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1月4日—首創半導體應用的人

1894年1月1日，發現電磁波的赫茲因感染不治，才36歲就英年早逝。五個月後，英國物理學家洛奇（Oliver Lodge）發表演說向他致敬，除了重新演示電磁波實驗，還做出一項令人驚奇的展示。大家原本以為電磁波的特性既然和光一樣，那麼也會被障礙物阻擋，沒想到洛奇將金屬屑檢波器放在50米外的另一棟建築物內，竟然也能接收到電磁波。 此一消息立刻造成轟動，各路人馬紛紛進行無線電的實驗，包括馬可尼、特斯拉、後來發明AM的范信達，學界中也不乏其人，如拉塞福、俄國物理學家波波夫（Alexander Popov）等。而在遙遠的印度，一位大學教授也自行研發無線電裝置，結果因此首度創造了半導體的實際應用。 發現半導體 玻色（Jagadish Chandra Bose）於1858年11月30日出生於英屬印度的孟加拉管轄區，雖然出身貴族家庭，但父母卻教導他眾生平等，不但讓他和賤民及穆斯林的小孩一起學習、遊玩，還會招待他們在家中吃飯。 玻色大學畢業後，本想和父親一樣進入政府體系，但父親卻堅持他當個只須對自己負責的學者，不要去統管別人，讓他前往英國留學。玻色於1884年自劍橋大學畢業後，隨即返回故鄉的管轄區學院教授物理。他在授課之餘，也埋首於物理實驗，其中一項便是半導體。 半導體是德國物理學家布勞恩（Ferdinand Braun）十年前意外發現的。他用撿流計量測硫化鉛的導電性，沒想到指針竟然動也不動，他試著調換正、負極的接線，結果指針馬上就有反應。向來物質只有絕緣體和導體之分，如今才知竟還有介於兩者之間的半導體！ 玻色循此測試IV族元素的礦石，結果除了單向導電性，還發現非常特殊的現象。一般金屬遵守歐姆定律，也就是電流與電壓成正比，但半導體礦石卻不然，當施予的電壓小於某個臨界值時，電流微乎其微，而一旦超過臨界電壓，電流便突然大幅躍升。 他原本只把這視為奇妙的物理現象，但當他得知洛奇的演示後，立即想到可利用這個特性偵測微弱的無線電波。 礦石檢波器 他將半導體礦石接上電池，施以恰好將達臨界值之前的適當電壓。天線接收到無線電波後產生感應電流，所伴隨的感應電壓加上原來的電壓恰好超過臨界值，電流計就會出現明顯變化。如此半導體礦石便可以做為靈敏的檢波器，在更遠的距離接收到微弱的無線電波。 1895年11月，玻色在市政廳前公開演示，成功無線電波讓穿過副州長的身體、兩道磚牆，傳送到一英哩之外的礦石檢波器。為了加強戲劇效果，他還將檢波器接上繼電器，藉此敲響銅鈴並點燃火藥。 這次演示有許多歷史首創，包括： ——礦石檢波器成為半導體的首度實際應用: ——首度傳送毫米波（馬可尼等人都還是用波長更長的無線電波） ——首創號角天線 ——第一個無線遙控裝置 玻色將論文寄交英國皇家學會，並於第二年受邀前往發表演講。當時馬可尼正在倫敦向英國政府展示無線電報系統，兩人應該有機會當面交換意見，不過顯然馬可尼並未採納玻色的方案，而是藉由提高天線高度來增加傳送距離。 事實上礦石檢波器也不是很靈光，因為裡面的雜質分布並不均勻，得嘗試很多次才能找到「熱點」，稍有晃動改變接觸點，就會失去訊號。玻色也未繼續研發改進，因為他對商業應用完全不感興趣，連專利都沒去申請，只想專心做研究，因此。半導體礦石檢波器重新受到青睞要等到1902年了。 玻色研究所 玻色後來轉而研究光與電磁波對植物的影響，也做出許多重要發現。他還撰寫科幻小說，成為孟加拉科幻小說之父。 1917年，才退休兩年的玻色在加爾各答創辦玻色研究所，親自擔任院長，直到1937年過世為止，一生為教育做出貢獻。之前提過的另兩位也姓玻色的科學家：D. M. 玻色與S. N. 玻色，便都曾受過他的指導；下圖的合照即有他們三人的合影。 1977年的諾貝爾物理學獎得主莫特爵士（Sir Nevill Mott）曾說：「J.C. Bose至少領先他的時代60年。事實上，他已經預見P型和N型半導體的存在。」電機電子工程師學會（IEEE）也自今年2025年起，設立以他為名的獎章，表彰對無線通訊技術有重要貢獻的人。 參考資料：

發明三極管與再生電路的人

美洲盃國際帆船賽 1901年9月25日星期二，馬可尼無線電報美國分公司的工程人員將無線電設備搬到船上，準備測試從海上發送無線電報到紐約長灘岸上的接收站。這是為了即將在週末展開的美洲盃國際帆船賽，「聯合通訊社」（Associated Press，簡稱美聯社）希望藉此首創帆船比賽的實況報導。 其實兩年前馬可尼已經在上一屆的比賽中，證明他的無線電報系統可行，因此拿到美聯社的合約。這兩年來系統經由弗萊明（John A. Fleming）的改良，更大幅提升收發電報的距離，用在這屆賽事肯定不是問題，現在測試只是確認新器材在搖晃的海面上也能正常運作，因此大家都抱著輕鬆的心情進行測試，準備速速測完就可收工休息。 沒想到船還沒出航，接收站就收到了不知哪來的摩斯電碼，解譯後的訊息竟是「馬可尼去死吧」等咒罵的字眼。 馬可尼的工程人員找到來源是「美國無線電話與電報公司」（American Wireless Telephone and Telegraph Company）的船，這家公司名稱只比 AT&T 多了「無線」這個詞，但其實和 AT&T 一點關係都沒有。他們之前宣稱買下了道貝耳（Amos Dolbear）於1886年取得的無線通訊專利，藉此控告馬可尼於1899年取得的美國專利無效。1901年3月敗訴後。他們仍繼續上訴，一方面想方設法阻撓馬可尼的業務。 AWT&T堅持自己有權進行測試，不肯退讓。美聯社擔心這樣下去，帆船賽的即時報導就要泡湯，於是出面協調，只要他們停止在這附近進行測試，避免無線電干擾，美聯社就會在報導中提及是由馬可尼公司和AWT&T共同提供無線電報。 AWT&T同意了，但同時告訴美聯社你們恐怕不是獨家，這次帆船賽「出版商新聞協會」（Publishers’ Press Association）也要做實況報導，而為他們提供無線電報系統的，正是曾被馬可尼與你們先後拒絕的德佛瑞斯特（Lee de Forest）。 進擊的科學家 德佛瑞斯特畢業於耶魯大學，上了研究所後，曾做電學實驗而搞到整棟大樓跳電，被警告後卻又再犯，於是被勒令休學。當時正值美國與西班牙戰爭，他便自願從軍，但戰爭很快於當年年底結束，他又重回耶魯念物理研究所，只花了一年時間，便於1899年拿到博士學位，論文題目是〈平行導線末端的赫茲波反射〉。 這年三月，馬可尼成功讓無線電報越過英吉利海峽，造成轟動；九月又在美洲盃國際帆船賽證明在船上也可使用，引發美國媒體熱烈報導。對無線電報前景極度期待的德佛瑞斯特一取到博士學位，便向馬可尼毛遂自薦，不料卻遭拒絕。在此同時，AT&T旗下的西方電氣願意提供一份研究工作，他便前往芝加哥任職。 不知是否遭馬可尼拒絕一事反而增強了他的動力，德佛瑞斯特積極研發新型的無線電報接收器。馬可尼所用的是金屬屑檢波器（coherer），當接收到無線電波時，感應電流會使裡面的鐵屑聚集在一起，電流通過後啟動繼電器，在紙帶上留下代表摩斯電碼的長短符號。不過每收到一次訊號，就要再將鐵屑拍散才能接收下個訊號，既不方便又沒效率。 德佛瑞斯特從反射鏡電流計得到靈感，將它與電話聽筒、電池結合在一起，使得感應電流的變化轉換為耳機中的聲響，便能輕易得知摩斯電碼，也不用每次重設。 在成品完成之前，他跳槽到美國無線電報公司（AWT，和AT&T與AWT&T都無關的另一家公司），晚上到伊利諾理工學院兼課教書。恰好學校裡的弗里曼教授（Clarence Freeman）對無線電報也極有興趣，兩人一拍即合，德佛瑞斯特繼續打造接收器的同時，他則著手設計電波發射器。 無線電大亂鬥 無線電報收發設備於1901年完成後，德佛瑞斯特立刻和美聯社接洽，表示自己的裝置優於馬可尼公司，希望美聯社改與他們合作。但馬可尼已做過多次公開演示，他們卻連一次都沒有，美聯社怎可能答應。遭到拒絕後，一心要和馬可尼一較高下的德佛瑞斯特找上規模較小的出版商新聞協會，說服他們採用，便能比肩美聯社，也在國際帆船賽中做實況報導。 當時還沒有調幅或調頻的技術，收報器對無線電波來者不拒，各家的訊號若混雜在一起，根本無法判讀，每個人都是輸家。這道理大家都懂，於是在國際帆船賽的前一天，美聯社和AWT&T達成協議後，也和出版商新聞協會取得共識，在帆船競賽過程中，雙方輪流使用無線電五分鐘，以免互相干擾。 不料第二天比賽開始後，不知是誰先不遵守協議，結果變成三家大亂鬥，無線電波此起彼落，接收站收到的都是無法判讀的亂碼，最後只能靠望遠鏡和旗語勉強報導賽況。 只帶走三極管 遭遇挫敗的德佛瑞斯特仍不死心，決定不回芝加哥，而是留在紐約尋求投資人。他很快在1902年1月認識在華爾街打滾的懷特（Abraham White），懷特建議他與其找大金主，不如直接向大眾募資，這樣公司才是自己的，不受他人左右，事業成功也能享有最大回報。德佛瑞斯特對此提議非常心動，這一年就和懷特共同成立「德佛瑞斯特無線電報公司」，由懷特擔任總經理，自己專心於技術研發。 公司成立沒多久，他們就取得陸軍在紐約總督島的無線電報標案，並在隔年三月順利完成驗收。沒想到就在業務蒸蒸日上之際，公司卻突然於1906年遭逢重大危機，法院判決德佛瑞斯特的接收器侵犯他人專利，不得繼續使用。 這個判決嚴重影響公司營運，德佛瑞斯特責無旁貸。孰料懷特竟趁機逼他下台，並在董事會運作將他開除，還得出清所持的所有股份。…

11月16日—真空管問世120週年

真空管？現在除了所謂「發燒級」音響，日常生活中幾乎看不見真空管了吧。沒錯，現今的電子產品幾乎已全面改用電晶體，不過在電晶體出現之前，收音機、電視、雷達、……等電子產品就已紛紛問世，這都是拜真空管發明之賜。 真空管開啟了電子化的時代，若要標誌一個起點，或許是1904年11月16日。這一天，英國物理學家弗萊明（John A. Fleming）正式申請真空管的發明專利。 弗萊明攝於1906年。圖片來源：Wikipedia 弗萊明於1849年11月29日出生，學業成績自小就一直名列前茅，還曾自己動手打造模型船、引擎與相機。但他念完大學後，由於家裡的經濟狀況不允許，只能階段性地半工半讀，直到31歲才取得博士學位。 弗萊明教了兩年書後，自1882年開始兼職擔任愛迪生英國分公司的顧問。1884年，他回母校創立英國第一個電機系；為了幫助學生記住電流方向、磁場方向、導體的運動方向三者之間的關係，他特別提出「左手法則」與「右手法則」，流傳至今。 弗萊明右手定則。圖片來源：Wikipedia 1898年，馬可尼委託弗萊明協助克服無線電的瓶頸。馬可尼雖然已經展示了無線電電報的可行性，卻始終無法傳到更遠的距離。弗萊明設計出結合高功率交流發電機的發射器，讓馬可尼於1901年底，成功從英國傳送無線電到美國，創下越洋無線電報的里程碑。 不過無線電信號在這麼遠的距離卻很不穩定，仍無法商業化。弗萊明在思考如何解決時，想起愛迪生曾在1883年發現的「愛迪生效應」。當時愛迪生為了查明燈泡的燈絲為什麼老是在正極端燒斷，而在燈泡中多加一片獨立的金屬片，然後在金屬片與電源正極間接上電流計。沒想到點亮燈泡後，電流計的指針竟會移動，問題是金屬片與燈絲根本沒有接觸，電流從何而來？ 愛迪生那時無法理解，也未再深究；這也難怪，畢竟要到1897年，湯姆森才發現電子。如今弗萊明已經知道是熾熱的燈絲使得電子游離，「跳躍」到正極的金屬片，才產生電流。 於是他根據此一原理，提高燈泡的真空程度，用金屬片包圍住燈絲，並施予金屬片較高的正極電壓。然後將這個真空管接上接收無線的天線，無線電波所產生的感應電流只會流向同一方向，達到整流的效果，便能用高頻無線電波將電報傳送到更遠的距離。（註） 二極真空管示意圖。圖片來源：Wikipedia 弗萊明所發明的真空管是二極管。1906年，美國工程師德佛瑞斯特（Lee De Forest）在二極管的燈絲與金屬片之間多加一個網狀的柵極，接上負電壓，就可調整電流的大小，成為可放大訊號的三極管。自此，真空管便成為電子產品的基本元件，除了前述的電子產品，也讓電腦得以邁入數位化；史上第一台可程式化的通用型電腦ENIAC 便用了一萬七千多個真空管。 雖然真空管因為耗電、易壞，反應速度又慢，而逐漸被電晶體取代，不過它揭開了數位時代的序幕，也算是功成身退，值得紀念。 註：不過真空管本身的物理限制還是不適用更高頻的電波，AT&T旗下的貝爾實驗室因此才改從半導體著手，進而發明電晶體。這段歷史可參考筆者所著之《蕭克利與八叛徒》。 參考資料： John Ambrose Fleming – Wikipedia John Fleming – ETHW

從質數到二進位計算機——萊布尼茲的創見

1676年底，三十而立的萊布尼茲離開待了四年的巴黎，返回德國。在巴黎期間，他已構思出微積分此一全新的數學方法，卻沒有公開對外發表，回國後他仍將之暫擱一旁，反而研究起質數來了。 他先在1678年2月發表一篇論文，指出任何大於5的質數減去1或5，一定能被6整除（這也可以表述成「任何大於3的質數都可以寫成6k ± 1」的形式）。隨後他又試圖證明費馬小定理，這是費馬於1640年提出的猜想： 若p為質數，a是小於p的正整數，則 aᴾ⁻¹- 1一定能被p整除。 （例如 p=7, a=2，則2⁷⁻¹ – 1 = 63 是 7 的倍數。） 倘若這真的成立，便能用來判斷一個數有沒有可能是質數。當萊布尼茲從a=2開始，也就是2ⁿ– 1這種所謂的梅森數（Mersenne number）研究起時，他注意到若是用二進位表示，梅森數依序便是1、11、111、1111、……，完全不用像十進位制那樣計算，就能直接寫出來。 接著他發現二進位也很適合用於表示完美數（perfect number）。如果一個數的真因數加總起來恰好等於它本身，例如6 = 1 + 2 + 3 或 28 = 1 +2 + 4 + 7 + 14，便稱為完美數。而歐幾里得早就證明： 若2ⁿ–…

將聲音化為無線電波的人

電流大戰 1886年3月的一個夜裡，美國麻州大巴靈頓（Great Barrington）的幾家商店突然大放光明。他們並非最先引入電燈的商家，卻是交流電系統的第一批用戶，提供照明的西屋電氣能否挑戰愛迪生的地位，成為媒體報導的焦點，令愛迪生恨之入骨。 幾個月後，愛迪生收到一封署名范信達（Reginald Fessenden）的求職信，上面寫著超乎尋常的經歷：1866年出生於加拿大，14歲就讀主教學院的高中課程時，還兼任學校的數學老師。四年之後，惠特尼家族在英屬百慕達成立一所學校，他尚未讀完大學就獲聘前往擔任校長。 在求職信中，范信達表明因見到電氣逐漸改變人類生活，渴望也能參與其中，因此毅然辭去當了兩年的校長，搬來紐約，希望能在愛迪生麾下工作，最後誠實寫上：「對電一無所知，但很快就能學會。」這句話顯然觸怒了正為電流大戰苦惱的愛迪生，他立刻回絕這位未滿20歲的年輕人，不客氣地在信上回道：「這裡已經有夠多對電一無所知的人了！」 但鐵了心的范信達仍不斷嘗試，終於在1886年底獲得愛迪生公司一份不用懂電的工作——用檢流計測試架設中的電線。他很快因表現優異而多次晉升，最後如願進入愛迪生的實驗室，參與許多專案。 無奈1890年愛迪生即因財務困難而大幅裁員，范信達也遭解雇，但他隨即被西屋公司聘用，協助研發新型電燈泡。兩年之後，普度大學邀他成立電機系，他又回到校園重拾教鞭。 1893年，西屋公司擊敗愛迪生公司，以特斯拉的多相交流電系統贏得芝加哥世界博覽會的照明標案。范信達受西屋委託協助架設，因表現優異，西屋老闆便舉薦他到公司附近的匹茲堡大學擔任電機系系主任，便於就近諮詢。 無線電報 發現電磁波的赫茲於1894年過世，英國物理學家洛奇（Oliver Lodge）在紀念會上演示電磁波實驗。在此之前，大家都以為電磁波和光一樣會被障礙物阻擋，但洛奇卻展示他所發明的「金屬屑檢波器」(coherer，如下圖)，能在50米外的另一棟建築物內接收到電磁波。 此一消息立刻引發馬可尼在內的多路人馬研發無線電報，回到學界的范信達也深感興趣，展開實驗測試。 1900年，范信達受美國氣象局委託，研發以無線電傳送氣象資料。雖然前一年馬可尼已成功用無線電報報導美洲盃帆船賽的賽況，但他所用的檢波器必須拍打讓裡面的金屬屑散開，才能接收下一個訊號，效率不是很好。范信達另闢蹊徑，利用感應電流通過鉑絲時，鉑絲的電阻會隨溫度變化而改變，以此做為檢波器（他命名為barretter，如下圖），反應快速又不用人力時時介入。 范信達還發明外差法（heterodyne），可將兩種頻率結合而產生單音音調，將電磁波所傳遞的摩斯電碼化為清楚的長短音，讓接收員更方便又有效率地記下電報內容。這也激發他思考傳送真實聲音的可行性，而發明出「調幅」（Amplitude Modulation, 簡稱AM）技術。 調幅廣播 當時電話已問世二十幾年，聲音經麥克風轉換成直流正弦波（如下圖綠色部分），振幅的大小就代表音訊的變化。然而以間歇電火花產生的卻是交流的脈衝無線電波（如下圖第二個波形），無法呈現聲音變化。范信達發明的調幅技術便是將正弦波和無線電波（稱為載波）結合後，一起發送出去，接收端收到後先整流成直流電，再濾掉載波，就可還原出音頻訊號。 不過載波的頻率至少要20 KHz以上，而當時的設備頂多只能做到1 KHz；范信達在1900年底用調幅技術傳送了一段話，便嚴重失真。雖然如此，他仍堅信無線電波終將可以傳送聲音，在申請專利之後，他公開發表看法，卻遭到馬可尼與弗萊明（1904年發明真空管）等人嘲笑，認為產生無線電波的火花所造成的「鞭打效應」，不可能和正弦波相容。 在此同時，美國氣象局要求共同擁有范信達這段期間所有發明的專利權，他不肯答應，便在1902年憤而求去。幾個月後，兩名匹茲堡富商看好范信達的技術，特地為他成立「國家電訊公司」（NESCO）。 有了資金奧援，范信達立刻著手設計全新的的無線電收發設備。他先於1903年發明出更靈敏又可靠的「電解液檢波器」（Electrolytic detector），同時和通用電氣（也就是奇異公司）共同研發，終於在1906年8月開發出高速交流發電機（如下圖），可產生高達50 KHz的無線電波。12月下旬，范信達成功將聲音傳到18公里遠，隨即在聖誕夜發送應景音樂給軍艦上的美國官兵，被視為史上首次的公開播送廣播。 退而不休 不過NESCO卻因越洋電報事業失敗，而逐漸陷入停頓狀態，范信達遂於1911年分道揚鑣。隔年四月發生鐵達尼號船難，研究聲波與無線電多年的范信達，很快研發出可產生聲波的「范信達振盪器」，可讓安裝的船隻提前發現冰山，避免重蹈覆轍；這項技術便成為聲納的前身。幾年後他的另一項發明後來也被用於探測油礦。 1920年NESCO被西屋收購，隔年又轉賣給美國無線電公司（RCA）。范信達發現他的專利也在其中，便提出訴訟，最後終於在1928年獲得RCA鉅額的和解金。他用這筆錢在百慕達買了房產，和妻子回到這塊他們倆相識相戀的地方，安度晚年。 范信達在百慕達仍退而不休，繼續做各種實驗，不幸他於1932年因心絞痛猝死，享年僅65歲，一生獲得超過500項專利的發明生涯終於劃上句點。 《紐約先驅論壇報》在悼念他的報導中寫道： 「即使在科學領域，有時總會發生一人對抗世界的情況。范信達教授就是那個人。……，正是他不顧所有公認權威的強烈反對，堅持認為我們現在所稱的廣播可由連續波實現，……。對這個才是正確的人來說，他所得到的功勞太少了。」 參考資料：