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第十章 驾驭电子
即将告别19世纪的时候，科学家发现了物质世界最小的微粒——电子。发明家开始探索运用电子的途径，大约经过100年努力，人类开始步入信息时代。
电子的发现过程，始于人们对气体放电的研究。当气体放电发生时，电子很容易脱离原子的束缚自由运动，与其它物质碰撞，呈现许多新奇现象，它们引导科学家探寻隐藏其中的奥秘，从而找到电子。
运用电子的构想，则源于白炽灯的发明。白炽灯灼热的灯丝，不仅持续地发出明亮的光，而且源源不断地发射电子；这些电子在没有空气的环境里能够自由地飞行，借助电和磁的作用，人们可以控制它们的运动，这成为各类电子技术发明共同的基础。
在19世纪电学发展的鼎盛时期，一些科学家出于兴趣开始研究稀薄气体的导电特性。
这些实验在密封的玻璃管中进行：玻璃管两端分别嵌入一个金属电极，管中空气的大部分已被抽气机吸走；当两个电极之间加上电压时，稀薄的空气就变成了导体，通过电流的时候，玻璃管中会出现明亮的辉光。辉光非常美丽，很像北半球高纬度地区出现的极光。如果改变玻璃管中气体的密度或成份，辉光的色彩与亮度就会发生变化。曾经发现电磁感应现象的英国物理学家法拉弟，也研究过辉光放电，他发现辉光柱上有一小段不发光区域，人们称之为“法拉弟暗区”。
1858年，德国物理学家普吕克尔（公元1801~1868年）注意到，当放电管中空气非常稀薄时，辉光会变得越来越暗淡，光柱最终消失，只在玻璃容器内壁正对阴极的地方发出淡淡的绿色荧光。他在放电管的两个电极之间插入一个小小的挡板，荧光里便出现挡板的阴影，阴影的轮廓和挡板的外形完全一致。1876年，德国物理学家哥尔茨坦（公元1850~1930年）认为，这是一种从阴极发出来的射线，由于玻璃管中没有气体分子阻挡，它可以直接到达对面的容器内壁使其发光，因此人们称之为“阴极射线”。
科学家喜欢把那些从物体中发出具有确定物理、化学或生物学效应，然而又看不见的物质称为“射线”。
1871年，英国物理学家瓦尔利（公元1828~1883年）发现，阴极射线会在磁场中偏转，很像带电粒子；英国物理学家克鲁克斯（公元1832~1919年）发现，这种射线可以推动金属箔做成的小飞轮在真空中旋转；曾经发现电磁波的德国物理学家赫兹注意到，这种射线可以穿透很薄的金属片。赫兹的学生勒纳德（公元1862~1947年）还发现，真空中的阴极射线穿透0.000265厘米的铝箔后，还能在空气中继续穿行1厘米。德国科学家认为阴极射线是电磁波，而英国科学家则认为它是带电粒子。
在追踪阴极射线的时候，人们意外地发现了X光。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴（公元1845~1923年），在一次实验中将阴极射线放电管包上厚厚的黑纸，防止外部光线扰乱阴极射线。然而，他注意到在离射线管1米远的地方，有个氰化钡做成的荧光屏，这个荧光屏随阴极射线管的每次放电，一闪一闪地发光。伦琴把荧光屏挪至远处，它照样闪光；他又在阴极射线放电管和荧光屏之间放上书、木板和铝片，荧光屏还是闪光；只有在它们之间放上铅块或厚厚的铁板时，闪光才会消失。显然，阴极射线管中发出的是一种穿透力很强的射线，但不会是阴极射线。
在实验室里，伦琴连续工作了6个星期，仔细地研究这种射线与加在放电管上电压的关系，研究各种物体对这种射线的吸收特性，以及射线在各个方向的强度分布。他将手掌放在阴极射线管和荧光屏之间，荧光屏清晰地显现出手掌的骨骼。这种射线还会使相片底片感光，他用感光胶片拍摄他的夫人带有戒指的纤细的手，结果照片不再富有诗意，那上面的手指就像是骷髅的指骨套有一件不相干的金属圈。随后，他向外界公布了自己的研究结果，那张不可思议的照片尤其令世人大为震惊。
伦琴把来历不明的这种射线称为 “X射线”，因为在数学中人们习惯用“X”代表未知数。今天，人们知道“X射线”是发自阴极的电子在电场中加速后打在物体上突然减速辐射的电磁波。
利用X光，人们能够看到身体内部的许多组织结构，发现骨骼的意外损伤和嵌入身体的金属弹片，从而可以帮助医生诊断疾病。X光有着巨大的实用价值，然而伦琴没有为自己申请技术专利，他希望全世界的人都能够利用它。X光技术迅速地普及至世界各地，有力地推进了医学进步。
伦琴在1901年获得首次颁发的诺贝尔物理学奖，然而他晚年仍然过着贫困的生活，并在德国大萧条的岁月中寂寞地死去。
1897年，英国物理学家汤姆孙（公元1856~1940年），对阴极射线进行更加精确的实验研究。他继续改进真空泵，进一步提高放电管的真空度，发现了阴极射线在电场中的偏移现象。赫兹在1891年曾做过类似的实验，但由于真空度不高，在偏转电极之间发生了气体放电，不能产生使阴极射线偏转的力量，因而导致赫兹对这种射线本质的误解。汤姆孙测量了阴极射线在磁场中的偏转半径，用热电偶测量出阴极射线打在阳极上产生的温度变化，从而计算出这种射线的速度比电磁波低得多。他在射线管中充入不同气体，并且用不同材料制成的阴极做实验，但得到的结果完全相同。他确信，阴极射线是一种带负电的微粒，与气体成分或阴极材料无关，它存在于一切物质之中。
1897年4月30日，汤姆孙向英国皇家学会报告自己的研究结果，这篇报告为阴极射线的本质做出了最终的科学论断。后来，汤姆孙用“电子”一词命名他所确认的这种带电微粒。从此，科学史家将人类发现电子的时间定为1897年。
就在汤姆孙发现电子的1897年，德国发明家布劳恩（公元1850~1918年）完成了应用电子技术的第一件发明——利用电子束做成了世界上最轻便灵活的“笔”，这种奇妙的“笔”可以描绘稍纵即逝的电学现象：根据电子留下的踪迹，人们可以从容地观察电信号的变化过程。
如果在抽成真空的阴极射线管里装上圆柱形空心电极，然后加上电压，发自阴极的电子在穿过电极之时受到静电力的约束，就会聚成细束；如果在电子束通过的路径安装两对相互垂直的金属平行板电极，其中一对电极使电子束跟随加在电极上的电压信号上下垂直运动，另一对电极使其左右水平运动，再在与阴极相对的玻璃管壁上均匀地塗敷一层矿物质细粉（例如硫化锌），电子束打在上面就会产生黄绿色光斑，这种可以发光的塗层称为荧光屏。如果使电子束在水平方向作等速运动，荧光屏就会显现加在垂直偏转板上的电压随时间变化的过程，电子的这种工作方式被称为“扫描”。
这项发明为科学家提供了梦寐以求的观测仪器，使人们能够超越感觉器官的局限，直观地研究电的变化过程。它为后来电视、雷达和电子显微镜的发明，奠定了重要基础。
布劳恩是一位具有深厚科学功底的发明家，他在德国柏林大学获博士学位后，同时在德国3所大学从事学术研究。1874年，他发现某些金属硫化物具有使电流单方向通过的特性，他利用它们做成了无线通信不可或缺的检波器，开创了人类研究半导体的先例。19世纪90年代，当他得知人们正在研究阴极射线时，又立即转向这一新领域，产生了使这种射线聚焦、扫描的构想。
布劳恩在无线电通信技术领域也有很多重要的发明，他发明了磁耦合天线，使无线电发射机和接收机不必直接与天线相连，减少了雷击的危险，增大了通信距离，今天所有的收音机、电视机、电台和雷达都在使用它们。他还发明了定向天线，使电磁波按照人们的设想沿规定的方向传播，提高信号传输的效率，减少电磁波能量无谓消耗和通信系统之间的相互干扰。
不幸的是，布劳恩这位杰出的发明家成了第一次世界大战的牺牲品。为解决一件关于无线电通信技术方面的专利纠纷，布劳恩于1917年到美国参加听证会，其间美国介入第一次世界大战，美国政府以“布劳恩是敌对国公民”为由逮捕了他。第二年，布劳恩死在狱中。
1904年，美国发明家弗莱明（公元1849~1945年），通过在真空中利用电流加热灯丝的办法，轻而易举地获得逸出物体的自由电子，并用它做成了一种效率很高的无线电信号检波器——真空二极管。
真空二极管中有一条灯丝和一个孤立的金属电极，这个电极被称为阳极。当灯丝加热时，如果在阳极加上正电压，电子就会在静电力作用下到达阳极，使电流通过；如果在阳极加上负电压，静电力将阻止电子运动，电子会滞留在灯丝周围，使电流中断。由于电子很轻，惯性很小，真空二极管可使频率很高的无线电信号被整流检波成为人们需要的信息。弗莱明用它替代无线电接收机里的金属粉末检波器和晶体检波器，使微弱的高频无线电信号能够还原成所传输的电码信息，无线电接收机的灵敏度显著提高。
弗莱明的发明直接得益于爱迪生早年的发现。
为了提高白炽灯寿命，爱迪生曾使用许多稀奇古怪的办法进行试验，1881年，他在灯丝旁边装上一个孤立的金属电极，当灯丝点亮时，这个电极上总会出现电流；他连续试验了两个星期，电流总不间断。爱迪生详细地记录了每一次试验的结果，认为是灯泡漏电，并且认为这个孤立的电极对提高灯丝寿命没有帮助，便停止了这项工作。
实际上，爱迪生观测到的电流正是灯丝受热后发出的电子流，他应该是最早发现电子的人。由于爱迪生当时缺乏探究自然奥秘的兴趣，功利的追求使这位发明家只关注具有实用价值的事物，因而错过了发现电子的机会。后来人们把加热灯丝发射电子的现象称作“爱迪生效应”。
1906年，另一位美国发明家福瑞斯特（公元1873~1961年），对真空二极管作出重大改进，发明了真空三极管，开辟了电子学发展的新途径 。
福瑞斯特在真空二极管的灯丝和阳极之间，加装一个独立的金属栅网，称作控制极。如果改变栅网上的电压，便可控制到达阳极的电子数量。如果在栅网上加一个很小的电压信号，在阳极上便可得到与其变化规律完全相同、幅度大得很多的电信号，这种简单的器件可以使电信号增强。真空三极管是一种能量转换装置，就好像是电信号的加油站，这项看似简单的发明，翻开了电子技术发展史新的一页。
自从1837年人类开始应用电传递信息以来，一个麻烦的问题始终困扰着人们：电信号在传输的路径上会衰减，变得越来越小，以至最后消失得无影无踪，这限制了通信的距离。1876年，美国费城举办国际博览会，电报公司向全世界招标，寻求解决大西洋海底电缆电报信号传输衰减的技术方案，结果无人中标。福瑞斯特真空三极管的发明，使信号衰减不再成为问题，人们通过真空三极管很容易使衰减的电信号重新增大，通信质量明显改善，通信距离大幅度增加。从此，使用电信技术的客户迅速增多，电话、有线电报和无线电通信出现了新的发展高潮，电信号把世界更多的地方连结在一起。
真空三极管的发明，使无线电广播迅速成为一种大众传媒，使收音机成为一种时尚家电。利用真空三极管，可以产生功率强大的高频无线电信号，同时使声音变成的电信号叠加在上面，向幅员辽阔的地域播送语音信息。人们可以在远离电台的地方接收这种无线电信号，通过真空三极管充分放大，重新把声音信号分离出来，推动扬声器再现播音员的话语和演员的歌声。1920年，美国匹兹堡建立了第一座面向公众的无线广播电台；1922年，美国无线电公司编制了第一份无线电产品目录，名称为“家用无线电”。该产品目录显示，价格最贵的收音机有4个真空管，售价401美元。同年，美国无线电公司生产出第一台手提式电子管收音机。
真空三极管产生的高频电信号可使人体某些组织发热，从而改善血液循环，有助于医生治疗疾病；它还可用于熔炼金属（例如在洁净的坩锅里制造各种成份的合金），对金属材料进行淬火处理，改善工具、机器零部件的性能等。无线电电子学技术开始跨出通信系统，进入人类活动的更多领域。
福瑞斯特在许多领域都有建树，他在电话、彩色电视、雷达和高频热治疗医学领域有300多件专利。
福瑞斯特1873年出生在美国衣阿华州，父亲是一位行政部长，他喜欢天文学和探究大自然的兴趣激起了儿子心中热爱科学的火花。福瑞斯特在耶鲁大学毕业后，于1899年获理学博士学位，其博士论文题目为《电磁波反射特性的研究》，这是美国研究电磁波的第一篇学术论文。
福瑞斯特虽然是一位聪慧的科学家、发明家，但他却是一位不成功的企业家。在得知马可尼发明无线电技术之后，他便投入改进无线电信号检波器的研究。为克服金属检波器的缺陷，他发明了电解质检波器，利用某些无机化合物溶液单向导电的特性，使交流电信号变成单向传输的电流；他成立“美洲福瑞斯特无线电报公司”，并在全国建立销售网络，向美国陆军销售他发明的装置。由于这项发明与另一位发明家费森登（公元1866～1932年）的发明有相近之处，福瑞斯特于1903年在专利纠纷中被诉侵权并被法院判决败诉，为此，他的公司倒闭。
在逆境之中，福瑞斯特转向研究无线电应答机，为提高应答机的接收灵敏度，他发明了真空三极管。作为核心器件，真空三极管一直在推动电子技术前进，直至1947年3位美国科学家发明晶体管，它才逐渐退出历史舞台。
1925年，苏格兰人贝尔德（公元1888～1946年）实现了用电传送活动图像的构想，发明了最早的电视。此后，来自不同领域的发明家沿贝尔德开辟的道路，不断改进和发展电视技术，使电视进入千家万户，人们足不出户，便可以看到遥远地方发生的事情。
贝尔德采用的方案非常富于想象力。首先，他通过透镜使需要传送的景物成像，在离景物影像不远的地方安放一个对光线敏感的元件，这个元件可以把不同强度的光线变成大小不同的电流，当时他使用的元件是可以在光照下产生电流的硒片。尔后，他在透镜产生的物像与硒片之间放置一个圆盘，盘上设有许多可以透光的小孔。当快速转动圆盘时，物像不同部位发出的光通过转盘上的小孔从左到右、从上到下依次投射到硒片便产生与景物影像亮度一致的电流。这种随时间迅速变化的电流经过真空三极管放大使一个灯泡发光，灯炮亮度变化则与景物影像不同空间位置的明暗变化一致，灯泡发出的光通过一个同样结构和转动方式的多孔透光圆盘投射到幕布上。当这两个同步运动的圆盘旋转足够快时，幕布就会呈现与实际景物大体相似的影像。这种做法很像以一种特殊的方式搬动一块花布：首先沿水平方向抽取花布最上方的第一条纬线，然后紧接着抽取第二根、第三根……直到抽完最后一根。这些抽出的线首尾相连被牵拉到另外的地方，重新按顺序排好，这些纬线便组成了与原来花布一样的图案。只要抽运和重组的速度足够快，这块花布就好像在一瞬间挪动了地方。
贝尔德在英国皇家技术学院毕业时，英国正参与第一次世界大战，他打算应征到部队中担任无线电通信技术军官，但由于体弱多病而未能如愿，此后他决意做一名专业的“业余无线电爱好者”。贝尔德对无线电领域的许多问题有着浓厚的兴趣，由于缺乏必需的研究条件，屡遭失败，使他几近精神崩溃。在得知马可尼发明的无线电技术成功地实现了声音传送之后，贝尔德萌生了用它传送活动影像的想法。
贝尔德最初研究电视的时候，人们认为他的想法稀奇古怪不切实际，无人给予他经济支持，他白天替人推销皮鞋油，晚上在狭小的顶楼做实验，每天的收入只够买面包付房租，他的很多样机是用饼干筒、自行车灯聚光镜以及鞋带捆扎的铁条支架做成的。
1925年10月2日，贝尔德成功地把一个活动玩偶的舞蹈动作图像从顶楼的一个角落传送到另一个角落。贝尔德激动万分地跑下楼，把杂货铺里的一个小男孩拉上来当他的第一位电视观众。一夜之间贝尔德迅速成名，许多投资者纷纷解囊，希望他实现更大的目标。1927年，贝尔德实现了从伦敦到格拉斯哥之间的电视信号传送。1928年，贝尔德的电视信号从伦敦传送到纽约。此外，贝尔德还发明了转盘式彩色电视，提出了投影电视的设想，他认为应该让人们像看电影那样享受电视。
贝尔德发明的电视在实际应用中有两个严重的问题：机械转盘小孔扫描速度不够快，通过小孔投射的光斑太大，图像既闪烁又不清晰；产生电视信号的转盘和再现电视图像的转盘在机械上不容易同步，需经精细调节才能观看稳定的画面；而且这种电视装置庞大，不适宜在室外播送电视节目。1931年，出生在俄罗斯的美国发明家楚里金（公元1889～1982年），以两件新发明解决了这些问题，奠定了现代电视技术基础。
楚里金改进了布劳恩发明的阴极射线示波管，利用银—铯氧化物涂层在光照射下产生电荷的特性，将聚焦的影像明暗空间分布转换成相应的电荷分布，用一束从左到右，从上至下扫描的电子束获取这种信号，发明了光电摄像管；他又用聚成细束的电子，从左到右、自上而下顺序轰击阴极射线管的荧光屏，以摄像管发出的信号控制电子束强度，图像亮的地方电子数量增加，暗的地方电子数量减少，在荧光屏上重现摄取的画面，发明了电视显像管。
在楚里金发明的光电摄像管和显像管中，电子可以聚成很细的束，在电场和磁场控制下以极快的扫描速度传送和再现影像，产生清晰、稳定的画面。今天，全世界所有的电视仍采用楚里金的这两项发明。
楚里金的父亲是经营船舶航运的商人，一心希望儿子继承家业，但尊重儿子的选择送他去彼得堡技术学院学习电气工程。1912年楚里金毕业，接着，他到法国跟随物理学家朗之万（公元1872～1946年）研究X射线。1914年俄罗斯参与第一次世界大战，楚里金中断了研究工作担任无线电技师，使他有机会了解无线电装置的内部结构和相关知识，为日后的发明打下了基础。
第一次世界大战结束，楚里金举家移民美国，在威斯汀豪斯公司从事阴极射线管研究，在不足5年的时间内，他发明了光电摄像管；不到1年他又发明了电视显像管。可是，热衷发电设备制造的威斯汀豪斯公司对他的发明不感兴趣。1929年，楚里金转入美国无线电公司后获得了400万美元的资金支持，改进和完善了他的电视系统，使他的发明得以实用化，从而完全取代了贝尔德的机械电视。然而，楚里金发明的光电摄像管和电视显像管在43年之后即1968年才获得专利权。
全电子化的电视于1935年开始在德国向公众播出。1936年，这种电视转播了在德国柏林举办的奥林匹克运动会实况，此时色彩还是黑白。全电子化彩色电视于1949年在美国研制成功，1951年第一次向公众播出。
今天，电视已经进入全球一半以上的家庭，每天，数以亿计的人都会坐在电视机前观看世界风云变幻、人间喜怒哀乐、宇宙万千气象。
电子技术领域的发明，拓展了人类获取自然信息的空间尺度。2 0世纪30年代，科学家开始突破光学显微镜的局限，深入更小的微观世界观察病毒和原子；开始通过电磁波获取光学望远镜无法得到的太空天体信息。
1931年，德国科学家卢斯卡（公元1906年～）发明了电子显微镜，利用电子代替光线观察细小的物体。在以往的光学显微镜中，透镜放大率受到光的波长限制，当被观察样品的尺寸和光的波长相近时，光线会发生严重的衍射，出现模糊的光斑，透镜所产生的图像不再是样品本来的样子。因而光学显微镜的放大率一般不能高于2000倍，这一限制已困扰科学家200年，使许多微观领域的研究止步不前。
卢斯卡的发明源于对电子物理特性的基础研究。1924年，意大利物理学家德布洛伊（公元1892～1987年）发现电子具有波动性，可以像光线那样成像，这激发了人们产生制造电子显微镜的联想。卢斯卡使真空中聚成细束的电子在静电场和磁场的作用下偏转，快速穿透制成薄片的样品，以扫描的方式投射在阴极射线管的荧光屏上，呈现出样品放大的图像。在电子显微镜中，经过高电压加速的电子波长比可见光小几万倍，因而电子显微镜分辨率可以比光学显微镜高几万倍，能够使样品放大100万倍以上，甚至可以看见单个的原子，电子显微镜使人们进入材料科学、医学和生命科学的新领域。2003年，当SARS在全球肆虐的时候，电子显微镜帮助人们迅速找到了SARS冠状病毒元凶。
1931年，年轻的美国工程师央斯基在研究短波无线电通信干扰时，在接收装置的耳机里听到一种轻微的吱吱声，这种声音几乎每天都会出现，而且每天约比前一天提前4分钟。央斯基有一位研究天文学的朋友告诉他：“从太阳上看地球自转一昼夜是24小时，从遥远的恒星上看，地球自转一周需要的时间会短一些，因为银河系本身也在旋转。这种信号会不会来自太空？央斯基连续观测了一年，最后确认这种无线电信号来自银河系中央的一颗恒星。这一发现开创了无线天文学，科学家从此打开了另一扇窥测宇宙奥秘的窗口，发现了许多用光学望远镜无法见到的星体，观测到太阳发出的变化无常的无线电信号，探测到木星大气中剧烈的风暴，还探测到宇宙大爆炸之初产生的电磁波辐射，这些电磁波信号在太空中经过100多亿年才到达地球，通过它们，科学家绘出了宇宙诞生之初的景象。
20世纪30年代中期，科学家发明了雷达，可以利用电磁波搜索发现远方的飞机或船舶，并且能够迅速得知它们的距离和航向。
1935年2月，英国科学家第一次利用雷达发现了12千米之外于3000米高空飞行的一架轰炸机。1936年，法国和德国开始在船舶上装备航海雷达，用于防止在迷雾中航行的船只相撞、避免船舶夜航时遭遇冰山，也便于尽早发现从水上偷袭的敌舰。
早在20世纪20年代初期，科学家已经发现导电的物体会反射电磁波。他们中有的人曾从地面垂直向天空发射电磁波，经过短暂的间隔，接收到天空反射的信号。根据电磁波在空气中的传播速度和观测到的信号时间差，人们计算出在离地面50千米以上的地方存在着反射电磁波的物质，这就是电离层。
1922年，马可尼曾提出研制雷达的构想，但当时使用的无线电波频率不够高，波长比飞机和船舶的长度大得多，电波的反射很不明显。而且，发出的无线电波强度不够，反射回来的电磁波信号十分微弱，无法检测。大约经历了10年时间，由于电子技术的进步，人们能够发射足够强、频率更高的信号，并可成功地处理返回的信号，精确测量电磁波往返时间（这个时间非常短，大约在1/1000秒左右），制造雷达的构想才成为现实。
第二次世界大战刚刚开始的时候，英国的雷达警戒系统尚未完成，面对纳粹德国的空袭，伦敦当局曾组织盲人到寂静的地方监听空中异常声响，希望借助盲人灵敏的听觉及早发现空袭的危险。英国在东海岸和南部海岸建成雷达监测网之后，情况就发生了变化。
1940年8月，德国出动大批飞机轰炸英国，这些飞机在距英国本土120千米的地方即已被雷达发现，还没来得及投弹就遭遇英国空军和高炮拦击，1个月中损失了950架飞机。1个月之后，德军再次出动500架飞机轰炸英国，英军依靠雷达提供的信息，出动不多的战斗机便击落了185架德军轰炸机。1940年7月到1941年5月期间，英国在雷达的帮助下用仅有的700架防空歼击机，挫败了德军2400架飞机在空中的进攻。1940年，英国研制出搜索精度更高的微波雷达控制高炮自动跟踪敌机，使高炮由战争初期的数千发炮弹击落一架飞机提高到数十发击落一架，命中率提高了100倍。
继军用电台之后，电子技术再次用于军事，雷达迅速成为应对敌方空中袭击的预警装置和进行攻击的引导设备。
1945年，人类发明了电子计算机。从此机器迅速介入人类智力活动，而且人们难以估计它将在多大程度上影响人类未来。
早在17世纪，人们即已开始研究能够进行数学计算的机器。300年来，人们遇到的最大难题是用于计算操作的零部件运作速度太慢，计算速度远不及人脑。然而，自从电子管发明之后，人们发现可以利用电子管工作状态的快速变化，替代机械计算器中零部件空间位置和相互关系的变化，以电信号表示计算过程中的数据，通过控制电信号的变化完成计算。由于电子运动过程几乎没有惯性和滞后，因此这种机器可以进行以前无法想象的高速运算。
1942年8月，美国宾夕法尼亚大学莫克莱教授（公元1907～1980年）受命为美国军方研制计算火炮弹道的计算机。经过3年的研制，1945年获得成功，这台机器的全称是“电子数值积分计算机”，这台计算机使用了1.8万个电子管，1500个继电器，7000个电阻和1.8万个电容器，每秒钟能进行5000次加法运算，比当时的电动机械式计算机快1000倍。
1946年，匈牙利移居美国的科学家诺依曼（公元1903～1957年）提出一种新方案，对电子计算机进行了重大改进：计算机不再按十进制计数系统操作而改为二进制；用电子管“导通”和“截止”两个状态，分别表示二进制数中的基本单元0和1，电子管的工作状态直接同参与运算的数字对应；计算过程必须遵循的程序和参与计算的数据预先共同存入计算机，运算过程全部由计算机自动控制，运算过程中人将不再干预。由于这两点改进，使得计算机运算速度迅速提高。
诺依曼的发明奠定了现代电子计算机的基础，使其不仅成为有力的计算工具，而且开始在人类活动的许多重要领域担当处理信息的重任。
诺依曼原本是研究纯数学和应用数学的学者，在量子力学、经济学和计算机科学领域都有重要贡献。1926年，他在匈牙利的布达佩斯大学获得博士学位。公元1926～1930年在德国柏林和汉堡任教，随后移居美国受聘普林斯顿大学，致力于数理逻辑和算法理论的研究。1932年，他曾写过一本量子物理学的基础教材，至今仍是经典范本。诺依曼涉猎范围很广，从基础科学到行政管理都有兴趣，他担任过许多部门的咨询顾问，他参与过洛斯·阿拉莫斯实验室的原子弹设计计算工作，创立了运筹学的新理论。在为军方解决大量繁复手工计算难题的时候，诺依曼提出了新的电子计算机设计理论；而按照他的理论制造完成这台计算机后，第二次世界大战已经结束，这台计算机成为现代高速电子计算机的鼻祖。
从20世纪中期开始，人们对电子的兴趣渐渐从真空环境转向物质内部。1947年12月，电子技术发生了一次重大变革，3位科学家在实验室里发明了晶体管，人们找到了优于真空三极管的放大电信号的器件。
真空三极管在此前的40年间已经成为各种电子设备的核心器件，然而一系列严重问题亦逐渐显现：一是耗电太多。每个电子管都需通电流加热灯丝，使阴极达到1000摄氏度左右才能发射电子正常工作，1万个电子管构成的计算机耗电大约100千瓦，相当于500户人家的照明用电功率，电子设备必须携带庞大的供电电源，使用很不方便。二是体积大。电子管的电极必须装在抽成真空的密封玻璃壳里，稍复杂一些的电子设备即大得像一间房子，无法随身携带。三是不耐用。灯丝有一定的使用寿命，玻璃壳容易破碎。四是启动迟缓，需预热。电子管灯丝必须加热一段时间才能达到必需的温度发射电子，不能做到开机即工作。上述问题不可能通过改进工艺解决，它们是电子管固有的缺陷，人们急切希望找到替代它们的新发明。
美国理论物理学家巴丁（公元1908～1991年）和肖克莱（公元1910～1989年），深入分析了电子在半导体材料中运动的规律。通过理论计算，他们提出了设计制造晶体管的构想，在半导体材料中通过3个金属电极控制电子运动。在实验物理学家布拉顿（公元1902～1987年）的配合下，他们依据这种全新的方案，用锗半导体材料制成了具有放大电信号能力的晶体管。这种晶体管没有易碎的玻璃管，没有需要加热的灯丝，不需要抽真空，不需要预热，其体积可以小得像一粒芝麻，耗电不足电子管的1%，用几节干电池就可以工作。
晶体管克服了真空三极管存在的问题，且具有真空三极管的一切主要功能，被人们戏称为“三条腿的魔术师”。晶体管问世之后，不可胜数的轻便小巧的电子设备应运而生，例如心脏起搏器、助听器和袖珍式半导体收音机等。与此同时，电子计算机迅速开始小型化历程。
然而，利用锗半导体材料制造的晶体管存在两个缺陷：一是在空气中锗容易氧化，二是随着温度升高，锗半导体材料的物理特性会发生变化，使晶体管漏电甚至无法工作。1954年，美国德克萨斯仪器公司的工程师改进制造高纯度单晶硅技术，发明了利用硅半导体材料制造的晶体管，解决了锗晶体管存在的问题。
硅在地球上的储量极为丰富，火山熔岩生成的石英和遍布江河湖海的沙粒，都是硅和氧构成的化合物，硅材料之源取之不尽；而且，制造硅晶体管的工艺并不复杂，在高温下硅很容易被还原，能够在融熔状态制备成原子排列十分规则的晶体，将它们切成薄片磨光，使某些普通元素掺入其中（例如硼或磷），装上金属引线封装之后即成可以使用的晶体管。硅材料化学性质稳定，能够在表面形成牢固的二氧化硅薄膜对晶体管提供很好的保护；用硅材料制成的晶体管，其特性为不易受温度影响，工作十分可靠，因而几乎在所有应用领域，它迅速取代了锗晶体管。
1958年，在德克萨斯仪器公司工作的年轻工程师基尔比想出一个很好的主意，不仅在硅片上制造晶体管，还使硅片在可以控制的特定区域掺入其他的不同元素，改变其导电性做成电阻；再在硅片表面形成的氧化层特定区域镀一层金属做成电容；然后按照电路设计要求将它们相互连接，使一块小小的硅片具有电子线路的功能，人们称之为集成电路，它就像一座显微镜下的城市。
集成电路的发明，是电子产品工艺技术的一次革命，进一步减小了电子设备的体积，由此，它们变得更轻、更小。由于不同的电子元件大部分可以在同一块硅片上制造，相互紧密连接在一起，因而减少了元件失效和引线断裂的可能性，提高了电子设备的可靠性，也降低了电子产品制造的成本。为充分体现集成电路的优越性，人们竞相改进工艺，努力在同样尺寸的硅片上制造越来越多的电子元件。20世纪60年代初期，人们只能制做一块硅片包含几十个元件的小规模集成电路；20世纪70年代后期，人们已经能够在面积30平方毫米的一块硅片上集成13万个晶体管；20世纪90年代以来，超大规模集成电路技术迅速发展，人们已经能在一块指甲盖大小的硅片上制做包含500万个晶体管的集成电路，它的功能相当于250台1945年发明的电子计算机，而当年第一台计算机重30吨，需占用两间房屋。
集成电路的发明，大幅度地降低了电子产品成本，它们的尺寸奇迹般地减小，导致了家用电子计算机和手机的出现，使从前专门机构才能购置的电子装置成为公众可以使用的工具。
用集成电路制造的电子装置廉价、小巧、可靠、方便，令人们对电子技术刮目相看，它们的应用迅速扩展到人类活动的众多领域，成为革新传统技术有力的手段，有效地提高了人类活动水平。
1960年，美国物理学家梅曼（公元1927年～ ）在实验室里发明一种特殊方法控制原子中电子的运动，使一块红宝石发出自然界中从未有过的光。这种光非常强，比太阳投射到地球上的光亮1000万倍，它能聚成细束从地球投射到38万千米之外的月球，可以在月球表面产生明亮的光斑。后来，科学家发现用某些气体和半导体也能产生这种光。
梅曼所用的办法，是通过气体放电管产生强烈辉光（当时他用的是螺旋形玻璃管中的一种惰性气体氙气放电）照射红宝石，使红宝石中的电子获得额外的能量跃迁到另外的轨道，处于暂时稳定状态。然而它们会突然集体恢复至原来状态发出强烈的光，这就如同人们把亿万个小铁球从地上拿起放在架子上，如果它们同时落地就会发出震天的响声。由于这种光需要激发才能产生，因此人们称之为激光。
从前，光对人类的意义仅限于光合作用和照明，阳光造就了地球上的食物链，人们借助光获取外部世界信息。激光发明之后，光被赋予新的功能，它可以切割坚硬的材料，可以熔化难熔的金属，可以在一瞬间洞穿飞机；可以帮助医生进行外科手术，譬如迅速切开皮肤，同时烧灼封闭切断的血管避免流血，譬如焊接脱落的视网膜，使患者重见光明；激光还可以在非常细的凹凸刻痕上反射，读取存储在光盘上的信息。一张薄饼大小的塑料光盘可以存储时间长达几个小时的电影和音乐，可以存储一部百科全书的内容。据初步统计，激光至少有100种以上新的重要用途，其诞生10年之后，开始促进人类通信技术变革。
1970年，两位物理学家发明了光纤通信技术，成功地使用比头发丝还细的玻璃纤维，长距离传输语音、图像和文字信息。
这两位发明者一位是华裔学者高锟，另一位是英国人霍汉克。他们采用的光纤，包括传输信息的内芯和防止光线外逸的包层部分，可以随意弯曲。光导纤维的内芯是直径约数微米的纯净石英玻璃拉成的细丝；包层也是石英玻璃，外径大约0.1毫米，折射率比内芯略低。采用这种设计，光纤可以把携带信息的光信号约束在包层之内而不会逃逸；捆扎在一起的光导纤维互不干扰，光各走各的通路，就像相互绝缘的电缆线传输电信号一样。
在使用光纤通信的时候，人们首先将需要传输的信息转换成相应的光信号，差不多沿着水平方向入射的光线从端部进入光纤之后，在内芯与包层的分界处发生多次全反射，沿光纤限定的路径传向远方；其到达终端以后，人们将光信号转换成相应的电信号，重新取得原有信息。
人们采用电磁波作传输信号的载体，其频率越高能够承载的信息量越大。如果把电磁波比作运载货物的船，把信息比作装载的货物，则电磁波的频率好比是船的容量，频率高多少倍，能够传输的信息量就大多少倍。可见光是一种特殊频段的电磁波，它的频率比人们通常使用的微波高数万倍以上，一根细细的光纤传输信息的能力，远远超过粗大笨重的电缆。光纤通信技术的发明不仅标志信息传输方式的更新，而且提示人们在不久的将来，光有可能在更广阔的领域取代电，成为信息时代的主角。
光导纤维诞生之际，正逢激光技术成熟之时，人们将两者结合迅速使光纤通信技术实用化。光纤通信在1977年进入实用阶段。20世纪80年代，世界各地开通的光纤通信线路已经超过1000条，1988年第一条穿越大西洋连接美国东海岸和欧洲的光缆开通；1989年，穿越太平洋，连接美国西海岸和日本、菲律宾的光缆开通。今天，光纤通信已经成为全球通信系统重要的组成部分。
20世纪后半叶，由于电子计算机和光纤通信技术的进展，本来相互独立的信息传输体系和信息处理系统开始融为一体，蕴酿人类信息交流方式的革命性变化。
1968年，美国国防部提出建立计算机网络的设想，计划用若干小型计算机建立一个相互联接的网络。1972年美国建成了4个计算机网络系统，其中3个设在加州大学洛杉矶分校，1个设在内华达州。使用这些网络，人们可以互通电子邮件。1980年，全世界越来越多的计算机开始通过电话线互相联接，组成了一个巨大的机器网络，共享信息资源。此后，这个网络迅速扩大并于1993年开始对全球公众开放，它就是现在人们所说的国际互联网，又称作“因特网”。“因特”一词，是英文缩写词Internet的音译。如今因特网已经覆盖212个国家和地区，数以亿计的人在使用它。因特网用户以每年100%的速度增长。
因特网为人们提供了一个划时代的信息媒体，每天向人们提供包罗万象、瞬息万变的信息。人们可以在任何时间、任何地方，就任何内容在网上浏览所需信息或与别人交流。在因特网中，信息以光的速度流动，人们获取信息不再受制于交通工具，不必长途奔波、千里劳顿，因特网有效地提高了人类活动的效率。有人形象地比喻：19世纪是铁路的时代，20世纪是高速公路的时代，21世纪是因特网的时代。
因特网是建立在一系列电子技术基础之上的系统发明，对人类活动将产生深远影响。因为，只有实现有效的信息交流，人类才能构成社会，共享智慧，协调有效地进行各种活动。如果说电视的发明缩短了人类与世界的距离，因特网的发明则缩短了人类与知识的距离，缩短了人类个体与人类群体之间的距离。许多学者把因特网的出现看作人类进入信息时代的标志。 |
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