十、貝爾：電話機的發明者
一項重大發明，從提出原理到製造樣機，進而經過不斷改進達到實用要求，往往要經曆幾十年甚至上百年時間。在這段時間裏，同一項技術，可能成為許多人共同探索的目標。而在他們之中，隻有那些意誌堅定、思維敏銳和勤奮勞作的人，才有可能捷足先登，獨占鼇頭。
由電報引起的聯想
1831年，英國科學家法拉第發現電磁感應現象，為爾後整個電氣技術的發展奠定了基礎，其中也為電話機的發明提供了可資利用的原理。1854年，法國人波澤爾提出了一個設想：在薄金屬片上連接一根同電源相通的導線，對著薄片說話時，由於薄片振動而不時撞擊另一個同電源相連的觸片，可使聲音變成時斷時續的電流。這一設想，實際上是一種觸點脈衝裝置。1860年，德國教師菲利普·賴斯根據相同的原理，製造了電話機。由於送話器、受話器的結構不盡合理，音量太小，語音不清，沒有達到實用要求，使這項發明很快被人們拋棄和遺忘了。世界上第一台電話機的真正發明者，是美籍蘇格蘭發明家亞曆山大·格雷厄姆·貝爾。
1847年3月3日，貝爾出生於英格蘭愛丁堡的一個聲學世家。他的祖父安德魯·貝爾和他的父親梅爾維爾·貝爾，都多年從事與語音有關的教學工作。貝爾自幼受家庭環境的影響，就對人的語音傳遞問題有著濃厚的興趣。他17歲入愛丁堡大學專修語音學，係統學習了人的語音分析、發聲機理和聲波振動理論知識，這些都構成了後來他發明電話的知識貯備的重要組成部分。
19世紀70年代初，貝爾隨家移居北美，後來應聘擔任波士頓大學語音生理學教授。當時，由美國畫家莫爾斯所發明的有線電報，作為新的通信工具，已經獲得了廣泛的應用。這種電報隻要按照電碼的特定要求切斷、接通電流，就可以用導線傳遞具有各種含義的信息。莫爾斯電報的缺點是從發報人到收報人需利用專門的電碼譯本經過兩次翻譯才能把信息傳遞過去，而且發報人不能立即獲得直接來自收報人的反饋信息，這就使通信仍然不夠方便。貝爾通過類比聯想，在頭腦中萌發一個大膽的設想：能否製造出一種直接傳遞人的語言的裝置?能否把人說話的聲音通過導線傳到很遠的地方?這個設想的產生，利用了“列舉缺點法”(從列舉電報的缺點，形成發明電話的設想)，這是技術發明常用的方法之一。
新奇的設想，成為了貝爾孜孜以求的目標。然而，要把理想變成現實，還需要經過一段極其艱難的曆程。
意外現象的啟示
任何一項技術發明，都必須建立在一定的技術原理基礎上。新的技術原理，或者來自於科學理論的應用，或者產生於實踐經驗的引發和升華，至於其具體獲得途徑，則有多種多樣的情況。
貝爾發明電話的初始技術原理，得益於偶然現象對他的啟示。他在從事語音教學的過程中，仍潛心於人類語言發聲特點的實驗研究。他想搞出一種專為耳聾者使用的“可視語言”：用機器在紙上複製出人說話時的聲波曲線，讓耳聾者從波形曲線上“看出”正常人聽到的“話”來。由於識別和熟悉波形曲線十分困難，這項研究沒有取得成功。但是，貝爾在實驗中意外發現了一種他所不熟悉的新現象：當切斷或接通電流時，電路中的線圈發出噪聲，很象莫爾斯電報的“嘀嗒”聲。
貝爾為這種現象所吸引，反複試了多次。一個實現用導線傳送人類語言的思路，便在他的腦海裏逐漸形成了：設法將發聲的空氣振動變成電流的連續變化，用電流的變化模擬出聲音的變化。這就是發明電話的初始原理。這個原理的獲得，發端於上述機遇事件，而貝爾能夠抓住這個機遇，則是因為他勤於思索，在頭腦中已經形成研製電話的動機。
貝爾這個初始原理，是從聲學角度提出來的。此時，他隻熟諳人類語言的特性和有關的聲學知識，至於從電學方麵考慮是否可行，貝爾還是心中無數。
聲學與電磁學的結合
於是，貝爾謙恭地向電學工作者請教講述自己的想法，征詢他們的意見。然而得到的回答，不是一笑置之，就是勸他放棄這個不可實現的幻想。輿論常常是傾向於傳統的，貝爾似乎也意識到了這一點。電學工作者的否定態度，不僅沒有使貝爾退卻，反而更堅定了他的信心。他說：“我相信這種發明是可以搞出來的，我一定要找到實現它的辦法”。
1873年3月的一天，貝爾風塵仆仆趕到華盛頓，向當時最有聲望的物理學家約瑟夫·亨利登門求教。這位早年也曾獨立發現電磁感應現象的老科學家，仔細傾聽了貝爾的設想，滿腔熱忱地鼓勵貝爾學習和掌握電磁學知識，大膽動手幹起來。貝爾回到波士頓後，便不舍晝夜地攻讀電磁學著作。這位26歲的青年學者，根據技術發明的實際需要，及時填補了自己知識結構中的這片空白，很快就取得了可喜的進步。
1873年初夏，貝爾毅然辭去語音生理學教授的職務，專心從事於電話機的發明。他結識了18歲的電工托馬斯·沃森，兩個人成為誌同道合的親密同事。貝爾在近郊公寓裏的宿舍，成為了他們的實驗室。他們合作攻關的第一步是檢驗聲電轉換原理的可行性，尋找利用某些已有的知識實現這種轉換的技術途徑。
他們在試驗時，將音叉放在帶鐵芯的線圈附近，當音叉發生振動時，由於電磁感應，線圈中便有感應電流產生，這種電流不是單個的電流脈衝，而是強度和方向均隨音叉振動節奏而變化的連續電流。如果把這一電流通過導線輸入另一端同樣的線圈內，也同樣由於電磁感應，又會使線圈前的另一音叉也發生振動，從而產生與發音端相同的空氣振蕩。
貝爾認為，既然音叉的振動產生了電流，那麼任何一種可以振動的金屬器件(例如金屬簧片)也都會因其振動而在線圈中產生電流。另一方麵，有電流變化的線圈同樣也會引起金屬簧片的振蕩，從而使它“說”出“話”來。這樣，在技術上實現聲電轉換的可能性已經展現在他們麵前，使他們看到了發明電話機的前景。
艱難曲折的曆程
從技術原理可行性的檢驗到電話機的技術實現，並不是一帆風順的。貝爾和沃森進行的是一項開創性的工作。他們要創造出一種世界上尚不存在的通訊裝置，是找不到現成的實物可資參照的。因而他們隻能反複嚐試，運用試錯法摸索著前進。
貝爾按照形成的技術原理進行設計，沃森則動手按照設計把所需裝置製造出來。在送話器(話筒)這邊，他們把一個容易振動的薄膜同一個金屬簧片連在一起，簧片緊靠著插有鐵芯的勵磁線圈。受話器(聽筒)的構造與送話器相差無幾。再把送話器與受話器的線圈同一組電池連接起來，這樣，電話線路就形成了。他們反複進行了多次試驗，可是由於感應電流太小，並沒有獲得預期成功。
貝爾沒有氣餒。為了得到較強的電流，他又重新設計了一種新的液體送話器，它是用一個圓筒做成的。其一端覆蓋一張薄膜，薄膜中央連接一根插入硫酸溶液的炭棒，把炭棒和硫酸溶液都串接入電話回路。在人講話時造成薄膜振動，炭棒隨薄膜一起振動，從而使炭棒與硫酸溶液的接觸麵隨插入深度而變化，由此引起電阻的變化，又使引出端的電流出現強弱變化。受話器仍借助於電磁感應，把電信號還原為空氣振動。
貝爾和活森把聯成一個回路的送話器和受話器拉開一段距離。貝爾對著送話器大聲喊叫，沃森的耳朵緊貼著受話器傾聽，除了從空氣中直接傳過來的聲音之外，受話器卻一點聲音都沒有。在反複試驗中，日子一天天過去，他們麵前的“電話機”仍然是不聲不響的。
一天夜裏，窗外傳來一陣悠揚悅耳的吉他聲。貝爾側耳傾聽，驀然產生一個新的念頭：吉他彈奏出的樂曲如此響亮動聽，是因為它利用了共鳴的原理，我們為什麼不可以模仿一下呢?
於是貝爾馬上設計了一個助音箱。他們把床板拆下來連夜動手，趕製出一部裝有助音箱的改裝電話機。
1875年6月2日傍晚，貝爾和沃森在波士頓法院路109號公寓裏，用這種改裝電話機終於成功地進行了第一次通話，從而實現了用導線傳送人類語言的理想。
向實用目標前進
電話機的發明並未到此結束。液體送話器的音量仍然不夠大，而且性能也不夠可靠。由於用了助音箱，使整部電話機結構龐大，使用起來很不方便。另外，用這種電話機，聲音隻能從送話器向受話器單向傳輸，拿著送話器的人隻能說不能聽，拿著受話器的人則隻能聽不能說，其實用性還不如原來的設計。
貝爾和沃森沒有就此止步。他們以實用為目標，對樣機進行了多次改進。又經過反複思考和試驗，最後，決定再回到最初的設計方案上來。但這並不是簡單的回複，他們對原來的設計做了重大改進。送話器與受話器，在結構上仍采取彼此完全相同的方案，但他原來的金屬簧片改為四周張緊的圓形薄鐵膜片，原來線圈中的鐵芯也改用磁棒。由於有了磁棒，原來用於使線圈中鐵芯磁化的電池就可以去掉了。這就是改進後的永磁式電話機。
當人對著送話器或受話器講話時，空氣振動引起薄鐵膜片振動，膜片直接帶著磁棒振動引起磁場變化，從而在線圈中產生較強的感應電流。在另一端，恰好發生一個相反的過程：感應電流引起磁場的變化，使磁棒推動薄鐵膜片隨磁場的變化而振動，又將電流的變化還原為與說話相同的空氣振動。由於送話器、受話器皆可一身二任，放在嘴邊是送話器，放在耳邊是受話器，這樣就實現了雙向通話。這種永磁式電話機，能夠傳送各種頻率的聲音，而且失真小，幹擾少，已經達到了實用的要求。
1876年2月14日，貝爾電話機獲得了發明專利權，專利登記號為174465。有趣的是，在貝爾到美國專利局為自己的發明申請專利以後兩個小時，發明家伊耶沙·格雷也為自己的電話機去申請專利。格雷的電話，同貝爾先前發明的液體送話器、鐵芯線圈受話器的構造相似。
1876年，美國另一位大發明家愛迪生發明了炭精式送話器，第二年獲得發明專利權。這種送話器用炭精砂電阻變化來模擬說話聲音的變化。當人對著送話器講話時，膜片振動會使有一定彈性炭精砂之間的接觸麵積發生變化，由此引起的電阻變化亦使電流發生強弱變化。炭精式送話器比貝爾的永磁式送話器更靈敏。現代的電話機，基本上是愛迪生送話器與貝爾受話器的結合。
在奮鬥中爭得社會的承認
“行百裏者半九十”。貝爾經過數年努力，曆經千辛萬苦，遭遇無數次挫折和失敗，終於發明了實用的電話機，然而這隻是成功的一半。另一半則是需取得社會的承認，並為人們所普遍采用。
電話的問世，使年輕的貝爾激動不已。他滿以為人們會競相購買和使用這種新型通信工具。但是，在取得電話專利權以後，世人對他的發明仍抱有明顯懷疑態度。
1876年7月，在費城舉行了美國建國100周年紀念博覽會。貝爾和沃森專程前往，在會上做了電話使用的現場表演。用導線通話盡管引起了許多人的興趣，可誰也沒有把電話當作實用的通信工具，隻不過是把它看成一種新奇的玩具而已。在人們眼裏，貝爾和沃森仿佛是兩個雜耍演員。電話機初次露麵，並沒有碰到知音。貝爾認識到，要使電話為社會所承認，還必須進行一番艱苦奮鬥，一方麵要繼續提高電話機的性能，擴大通話距離，另一方麵則需廣為宣傳，以引起人們的重視。
貝爾和沃森對電話機不斷加以改進，利用各種場合不厭其煩地進行宣傳。1878年，他們終於在波士頓和紐約之間進行了300公裏的長途通信試驗，這項試驗獲得了巨大成功。第二天，波士頓一家報紙便在頭條位置上報道了這條新聞，並發表了極有遠見的評論：“這項發明，在不久的將來可能使長途通信業務完全改觀!”
貝爾不屈不撓的奮鬥精神，也感動了經濟界的有識之士。有人解囊相助，使貝爾由資金告罄的窘境中解脫出來，繼續進行電話的宣傳推廣。1878年，貝爾電話公司宣告成立。
為了擴大影響，使人們真正理解電話的實用意義，貝爾和沃森奔波於美國各大城市之間，到處做巡回表演。貝爾既是一位學者型的發明家，也是一位傑出的新技術宣傳家。他們的熱情宣傳，終於取得明顯效果，電話已不再是無人問津的玩物了。到1880年，美國實際使用的電話機已有48000台，1910年則增加到700萬台，1922年又達到2100萬台。可以設想，如果沒有堅持不懈的努力，貝爾的電話機也會象賴斯的發明一樣，淹沒在曆史的海洋中。
1922年2月8日，為電話的發明和應用奮鬥了半個世紀的貝爾與世長辭。貝爾發明的電話機，又經過無數發明家的不斷改造和發展，體係越來越完善，結構越來越精巧，已經成為現代社會最重要的通訊工具之一。密如蛛網的電話線路，如同神經一般遍布整個世界。由貝爾所奠基的電話通信技術，大大縮短了信息流通的時間，為經濟、文化的繁榮，為整個人類社會的進步作出了不可磨滅的曆史性貢獻。近幾十年來，錄音電話、書寫電話、電視電話、電子電話、數學電話、載波電話和激光電話等新型電話，雨後春筍般地競相湧現。人類社會正在走向信息時代。