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编码的奥秘

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2009-12-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《编码的奥秘pdf》,可适用于IT/计算机领域

下载第章电筒密谈假若你才岁你的好朋友与你临街而住而且你们卧室的窗户面对着面。每天晚上当父母像平常一样很早催你上床睡觉时你可能还想与好朋友交流思想、发现、小秘密、传闻、笑话和梦想没有人可以责备你毕竟,渴望交流是大多数人的天性。当你们卧室还亮着灯时你和你的好朋友可以临窗舞动手臂、打手势或以身体语言来交流思想但复杂一些的交流就有些困难了。而且一旦父母宣布“熄灯”交流也就无法继续进行了。如何联系呢?用电话吗?岁的小孩子屋里有电话吗?即使有你们的谈话可能被偷听。如果家里的电脑通过电话线联了网它可能会提供无声的帮助不过很不幸它也不会在你的房间里。你和朋友采用的方法是用手电筒。所有的人都知道手电筒是为孩子们藏在被窝里看书而发明的它也适合在黑暗中用来交流。它无声无息且光的方向性很好不会从卧室的门缝中泄露而使家人起疑。用手电筒的光可以交谈吗?这值得一试。一年级你就学过在纸上写字母和单词把这种方法运用到手电筒上看起来也合情合理。你所需做的就是临窗而站用光画出字母。画字母‘O’就打开电筒在空中画个圈然后关上开关字母‘I’则是画竖直的一笔。但是你很快发现这种方法行不通当你注视来去飞舞的光柱时会发现在脑海中将它们组合起来不是件容易的事这些光划成的圈圈杠杠太不准确了。也许你曾经看过一部电影影片中两个水手隔海用闪烁的光传递消息。在另一部电影中一个间谍用镜子反射阳光向一间屋子中被俘获的同伙发送讯息。这就给了你启发你起先设计一种简单的交流方法使字母表中的每个字母与一定数目的闪烁相对应。A闪一下B闪两下C闪三下如此递推Z就闪烁下。BAD这个词由字母间有间隔的两闪、一闪、四闪组成这样你不会误以为它是闪七下的字母G了。词间的停顿则比字母间的停顿时间稍长一些。这看起来很有希望采用这种方法的优点是你不需要在空中挥舞手电简只需对准方向按开关就行了缺点是你试图发送的第一个消息(“Howareyou”)就需要次闪烁更糟的是你忘了定义标点符号所以无法表示句尾的问号了。这离问题的解决已经很近了你想别人以前肯定也遇到过类似的问题你解决它的思想一定是正确的。为了解决问题白天的图书馆之行使你发现了神奇的摩尔斯电码(morsecode)这正是你想要的即使你不得不重新学习如何“写”字母表中的字母。以下就是区别:在你发明的体系中每个字母是一定数目的闪烁从闪烁一下的A到闪烁的Z而在摩尔斯电码中有长短两种闪烁当然这会使摩尔斯电码更为复杂但它在实际应用中却被证实是更有效的。那句“Howareyou?”现在仅需次而不是次闪烁而且这还包含了问号。在讨论摩尔斯电码的工作原理时人们并不说“长闪烁”、“短闪烁”他们使用“点(dot)”和“划(dash)”因为这样易于在印刷品上表示。在摩尔斯电码中字母表中的每一个字母与一个点划序列相对应正如在下表中你所看到的:尽管摩尔斯电码与计算机毫不相关但熟悉它的本质却对深入了解计算机内部语言和软硬件的内部结构有很大的帮助。在本书中编码或代码(code)通常指一种在人和机器之间进行信息转换的系统(体系)。换句话说编码便是交流。有时我们将编码看成是密码(机密)其实大多数编码并不是的。大多数的编码都需要被很好地理解因为它们是人类交流的基础。在《百年孤独》的一书的开篇马尔克斯回忆了一个时代那时“世界一片混沌许多事物没有名字。为了加以区别才给事物各个命名。”这些名字都是随意的没有什么原因说明为什么不把猫称为狗或不把狗称为猫。可以说英语词汇就是一种编码。我们用嘴发出声音组成单词这些词可以为那些听得到我们声音理解我们所用语言的人所听懂我们称这种编码为“口头语言”或“语音”。对写在纸上(或凿在石头上、刻在木头上或通过比划写在空气中)的词还有一种编码方式那就是我们在印刷的报刊杂志和书籍上看到的字符称之为“书面语言”或“文本”。在许多语言中语音和文本间有很强的联系。例如在英语中字母或一组字母与一定的读音相对应。手势语言的发明帮助了聋哑人进行面对面的交流。这是一种用手和胳膊的动作组合来表达词语中的单个字母、整个词及其基本概念的语言。对盲人来说他们可以使用布莱叶盲文(Braille)。这种文字使用凸起的点代表字母字母串和单词。当谈话内容要被迅速地记录下来时缩写和速记是很有用的。人们在相互沟通时使用了各种不同的编码因为在不同的应用场合其中的一些较其他的更为简便。例如语言不能在纸上存储所以使用了文字语言、文字不适合用来在黑夜中安静地传递消息故摩尔斯电码是一个方便的替代品。只要一种编码可以适用于其他编码所不能适用的场合它就是一种有用的编码。以后将看到计算机中使用了不同的编码来传递和存储数字、声音、音乐、图像和视频(电影)。计算机不能直接处理人类世界的编码因为它不能模拟人类的眼睛、鼻子、嘴和手指来接收信息。尽管这些年来计算机的发展趋势使我们的桌上电脑具有捕获、存储、处理和提供人类交流中所使用的各种信息的能而且不论这些信息是视觉的(文字和图片)、听觉的(语言、声音及音乐)还是两者的混合(动画和电影)。所有这些信息都要求使用它们自己的编码方式正如交谈需要使用人的某些器官(嘴和耳朵)而书写和阅读则需要使用另外一些编码的奥秘下载器官(手和眼睛)一样。用手电筒发送摩尔斯电码时电筒的开关快速地合开代表一个点让电筒照亮稍长的时间则代表一个划。举例来说发送字母A要先快速地合开开关然后再稍慢些合开。在发送下一个字母前要有短暂的停顿。约定划的时间大约是点的倍。例如如果点的照亮时间为秒那么划就是秒。(实际上摩尔斯电码的传递速度要快得多。)接收者看到了短闪和长闪就知道是A。摩尔斯电码中点划之间的间隔是极为关键的。例如发送字母A时点划之间的间隔应与一个点的时间大致相同(如果点的时间是秒那么间隔的时间也是秒)。同一个词中字母间间隔稍长约为划的持续时间(或者秒如果那是划的持续时间的话)。下面是单词“hello”对应的摩尔斯电码图中示意了字母间的间隔(隙):单词之间相隔大约倍于划的时间(如果划是秒那么间隔即为秒)。下面是“hithere”对应的编码(码字):手电筒开和关的时间长度并没有限定这取决于点的时间长度点长又由手电筒开关触发的速度和摩尔斯电码发送者记忆电码的熟练程度来决定熟练发送者的划也许与生手的点等长。这个小问题会使接收电码有些困难但在一两个字母之后接收者通常就可以辨认出哪个是点哪个是划了。粗看起来摩尔斯电码的定义这里所谓的定义是指与字母表中的字母相对应的各种点划序列与打字机字母的排列一样是随意的。但仔细观察后你会发现不完全如此简短的码字分配给了使用频率较高的字母例如E和T爱赌博的人和“财富之轮”爱好者可能一下就注意到了这个问题不常用的字母如Q和Z(它们在赌局中是点)则分配以较长的码字。几乎所有人都知道一点儿摩尔斯电码国际遇险信号SOS的摩尔斯电码为“三点三划三点”。SOS并非缩写选择它仅仅因为它有一个易记的摩尔斯电码序列。第二次世界大战中英国广播公司选用贝多芬第五交响曲中的片段作为节目前奏BAH、BAH、BAH、BAHMMMMM听起来颇像摩尔斯电码中V(代表Victory)的码字。摩尔斯电码的一个缺点是它没有对大小写字母进行区分。除表示字母外摩尔斯电码还用位长的码字来表示数字:这些数字的码字看起来还有些规律(相对于字母对应的码字而言)。大多数标点符号的码字采用位、位或位的码长:第章电筒密谈下载对欧洲一些语言中的重音字母以及一些有特殊用途的缩写定义了特别的码字SOS就是这样一个缩写:发送时每个字母的码字之间仅有一点的时间间隔。如果有特制的用于发送摩尔斯电码的手电筒你和朋友之间的交流就方便多了。这种手电筒除了常有的开关还有一个按钮按压按钮就可以控制电筒的亮灭。经过练习后你们每分钟可以发送和接收~个单词。虽然仍比交谈慢(大概每分钟个词左右)但已足够用了。当你和朋友最终熟记了摩尔斯电码时(这是唯一精通发送接收的方法)你也可以用它代替日常用的语言。为了达到最高的速度可以发“滴(dih)”音代表点、“嗒(dah)”音代表划。摩尔斯电码同样也可将文字简化为用点和划两个符号表示。以上的关键在于“两”这个词“滴、嗒”两个声音“点、划”两种方式。实际上任何两种不同的东西经过一定的组合都可以代表任何种类的信息。编码的奥秘下载下载第章编码与组合摩尔斯电码由萨缪尔·摩尔斯()发明本书后面会在多处提到他。摩尔斯电码是随着电报机的发明而产生的电报机我们以后也还要做详尽的说明。正如摩尔斯电码很好地说明了编码的本质一样电报机也提供了理解计算机硬件的良好途径。大多数人认为摩尔斯电码的发送易于接收即使你没有记住摩尔斯电码也可以方便地借助下面这张按字母顺序排列的表发送:接收摩尔斯电码并将其翻译回单词比发送费时费力多了因为译码者必须反向地将已编码的“滴嗒”序列与字母对应。例如在确定接收到的字母是“Y”之前必须按字母逐个地对照编码表。问题是我们仅有一张提供“字母→摩尔斯电码”的编码表而没有一张可供逆向查找的“摩尔斯电码→字母”译码表。在学习摩尔斯电码的初级阶段这张译码表肯定会提供很大的便利。然而如何构造译码表却毫无头绪因为我们似乎无法找出这些按字母顺序排列的“滴嗒”序列的规律。那么忘记那些字母序列吧也许按照码字中“滴”“嗒”的个数来排列会是个更好的尝试。例如仅含一个“滴”或“嗒”的摩尔斯电码序列只可能代表E或T这两个字母之一:两个“滴”或“嗒”的组合则代表了个字母I、A、N、M:三个“滴”或“嗒”的序列代表了个字母:最后(如果不考虑数字和标点符号的摩尔斯电码)四个“滴”或“嗒”的序列则共代表了个字母:四张表共包括=个编码可与个字母相对应比拉丁字母所需的个字母还多了个。出于这个原因在最后一张表中你可能注意到有个编码与重音字母相对应。在翻译别人发送的摩尔斯电码时上面张表提供了极大的便利。当你接收到一个代表特定字母的码字时按其中含有的“滴”“嗒”个数至少可以跳到其对应的那张表中去查找。每张表中全“滴”的字母排在左上角全“嗒”的字母排在右下角。你注意到张表大小的规律了吗?每张表都恰好是其前一张表的两倍大小。这其中包含的意义是:前一张表的码字后加一个“滴”或加一个“嗒“即构成了后一张表。可以按下面的方式总结这个有趣的规律:点划数码字数四张表中每张码字数都是前一张的两倍那么如果第一张表含个码字第二张表则含×个码字第三张表××个码字。以下是另一种表达方式:点划数码字数××××××当然如果遇到数的自乘可以用幂表示例如×××可以写成。数字、、、分别是的、、、次幂因为可以用依次乘的方法将它们计算出来。由此我们的总结还可以写成下面的方式:点划数码字数编码的奥秘下载这张表简单明了码字数是的次方次方数目与码字中含有的“滴”“嗒”数目相同。我们可以把表总结为一个简单的公式:码字数=“滴”与“嗒”的数目很多编码中都用到的幂在下一章中我们会看到另一个例子。为了使译码的过程更为简便可以画出如下一张树形图:这张表表示出了由“滴”与“嗒”的连续序列得出的字母。译码时按箭头所指从左到右进行。例如你想知道电码“滴嗒滴”代表的字母那么从最左边开始选择点沿箭头向右选择划接着又是点得出对应的字母是R它写在最后一个点的旁边。如果认真考虑会发现事先建立这样一张表是定义摩尔斯电码所必需的。首先它保证了你不会犯给不同的字母相同码字的错误!其次它保证你使用了全部的可用码字而没有使“滴”与“嗒”的序列毫无必要的冗长。我们可以加长码字至位或更长位长的码字又提供了额外的(××××或)个码字。一般而言这就足够个数字和个标点符号使用。实际上摩尔斯电码中的数字确实是位的但在许多其他编码方式中位码字常用于重音字母而不是标点符号。为了包含所有的标点符号系统必须扩充至位表示提供个附加编码此时系统可表示共个字符。这对摩尔斯电码而言太多了以至于留下许多“未定义”的码字。此处“未定义”指不代表任何意义的码字如果在你接收的摩尔斯电码中有未定义的码字就可以肯定发送方出了差错。由于推出了下面这条公式:码字数=“滴”与“嗒”的数目我们就可以继续导出更长的码字位数所代表的码字数目。很幸运我们不必为确定码字数目而写出所有可能的码字我们所要做的不过是不断地乘而已:第章编码与组合下载点划数码字数==========摩尔斯电码被称为二元码(binarycode)因为编码中仅含“滴”和“嗒”。这与一个硬币很相似硬币着地时只可能是正面或反面。二元事物(例如硬币)、二元编码(例如摩尔斯电码)常常用的乘方来描述。上面所做的对二元编码的分析在数学上的一个分支组合学或组合分析里只能算是一个简单的练习。传统上由于组合分析能够用来确定事件出现的几率例如硬币或骰子组合的数目所以它常用于概率统计但它也同样有助于我们理解编码的合成与分解。编码的奥秘下载下载第章布莱叶盲文与二元编码摩尔斯不是第一个成功地将书写语言中的字母翻译成可解释代码的人他也不是第一个因为其编码而受到人们纪念的人享有这个荣誉的是一个晚摩尔斯年出生的早慧的法国失明少年。虽然人们对他的生平所知甚少但就是所知的这一些却足以给后人留下深刻印象。路易斯·布莱叶年出生于法国的Coupvray他的家乡在巴黎以东英里父亲以打造马具为生。岁时在这个本不该在父亲作坊里玩耍的年龄小布莱叶意外地被尖头的工具戳中了眼睛。由于伤口发炎感染了另一只眼他从此双目失明。布莱叶原本注定在贫困潦倒中度过一生(正如那时大多数盲人一样)但他的聪明才智和求知欲不久即显露了出来。在本地牧师和一位学校老师的帮助下布莱叶和其他孩子一道上了学岁那年又前往巴黎的皇家盲人青年学院学习。盲人教育的一大障碍就是他们无法阅读印刷书籍。ValentinHaüy()巴黎学校的创始人发明了一种将字母凸印以供触摸阅读的方法。但这种方法使用起来较为困难并且只有很少的书籍用这种方法“制造”。视力正常的Haüy陷入了一种误区。对他而言字母A就是A它看起来(或感觉起来)也必须像是个A。(如果给他手电筒作为交流工具他也会试图在空气中画出字母的形状而我们已经知道这种方法并不有效。)Haüy也许没有意识到一种与印刷字母完全不同的编码会更适于盲人使用。另一种可选的编码有一个出人意料的起源。法国陆军上尉CharlesBarbier在年发明了一种他自称为écriturenocturne的书写体系这种体系也被称为“夜间文字。他使用厚纸板上有规律凸起的点划来供士兵们在夜间无声地传递口信(便条)士兵们使用尖锥状的铁笔在纸的背面刺点和划凸起的点可以用手指感觉阅读。Barbier体系的问题是其过于复杂。Barbier没有用凸起的点来代表字母表中的字母而是用其代表声音。这样的系统中一个单词通常需要许多码字表达。这种方法在野外传递短小消息还算有效但对长一些的文章而言则有明显不足更不要说是整本的书籍了。布莱叶在岁时就熟悉Barbier方法了他喜欢使用这些凸点不仅因为它们易于用手指阅读更因为它们易于书写。教室里拿着铁笔和纸板的学生可以记笔记供课后阅读。布莱叶勤奋地工作试图改进这种编码系统。不出年(在他岁时)他创建了自己的系统其原理直到今天还在使用。布莱叶系统有很长时间仅局限在他所在的学校使用后来它逐渐扩散到世界各地。年布莱叶染上了结核病。年在他岁生日过后不久他便去世了。时至今日布莱叶系统的改进版本甚至可以与有声录音带竞争它为盲人提供了与书写世界联系的途径。布莱叶方法仍是适于既聋又盲的人阅读的唯一方法。近来年随着电梯和自动语言机的普及布莱叶系统更加广为人知。本章将剖析布莱叶编码的编码方法及其工作原理不过不必真正学习布莱叶编码或记住任何东西我们只要大概了解一下编码的本质就行了。布莱叶编码中普通书写语言的每个字符具体而言如数字、字母和标点符号都被编码成局限在×小格中一个或多个凸起的点。这些小格一般被标记为~:在当今实际使用中特殊的打字机或刻印机可以在纸上打出布莱叶编码中的小点。由于在书中夹印几页布莱叶编码极其昂贵我们使用了在通常印刷品中常用的布莱叶码的表示方法。在这种表示方法中小格中的个点全部印刷出来大点代表小格中的凸起点小点则代表平滑的点。例如下图中的布莱叶字母中点、、是凸起的点、、则没有:在这里吸引我们的问题是:点是二元的。一个特定的点不是凸起的就是平滑的那么个点的组合数目就是×××××或()。因此布莱叶编码系统可以代表个不同的码字。以下就是所有的个码字:如果我们发现布莱叶编码只用了个码字中的一部分我们会疑问为什么个码字中有一些不被使用如果发现布莱叶编码使用了多于个的码字则又会让人怀疑我们是否神志清醒或数字计算的真实性乘是等于吗?分析布莱叶编码还是从基本的小写字母开始:编码的奥秘下载举例来说短语“youandme”在布莱叶编码中看起来是这样的:注意代表同一个单词中的字母的小格用一个小距离分隔大一些的距离(一般是没有凸点的小格)用来分隔不同的单词。这就是布莱叶发明的布莱叶编码的基础布莱叶还为法文中出现的重音字母设计了码字。注意W没有对应的码字这时由于在古法语中没有W(不必担心这个字母最终还是会露面的)。这样算来我们仅使用了个码字中的个。通过仔细的检查会发现上面的布莱叶编码存在特定的规律。第行(从字母a~j)只用了小格的上面个点点、、、第行除了点凸起外其余都与第行相同第行则除了点、凸起外其余都与第行相同。在布莱叶之后布莱叶编码在许多方面有了扩展现在大多数英语出版物所使用的系统是二级布莱叶码。二级布莱叶码采用了许多缩写来简化编码树以提高阅读速度。以下的三行(包括“完整的”第行)显示了下面这些词的码字:因此在二级布莱叶码中短语“youandme”被写成如下形式:到现在为止已描述了个码字词间没有凸起点的空格和三行每行个用于字母和单词的码字。这离理论上可用的个码字还相距甚远。不过我们将要看到在二级布莱叶码中没有任何浪费的码字。首先我们使用a~j的编码加上凸起的号点。它们代表词中的缩写这其中包括W和另一个词的缩写:举例来说“about”可以用二级布莱叶码写成如下形式:其次可以把代表字母a~j的码字中的点下移一行即仅使用点、、和。这些码字根第章布莱叶盲文与二元编码下载据上下文代表标点符号或缩写:头个码字代表逗号、分号、冒号和句号。注意左括号和右括号用同一个码字代表但左引号和右引号则使用了不同的码字。已经有个码字了。接下来的个码字使用点、、、尚未使用的组合来表示缩写和几个额外的标点符号:“ble”的码字非常重要因为当它不是单词的一部分时它表明其后跟随的码字要被翻译成数字这些数字的编码与a~j的编码相同:由此如下码字的序列代表数字:如果你一直在计数的话我们还需要个码字才能达到总计的个码字。下面就是剩余的个码字:第一个(点凸起)是重音字母标识符其余的作为一些缩写的前缀也用于其他用途:点、凸起时(本行的第个码字)该码字代表数字中的小数点或强调标识符这由上下文决定。点、凸起时码字则是与数字标识对应的字母标识。最后(也许你正在疑惑布莱叶编码如何表示大写字母)我们用号点来作为大写标识它表明其后跟随的字母是大写的。例如可用如下的码字写出该编码创始人的名字:这包含大写字母标识、字母l、缩写ou、字母i和s空格另一个大写字母标识字母b、r、a、i、l、l和e(在实际应用中该名字还可以再删掉最后两个不发音的字母)。总结一下我们已经看到了个元素(凸点)如何恰好形成个码字。这个码字根据上下文大多有双重含义其中有数字标识以及取消数字标识作用的字母标识。这些标识改变了跟随其后的码字的含义从字母变数字或从数字变字母。起这种作用的码字常被称为“先行码前置码”或“转义码”它们更改其后字符的含义直至更改作用被取消。大写标识表示其后的字母(也仅有字母)应写成大写这种码字被称为“换码代码”。“换码代码”使你“避免”那种单调的、常规的码字解释而转入一种新的解释方法。在以后几章中可以看到当把书面语言转换为二元码字时“换码代码”和“转义码”的使用是很普遍的。编码的奥秘下载下载下载第章手电筒剖析手电筒的用途极为广泛用于在黑暗的遮盖物里阅读和用于发送编码消息只是两个用途最明显的方面。最普通的家用手电筒也能在教学演示中说明神秘物质电(electricity)时扮演中心角色。电是一种令人称奇的现象尽管它已得到普遍应用但依然还保持着很大的神秘性即使对那些自称已经弄清楚它的工作原理的人而言也是这样。但恐怕不管怎么样我们都必须好好努力钻研一下电学。幸运的是我们只需要明白一小部分基本概念就可以理解它在计算机中是怎样应用的。手电筒当然是一种大多数家庭都拥有的较简单的电器。拆开一支有代表性的手电筒你会发现它包括一对电池一个灯泡一个开关一些金属片和一个把所有零件装在一起的塑料筒。只用电池和灯泡就可以自己做一个简单的手电筒。当然还需要一些短的绝缘线(末端的绝缘皮除掉)和足够多的连接物:注意上图右边两个松开的线端(头)那就是开关。如果电池有电并且灯泡也没有烧坏的话接触两个线端灯就亮了。这是我们要分析的头一个简单电路首先要注意的是电路是一个回路。只有从电池到电线、到灯泡、到开关、再回到电池的路径是连续畅通的灯泡才会亮。电路中任何一点断开都会引起灯泡的熄灭。开关的目的就是控制电路开闭这个过程。电路环接的特性提示我们有某种物质在电路中循环移动可能与水在水管里流动有某些相似。“水与水管”的类比常用来解释电的工作机理但最终它也像其他类比一样不可避免地解释不下去了。电在宇宙中是独一无二的必须用它的术语来解释它。在对电的工作的理解中最流行的科学理论是电子理论(electrontheory)该理论认为电起源于电子的运动。众所周知一切物质我们能看到、感觉到的东西(通常)是由极其微小的被称为个电子、个质子和个中子说明这是一个锂原子。锂是已知的种元素之一它们的原子序数由~。一种元素的原子序数是指元素的原子核中质子的个数通常也是其电子数。锂的原子序数为。原子能够通过化学合成形成分子分子与组成它的原子的性质通常是不同的。比如水分子包含两个氢原子和一个氧原子(即HO)。显然水既不同于氢气也不同于氧气。同样食盐分子由一个钠原子和一个氯原子构成而钠和氯都不可能成为法国馅饼的调味品。氢、氧、钠、氯都属于元素水和食盐都属于化合物。但是盐水是一种混合物而不是化合物因为其中水和食盐都保持它们各自的性质不变。一个原子的电子数通常等于其质子数。但在某种特定环境下电子能从原子中电离出来这样电就产生了。单词electron和electricity都源于古希腊词hlektron(elektron),你可能猜它的意思就是“极其微小而不可见的东西”。但事实并非如此hlektron的真正意思是“琥珀”一种玻璃状的硬质树液。这个看似不相关的词源来自于古希腊人所做的实验他们用琥珀与木头相摩擦而产生我们今天所说的静电。在琥珀上摩擦木头使木头从琥珀获得电子结果木头所含的电子数多于质子数而琥珀所含的电子数小于质子数。在更多的现代实验中地毯能从鞋底获得电子。质子和电子具有带电荷的特性质子带正电荷()、电子带负电荷(-)。中子是中性的不带电。即便我们用加减号来标明质子和电子但符号并不表示算术运算中的加号和减号的意思也不表示质子拥有某些电子所不具备的东西。使用这些符号仅仅表示质子和电子在某个方面性质相反。这个相反的特性也正表明了质子和电子是如何相互关联的。当质子数与电子数相等时它们是最适合和最稳定的。质子数与电子数的不平衡会导致它们趋于平衡。静电火花就是电子运动的结果是电子从地毯通过你的身体再流回到鞋子的过程引起的。描述质子和电子关系的另一条途径是注意观察异电性相吸同电性相斥的现象但光凭看原子结构图我们是不能猜想到的。表面上看原子核中挤在一起的质子是互相吸引的。质子是通过比同性斥力大的某种力聚合在一起的这种力叫强内力。释放核能的原子核裂变就是由于强内力导致的。本章只讨论通过得失电子获得电(电能)的问题。静电不只存在于手指触摸门把手时闪出的火花之中。暴风雨时云层的下层积累电子而–à´ºµ˜°´ˆØ下载云层的顶层失去电子闪电的瞬间电子的不平衡马上消失。闪电正是大量的电子迅速从一端转移到另一端的结果。手电筒电路中的电能显然比电火花或闪电之中的电能要好利用得多。灯泡能稳定持续地亮是因为电子并不是从一点跳到另一点。当电路中的一个原子把一个电子传给邻接的另一个原子时它又从另一个邻接的原子获得电子而这个原子又从它的一个邻接原子获得电子如此依次循环。可见电路中的电就是从原子到原子的电子通路。这不可能自发形成。仅仅只把一些破旧的电路材料连接在一起是不可能有电能产生的需要某种可以激发电子环绕电路移动的物质。再分析一下前面所画的简单手电筒电路图可以肯定激发电子运动的既不是电线也不是灯泡那么最有可能的就是电池了。几乎每一个人都多少了解手电筒里所用电池的类型方面的一些知识:•它们都呈管状且大小不同。比如有D、C、A、AA和AAA等型号。•无论电池大小怎样它们都被标有“伏”。•电池的一端是平的标有一个负号(-)另一端中间有一个小突起标有一个正号()。•要想设备正常工作就要正确安装电池(注意电池极性)。•电池的电能最终将用尽。有的电池可以充电有的不行。•由此可以猜测电池是用某种奇特的方式产生电能。所有的电池中都发生着化学反应一些分子裂变成其他分子或者结合形成新的分子。电池中有化学物质这些化学物质就是用来起反应从而在标有(-)的电池的一端(称为负极或阴极)产生多余的电子而在电池的另一端(称为正极或阳极)需要得到电子。这样化学能转化为电能。只有当某种特别的电子通过某条途径从电池负极出发然后再传送到正极时化学反应才能发生。因此假如一节空电池放在那里那么什么事也不会发生(事实上化学反应还是在进行的只是速度极慢)。只有一条电路能将电子运离负极又为正极提供电子时反应才会发生。电子在下图电路中是沿逆时针方向运动的:如果不是基于这个简单的事实:所有的电子不管来自什么地方都是一模一样的否则来自电池的化学物质里的电子就不可能如此随意地与铜导线的电子混合在一起的。铜导第章手电筒剖析下载线的电子与任何其他电子是没有区别的。注意两个电池都是向着同一个方向。放在下面的电池的正极从上面电池的负极获得电子这样两个电池就好像结合形成了一个更大的电池这个大电池一端为正极另一端为负极其电压是伏而不是伏了。如果把电池中的一个倒置电路就会连不通如下图所示:在化学反应中两个电池的正极都需要获得电子但由于它们相互接触电子无法通过某种途径到达它们。如果两个电池的正极连上了,那么它们的负极也应该连上如下图所示:这样的电路还是能连通。电池的这种连接方法称为并联前一种连接方法称为串联。并联后的电压与单个电池电压同样都是伏。并联后的灯仍然可能亮但不如串联时亮度大不过电池的寿命将会是串联时的两倍。通常认为电池为电路提供电能但同样也可以认为电路为电池化学反应的发生创造了条件。电路将电子从负极传送到正极。电路中的化学反应将一直进行到所有的化学物质耗尽这时你就需要换电池或是给电池充电了。电子从电池的负极到正极流经了导线和灯泡。为什么需要导线?电不能通过空气传导吗?噢可以说能也可以说不能。电能够通过空气导通(尤其是潮湿的空气)否则也观察不到闪电。但电不能很轻易地流经空气。一些物质的导电能力比其他物质的导电能力明显要好。元素的导电能力取决于它内部的原子结构。电子绕核旋转是在不同的轨道上的这些轨道称为层。最外层只有一个电子的原子最容易失去那个电子这正是导电需要具备的性质。这些物质易导电因而被称为导体。铜、编码的奥秘下载银和金都是良好导体这三种元素位于元素周期表的同一列不是巧合。铜是最常用的导线材料。导电物质的对立物质称为绝缘物质。一些物质阻碍电的能力比其他物质阻碍电的能力强这种阻碍电的能力称为电阻。如果一个物质有很大的电阻说明它根本不能导电它就被称为绝缘体。橡胶和塑料都是很好的绝缘体因而它们常用来做电线的绝缘皮。在干燥空气的情况下布料和木材也是很好的绝缘体。其实只要电压足够高任何物质都能导电。铜的电阻很小但它仍有电阻。导线越长电阻越大。如果你用数里长的导线连接手电筒导线的电阻将会大得令手电筒不亮。导线越粗电阻越小这可能有点违反直觉。你也许认为粗的导线需要更多的电来“充满它”。而事实上导线越粗电子越容易通过它。我已经提到过电压只是还没有给出它的定义。一节电池为伏特意味着什么呢?实际上电压得名于CountAlessandroVolto()他于年发明了第一节电池是初等电学中较难理解的概念之一。电压表征电势能的大小无论一节电池是否被连通电压总是存在的。假设有一块砖头。如果把它放在地上它的势能很小。当你把它举起至离地面英尺高时它的势能就增加了。你只要把砖块扔下就能感觉到势能的存在。当你在一座高楼的顶层举着砖块时它的势能更大。上面三个例子里你只是拿着砖块而什么也没做但砖块的势能却不同。电学里更早的一个概念是电流。电流取决于电路中飞速流动的电子的数量。电流用安培来度量它得名于AndréMarieAmpére()一般简称安比如“安的保险丝”。当个电子在秒内流过一个特定的点时就是安培电流。用水和水管作个类比。电流与流经水管的水量很相似而电压类似于水压电阻类似于水管的粗细程度水管越小、阻力越大。因此水压越高流过水管的水量越大水管越小流过它的水量就越少。流过水管的水量(电流)与水压(电压)成正比而与水管的阻力(电阻)成反比。在电学中如果知道电压和电阻的大小就可计算出电流的大小。电阻物质阻碍电流通过的能力用欧姆度量得名于GeorgSimonOhm()他提出了著名的欧姆定律定律中表述I=ER这里I表示电流E表示电压R表示电阻。举个例子让我们看一节空置的电池:它的电压E为伏这是电势能。因为电的正负两极只被空气导接因而电阻(用R表示)非常、非常大这就意味着电流I等于除以一个巨大的数电流几乎为。现在用一根短铜导线连接电池的正负两极(从现在开始本书中导线外的绝缘皮不再表示出来):第章手电筒剖析下载我们已经知道这是短路。电压仍是伏但电阻很小这时电流等于除以一个很小的数也即意味着电流很大。很多很多的电子将流过导线。实际上电流将受到电池物理大小的限制。电池不可能导通如此大的电流且实际电压也将低于伏。如果电池足够大导线将会发热因为电能转化为了热能。如果导线变得很热它将会发光(辉光放电)甚至可能熔化。绝大部分电路都介于这两个极端之间。可以把它们统一表述为如下图:电气(子)工程师用折线来表征电阻。这里它表示电阻不是特别大也不是特别小。如果导线的电阻很小导线将发热发光这就是白炽灯的工作原理。白炽灯泡是由美国最著名的发明家托马斯·爱迪生()发明的。在他致力于发明灯泡的时候(年)这个思想已被普遍接受并且同时还有不少其他发明家在研究这个问题。灯泡里的细线叫灯丝通常用金属钨做成。灯丝的一端连在基座底部的尖端另一端连在金属基底的一个侧面用一个绝缘体将它与尖端分开。细线的电阻使它发热。如果暴露在空气中钨就会由于达到燃烧温度而烧起来。但在灯泡的真空里钨丝就发亮了。大多数普通手电筒用两节电池组成一组总电压是伏。且选用电阻大约为欧姆的灯泡。这样电流等于除以即安培也就是毫安。这就意味着每秒钟有个电子通过灯泡。(注意如果你用欧姆表直接测量手电筒灯泡的电阻你只会得到一个比欧姆小得多的结果。这是因为钨的电阻还与它的温度有关系温度越高电阻越大。)你可能已经发现你买回家的灯泡上标记了特定的瓦特数。瓦特这个名词取自于著名的蒸气机发明家詹姆斯·瓦特()。瓦特是功率P的单位它用下式计算P=E×I手电筒是伏安培那么灯泡的功率就要求瓦特。家用照明灯大约为瓦特这是为家用电压伏设计的。在这种情况下电流为瓦除以伏即大约安培。因此瓦特灯泡的电阻为伏除以安培即欧姆。到此我们大致分析了手电筒的每一个组成部分电池、导线和灯泡。但是我们遗漏了一个最重要的部分、对是它的开关。开关控制电路的开闭。当开关允许电流动时我们说它是开的或合上的而关的或断开的开关是不允许电流动的。(这里所表示的开、关的状态正好与门相反合上的门不允许事物通过的而合上的开关允许电通过。)开关或开或关电流或有或无灯泡或亮或不亮就像摩尔斯和布莱叶发明的二元码一样简单的手电筒或亮或不亮它没有中间状态。二元码与电气电路之间的相似性将在后面的章节中起很大作用。编码的奥秘下载下载第章绕过拐弯的通信你岁了。一天你最要好的朋友一家要搬到另一个镇上去了。此后你经常和他在电话里聊天但电话交谈与那些后半夜的手电筒摩尔斯电码会话完全不一回事。住在你隔壁的另一个好朋友最终成为你新的最要好的朋友。现在到了该教你的新朋友一些摩尔斯电码让后半夜的手电筒重新亮起来的时候了。问题是你的新朋友的卧室窗户与你的不是面对面的。房子是挨着的卧室的窗户都朝着同一个方向。除非你想办法在室外支起一些镜子否则手电筒现在是不能适用来在黑夜中通信的。怎么办呢?现在你可能已经知道有关电的一些知识了因此你决定用电池、灯泡、开关和导线来做自己的手电筒。最初的实验中你在你的卧室里接好电池和开关。两条导线接出你的窗子跨过篱笆再接进你朋友的卧室并在那里再连好灯泡:尽管图中只示意了一节电池但实际上你可能得用两个。在下面和以后的图中用下图表示断开的开关:用下图表示闭合的开关:本章的手电筒与上一章中手电筒的工作原理是相同的尽管本章的手电筒中连接组件的导线要长得多。当你闭合开关时你朋友那边的灯泡就亮了:你的房子你朋友的房子你的房子你朋友的房子现在你可以用摩尔斯电码来发送消息了。一旦有一个手电筒起作用你可以做另一个远距离手电筒好让你的朋友可以发送消息给你:祝贺你!你已经装上了一个双向电报系统。你可能注意到这两个相似的电路彼此完全独立而没有联系。理论上你可以给你的朋友发送消息而同时你的朋友也可以给你发送消息(尽管对于你的大脑而言同时阅读和发送消息可能比较困难)。聪明的你发现如下改装电路能让你节省的导线:注意现在两个电池的负极接在一起了。两个回路(电池到开关到灯泡再到电池)仍是独立工作尽管它们连在一起像连体双胞胎。这种连接叫公用连接。在这个电路中公用部分从左端灯泡和电池的接合点直到右端灯泡和电池的接合点。图中接合点用黑点标记出来了。进一步分析一下。首先当你按下开关你朋友那边的灯就亮了。图中浅色回路中有电流流过:在电路的其余部分里没有电流流过因为没有了可让电子通过的回路。当你不发消息而你的朋友发消息时你朋友房间里的开关控制你房间里灯泡的亮灭。在编码的奥秘下载你的房子你朋友的房子你的房子你朋友的房子你的房子你朋友的房子下图浅色回路中有电流流过:当你和你的朋友想要同时发消息时有时两个开关同时断开有时一个断开一个闭合有时两个同时闭合。在最后一种情况下电路中电的流动如下图所示:公用部分(两个接合点之间)没有电流流过。通过公用部分把两个独立电路连接成一个电路已经把两栋房子之间的四条导线减少到了三条也即减少了的导线开支。如果不得不接很长距离的线路我们可能会想到再减少一根导线。但不幸的是对于伏的D号电池和小灯泡这是不合适的。如果用的是伏的电池和大得多的灯泡时那就有办法了。这是个窍门:如果你要搭建电路的公用部分你不需要任何导线。你可以用另外某种东西取代它。你所用的取代物是一个直径大约为英里由金属、岩石、有机物等多为无生命的物质组成的巨大球体。它就是地球。上一章描述的良导体中有银、铜和金。事实上地球不是一个很好的导体尽管某些部分(如沼泽)的导电性能比其他部分(如干沙漠)要好得多。但我们知道导体越大越好一根很粗的导线比一根很细的导线要强得多。这是地球的优势它的确非常非常大。要用地球做导体并不是把一根小细线插到马铃薯旁边的地里就可以了。你还必须使用某种东西以维持和地球的真正接触这也就是需要一个大面积的导体。一个很好的解决办法是用一根至少英尺长英寸粗的粗铜柱它能提供与地面平方英寸的接触。你可以用一个大锤子把它砸进地下然后再接一根导线。如果你家的水管是铜质的且从房子外的地下接进来的话那么你只要把一根导线与水管相连就可以了。与地球的电性连接(也就是我们常说的接地)在英国叫earth,在美国叫ground。用ground可能会引起一点点儿误会因为它也经常用来指电路的公用部分。本章除非特别声明否则ground都指与地球的物理连接。画电路图时常用下面这个符号表示接地:第章绕过拐弯的通信下载你的房子你朋友的房子你的房子你朋友的房子电气工程师们使用这个符号是由于他们不喜欢费时间画一个埋在地下的英尺长的铜柱。让我们来看看它是怎么工作的。从分析单回路开始:如果你使用的是高压电池和大灯泡你只需要在你和你朋友的房子之间接一根导线因为你可以用大地来做导体:当你断开开关电子的流动如下图所示:电子从你朋友房子的地下出发通过灯泡、导线和你房间里的开关然后进入电池的正极。电子由电池的负极进入地下的。也许你还真的很想看到电子从埋在你家后院的英尺长的铜柱进入地下飞速地通过大地到达埋在你朋友家后院的铜柱。但是当你考虑到地球在为世界上数以千计的电路完成此功能时你也许会问:这些电子怎么知道该到哪儿去呢?显然它们不知道。这里要用地球的一个特殊性质来解释。是的地球是一个巨大的导体但它同时也是电子的来源和仓库。地球对于电子而言就好像大海对于水滴而言。地球的确是电子无尽的源头也是电子巨大的存储池。但是地球也有电阻这就是为什么如果用伏的D号电池和手电筒灯泡就不能用接地来减少电路开支的原因。地球对于低电压电池而言电阻实在太大了。编码的奥秘下载你的房子你朋友的房子你的房子你朋友的房子你的房子你朋友的房子你可能注意到上面两张画了电池的图中电池的负极接地了:以后将不再画接地的电池而用代表电压的字母V来代替它。单回路灯泡电报机现在如下图所示:V代表电压但它也可以表示吸取器。把V看成电子吸取器把大地看成电子的海洋电子吸取器从地下吸取电子放入回路使之工作(比如点亮灯泡)。接地有时也被看成零电势意味着没有电压存在。电压像早先解释的是一种电势能就像悬浮的砖块具有势能一样。零电势就好像摆在地上的砖块它不能再往什么地方掉下去了。在第章中我们注意到的一件首要的事情是电路是一个回路。新电路看起来一点儿都不像回路但它仍然是回路。你可以用负极接地的电池代替V然后用一根线把所有有接地符号的地方连起来你将得到与本章开始时一样的电路图。因此通过一对铜柱(或是自来水管)的帮助可以只用两根跨越你和你朋友房子之间篱笆的导线就建立起了双向摩尔斯电码系统:这个电路与先前的三线配置电路功能相同。本章已经迈出了通信改革中的关键性一步。最初我们只能通过直线视觉和在手电筒的可见范围内进行摩尔斯电码通信。使用电线不仅突破了直线视觉的限制而且通过建立系统来绕过拐弯进行通信我们还摆脱了距离的限制。只要搭造更长更长的线路就可以越过成百上千英里进行通信。对了这还不太准确。尽管铜是电学上很好的导体但它不是最完美的。导线越长电第章绕过拐弯的通信下载你的房子你朋友的房子你的房子你朋友的房子阻越大电阻越大电流越小电流越小灯泡越暗。那么导线可以造多长呢?因情况而定。假设你正在使用原来四根线的双向电路无接地和公用并且还用手电筒和灯泡。为了节省开支你先从电器行买了一些号规格的电话线每英尺$。电话线是用来连接你的扩音器和立体声系统的。它有两根导线因此它是电报系统的上佳选择。如果你的卧室与你朋友的卧室不到英尺远只用一捆电话线就够了。美国的导线粗细规格为AWG。AWG数越小导线越粗电阻越小。你所买的号规格电话线直径大约英寸每英尺大约欧姆电阻这样对于卧室之间英尺长的回路电阻为欧姆。这并不坏但如果要连上英里的线呢?线的总电阻将达到欧姆以上。回想一下上一章中灯泡电阻仅为欧姆。利用欧姆定律可以很容易地计算出电路中的电流不再是以前的安(伏除以欧)而是比安还小(伏除以欧以上)。几乎可以肯定电流的大小不够点亮灯泡。使用粗线是一个很好的解决方法但价格太昂贵。号规格线(电器行的汽车电路耦合线价格为每英尺$而且你需要双倍长度因为它只有单线)大约英寸粗英尺为欧姆即英里欧姆。另一个解决办法是增加电压使用大电阻灯泡。比如使用伏电压的瓦家用照明灯泡的电阻为欧姆。电线的电阻对于整个电路电流的影响将大大减小。接下来的是年前人们在美洲和欧洲之间搭建第一个电报系统时所面临的问题。不管电线多粗电压多高电报线还是不能无限延长。根据计划工作系统的极限为英里。这与纽约和加利福尼亚间的上千英里距离相差太多。这个问题的答案不是为手电筒而是为过去的嘀嗒电报虽说是一个简单易行的设备但是通过它整个计算机得以构造。编码的奥秘下载下载第章发报机与断电器年萨缪尔·摩尔斯生于马萨诸塞州的查尔斯顿镇该镇是邦克山之战的地点也是波士顿东北重镇。摩尔斯出生那年美国宪法刚实施两年乔治·华盛顿出任美国第一个任期的总统职务。Catherine大帝统治俄国。路易十六世和MarieAntoinette在两年后的法国大革命中被送上断头台。年莫扎特完成了《魔笛》他的最后一部作曲次年于岁时去世。摩尔斯在耶

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