方面 的投资超出工业方面的投资。1993 年美国政府将建设信息信息高速公路作为 技术政策的中心，并于同年 9 月正式宣布建设全国信息基础设施。信息高速 公路行动计划正式开展。
所谓的国家信息基础设施，从直观上看，它是指那些看得见、摸得着的
物理设备，如摄像机、计算机、光盘、打印机等等，此外还有一些看不见、 摸不着的东西，首先就是信息，它包括各种形式的信息，可以是电视节目， 也可以是录音磁带、录象带，还可以是图书馆档案、数据库等等；其次还有 应用系统和软件用来帮助用户使用和处理信息；另外还有网络标准和传输编 码促进网络间的互联和兼容，以保证网络的安全性和可靠性。
信息高速公路计划是一个社会系统工程，美国政府制定的这一计划基于
5 个原则，即：鼓励私人企业增加投资；促进并保护私人企业间的竟争；公 众都有机会获得服务；避免信息拥有方面出现贫富不均的现象；维护技术设 计上的灵活性。
信息高速公速计划的内容主要包括以下个方面： 第一，建设一个以能覆盖全国的光纤通信网络为主、辅以数字微波和卫
星通信的数字化大容量通信网。借助它把千千万万的用户与服务站联系起 来。
第二，信息资源的开发和利用。把美国几千个数据通信网和上万个数据