声音记录：让遥远的，不再成为绝响
时间：2016-07-06 08:21:00作者： 科学出版社的博文来源： http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-988925.html
或委婉、或咆哮、或清脆、或浑厚，大自然的声音让人激昂，让人舒畅。音乐，来自于自然，高于自然，是人类最重要的文明成果之一。“余音绕梁，三月而不知肉味”，圣人感慨。
怎样才能留住这些美好的声音呢？我相信历史上千千万万的人，都曾向上苍祈祷过，钻研过，叹息过。为什么我们能感知却感觉不到它的存在？声音到底是什么？
“声音长什么样子？”平凡的印刷工斯考特灵光一现。
1854年的一天，平凡的巴黎印刷工斯考特（édouard-Léon Scott de Martinville），在校对一本物理书的刻板时，注意到一幅“听觉解剖图”：震动传给听小骨，听小骨敲打鼓膜，产生听觉。
听觉就是振动？他猛然间产生了一个奇怪的联想：振动？这是力啊。若让这种力作用在笔上，它在纸上画出的将是什么，难道会是声音的样子？
这个想法太让人激动了！
经过几年的钻研，斯考特发明了一种装置，果然能记录下这种东西：用一个喇叭作为声音“收集器”，下连一个“隔膜”，将一“探针”固定在隔膜上。隔膜的振动，带动探针在涂满炭黑的圆筒上移动，随着圆筒的旋转，震动转换成一条弯弯曲曲的线，这就是声音？！
图1 声音的样子
怎么能让这些记录再发出声音来呢？斯考特思考了一番，毫无头绪，只好把这些圆筒扔在一边。
150年后（2008年），科学家才把斯考特录于1860年的一段声音，应用数字技术还原出来。这是一首来自19世纪的法国浪漫民谣―《月光下》。
好奇是人的本性。画出了声音的样子后，斯科特的发明很快就传播开来。不少人接过他的圆筒，继续钻研。1874年左右，贝尔在研究电报时，就在麻省理工学院参观过这种声音记录仪，可能对他发明电话也产生过不少启发吧。
大家还记不记得，1877年西联公司为发展电话业务，委托爱迪生发明麦克风的事情？西联公司那次花了10万美元的巨资，而主要目的之一，其实是想制作一种“电报信息记录、回放及自动发声装置”。
记录？发声？应该从哪里开始呢？
搞新发明，绝对不能闭门造车。爱迪生很快就从别人那里得到了启发：记录、发声？电话就可以发声！
电话的“发声”，是利用了“电流的变化”。爱迪生发明了麦克风，对这个自然是轻车熟路。再结合斯考特的发明，只要把电话改造一下，就能完成西联公司的任务：声波引起薄膜振动→电流变化→磁性强弱变化→磁头压力大小变化→蜡纸上刻痕深浅变化→录制完成。
播放时，把录制的过程反过来就行：蜡纸上的深浅刻痕→振动→变化的电流→磁性的强弱变化→薄膜振动→经过放大器→声音被还原。
爱迪生的留声机用的还不是“唱片”，而是“唱筒”，这点与“声波记录仪”很相似，是不是也参考了斯考特的设计，现在已不得而知，爱迪生是从来都不会谈这种事情的。唱筒所用的材料不耐磨损，读写探针与圆筒也不容易贴合，播放三四次，声音就很小了。
就在同一年（1877年），法国诗人克罗斯（Charles Cros）在写给法国科学院的一封信中，也提出他的留声机概念。在他的构思中，先用酸蚀技术在金属盘或圆筒上刻下沟槽以记录声音，装置反转再把声音还原。
因为没有足够的资金，克罗斯没能实现自己的想法。1890年之后，大量生产的圆盘形唱片，就是采用克罗斯的酸蚀技术，但他已于1888年去世，年仅45岁。
就在克罗斯去世的这一年，德裔美国发明家柏林纳（Emil Berliner，1851―1929）推出了自己的“圆盘”唱片，探针与唱片的贴合性更好、更耐磨，也容易通过母盘复制，爱迪生的“圆筒”唱片被逐步淘汰。
图2 圆筒唱片留声机与圆盘唱片留声机
二、CD和DVD
留声机早就过时，被扔进历史的垃圾堆了――说这话可真要小心。
留声机和圆盘唱片早就过时，被扔进历史的垃圾堆了―说这话，还真要慎重一些。
在科技的发展史上，很少有被彻底抛弃的技术和方法，只是随着时代的改变和进步，原来的“王谢堂前燕”，飞入了“寻常百姓家”，由高新科技，变成了公共知识。
圆盘唱片的新形式，就是现代的CD和DVD。它们都是纯机械记录（刻痕），以微小的凹坑记录信息。
光盘上刻蚀的凹坑越小，记录的信息越多；读取的频率越高，记录的声音和影像往往越真实，越清晰。它有一个很大的优势，只要材料足够好，刻录的信息就可以保留很久的时间。1977年发射的“旅行者号”宇宙探测器，其携带的铜质镀金唱片上刻录的信息可以保存10亿年以上。
CD和DVD现在用得也是越来越少，在未来，该技术是否依然会有生命力呢？
图3 旅行者号上搭载的铜质镀金唱片
让电流变化，除了振动，还可以更温柔些――磁生电的启发。
在爱迪生发明“留声电报”后，未尝没想过再用它发明“留声电话”，只不过太浪费而已。
唱片上的坑道一般都很粗（1毫米左右），早期的一张唱片也就能录制3～5分钟的声音。后来生产的密纹唱片，一面也仅能录制十几分钟的样子，就发展到了瓶颈。
遇见了瓶颈也是好事，突破瓶颈，就是一番新天地。
与大名鼎鼎的爱迪生相比，丹麦工程师波尔森（ValdemarPoulsen）可是一个十足的小人物，在所有关于发明家的故事书籍中，极少有提到他，但这不并不意味着他就真的无足轻重。爱迪生做不了的发明，他能完成。
波尔森也在研究留声电话，并有了一个影响深远的发明：磁性记录。
机械记录是在圆盘上“挖坑、刨道”，很暴力。而磁性记录却“温柔”得多。不就是让电流变化吗，干吗非得那么“野蛮”？！
前面我们说“电磁铁是一个很重要的发明”，它是继电器的核心，也就是电报的核心，电话离不开它，留声机也有它的身影。还有一个比它们更重要的发现，电磁铁也掺和在其中：法拉第的“磁生电”。
磁能生电流，磁改变，电流也改变，电流变化，不也就有了……声音？
想通了这一点，波尔森在1898年发明了一种“钢丝磁性记录仪”，这是第一个用磁性记录声音的装置。不过，波尔森的运气没有莫尔斯好，他最终也没有获得资助，发明推广失败。
后来，奥地利工程师弗雷玛（Fritz Pfleumer，1881―1945）在他的工作基础上，把磁性材料，如γ-Fe2O3等，涂在塑料带上，发明了“磁带”。磁带体积小，容量大，材料便宜，很快就流行开来。
磁性粒子的大小，一般只有1微米左右，是唱片刻痕的千分之一（1毫米=1000微米）。磁带的记录时间，自然也远非唱片可比。一盒普通的磁带，正反两面差不多能录制90分钟的声音。
图4 磁带录制和播放原理示意图
虽然磁带已经退出历史舞台，但与留声机的唱片一样，它的原理仍在应用，电脑中的硬盘就是。
一吨重的磁盘变成巴掌大小，我们能用上笔记本电脑，都是巨磁电阻的功劳。
随着时代的进步，人们发现，磁带的容量还是太小了，塑料也容易老化，用不了几年，就什么都没有了。而金属材料似乎不存在老化的问题，是否能把“磁性粒子”布置在金属片上呢？
1956年，美国的IBM公司首先研制出这种“在金属材料上布置磁性粒子”的技术，发明了“磁盘”。其实，这时叫“磁盘”并不合适，因为它差不多有一吨重，叫“磁胖”还差不多。
如何能把它的体积缩小呢？是磁性粒子太大了吗？不全是。
斯考特的经历让我们明白，记录声音并不难，难的是读写。
当年，留声机遇到的瓶颈，不仅是唱片上的纹路粗细问题，更重要的是读写。唱片的纹路越细，对读写钢针及电路的敏感性要求越高。能不能读出来，成为最大的制约因素。即使到最后，一面唱片也仅能录制十几分钟的音乐，就已经发展到了极限。
磁盘是否会重蹈唱片的覆辙，早早地就被扔进历史的垃圾堆呢？
我们知道，这当然没有，不然我们就没有笔记本电脑可用了，这要感谢两个人：法国科学家阿尔贝・费尔（Albert Fert）和德国科学家彼得・格林贝格（PeterGrünberg）。
1988年，他们各自独立地发现了一个现象：一种纳米级的磁性材料，它的电阻率对外在磁场极为敏感，是原来我们已知材料的近50倍！打个比方，在同样的磁场强度下，原来材料的电阻增加了1%，而这种材料的电阻却能增加50%―这就是“巨磁电阻效应”。
从1%到50%，“真的很厉害吗？”“真的很厉害！”。科学家就是表现得再夸张，也不会引起我们普通人的多大兴趣：从1%到50%，在我们的概念里还够不上夸张。但在另一部分人的眼里，足以惊掉他们的下巴。
当时研究磁盘的工程师，为了能把磁头敏感度提高一倍，都要从材料到设计，在实验室里忙活好几年才行。现在你的敏感度，竟然一下子提高了50倍，相当于是省了几代人的工作，简直是惊爆了！
从此，磁性粒子及磁头的读写能力，双双跨入纳米层次，磁盘的体积缩小为巴掌大小，而存储能力大大提高。2007年，费尔与格林贝格获得当年的诺贝尔物理学奖，按他们的贡献，真是实至名归。
图5 费尔与格林贝格
说完了磁盘，让我们再认识一下电脑里的硬盘。
多个磁盘组装在一起就是一个硬盘，硬盘最重要的两个概念是磁道和扇区。
磁道就是圆环，上面布满磁性粒子。写入时，磁头将这些粒子极化，电流信息变成磁性信息，保存了起来。读取时，这些磁性信息又变成电流信息，被解读。
每个磁道被等分为若干个弧段，便是磁盘的扇区。磁盘读取和写入数据时，以扇区为单位。磁道和扇区的面积实际上非常小（归功于巨磁电阻），一张磁盘可以有9000多个磁道，每个磁道可分割成8000多个扇区，每个扇区可存储512个字节，每个字节有8个二进制位（0或1）。
所以，一张磁盘可以储存368亿个字节―从磁盘到磁盘，容量已经不可同日而语。
优盘的工作原理就是电场导演的一场“血案”：吸引过来，痛扁一顿，踩一脚，闪人。
要随身携带大量的照片、音乐或电影，我想很多人都会选择优盘。哪怕只有拇指大小，都可以储存上千张照片，几百首音乐，或者几部高清影视，它怎么会有这么大的能力呢？
这要先从“场”开始讲起。场，是一种很神秘的东西。物理上有电场、引力场，其他还有很多，大到星系宇宙，小到原子夸克，有各种各样的场。连人也有场：气场。总之，场是一个无处不在，却又拿不了、抓不住的东西。更离奇的是，理论及实验显示，很多基本粒子本身就是其对应的场卷曲而成。或许有一天人们发现，实物粒子，其实都是由各种虚无缥缈的场按照一定的法则凝聚而来的。
本文由王芳摘编自葛世恒编著的《发明传奇：电与磁的故事》（科学出版社.2016.6）一书第五章，内容有删节。
ISBN 978-7-03-047646-3
工业革命以来。人类进入科学技术飞速发展的全新时代，无数精彩绝妙的发明创造改变了我们的工作和生活方式，小到电灯、电话，大到汽车、飞机。也成就了一大批家喻户晓的发明家。然而，这些发明创造的伟大之处到底是什么，发明家经历过怎样的思考过程，对今天的我们又有什么样的启发？这对于当前中国走向创新型国家具有重要的现实意义。本书突出剖析了这些伟大发明的诞生过程和发明家的思考方式，图文并茂，通俗易懂，带领我们开启精彩的创造之旅。适合大众读者阅读。
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