科学史评话最新专辑

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平哥首个医学专栏上线啦，在喜马拉雅搜索“吴京平：通俗医学史”，抢先收听！

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工业革命—正传：66.三条腿的魔术师 Dec 08, 2018

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在40年代末，贝尔实验室召集了几位科学家进行技术预研。研发组长是肖克利，手下有巴丁和布拉顿。肖克利和巴丁是搞理论物理的，布拉顿是搞实验物理的。一开始肖克利比较倾向于金属半导体结构，但是失败了很多次，后来巴丁认识到半导体的表面缺陷是个大问题，所以必须找到“钝化”表面的方法。就是设法消除这些缺陷，后来问题解决了。到了1947年的12月，他们成功的制造了一个晶体管。这个晶体管可以把信号放大100倍，尺寸比火柴棍大不了多少。体积非常小，而且也不需要灯丝，用起来很方便。这种晶体管是一种点接触型晶体管，一块掺有微量杂质的锗晶体表面装上去几个触点，这就形成了一个三极管。能够起到放大信号的作用。其实与矿石和检波器是一码事。只是矿石的杂质是天然的，不好控制，而且要触点也很不好找。这种依靠触点形成的三极管自身噪音很大，而且没办法承受大功率。你想啊，触点非常小，承受的电流也就很小。

一个月以后，肖克利发明了一种三明治结构的晶体管，当然你要愿意没你也可以叫“肉夹馍”结构。中间是一层P型半导体，两边是N型半导体。只要在中间加上微弱的电流，就可以控制总电流跟着变大变小。所以也就起到了放大信号的作用。那么晶体管的原理到底是什么呢？说起来很复杂。硅元素和锗元素的最外层都是4个电子。假如我们把磷元素作为杂质掺杂进去。磷元素的最外层有5个电子，在一大群硅原子之中，这里显然多了一个电子。这就是所谓的“N型”半导体。反过来，我们在晶体之中掺杂一点硼元素，硼元素的最外层只有3个电子，在硅原子的海洋里，这里明显出现了一个坑，这就叫做“空穴”。这就是所谓的“P型半导体”。

那么我们把P型半导体和N型半导体做在一起，形成一个PN结。这个结构就具有单向导电性。让一边多余的电子过去填充空穴，当然没问题。但是反过来就不行了，这就是单向导电性的由来。当然我们还可以构造成三明治结构，比如PNP或者NPN，中间的电极就起到了控制的作用，这就是三极管。三极管号称叫“三条腿的魔术师”。

我们说起来简单，其实这只是通俗化的表达，半导体是基于能带理论的。能带理论是基于量子力学的，成千上万的原子排列在一起，你是不可能用波函数去慢慢算的，必须从整体上给出一个理论来计算，也就是能带理论。原子晶体就好比森林，电子就像撒欢的孩子在到处流窜，想想就头大……

123专辑促销啦！ Dec 01, 2018

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又到了喜马拉雅123狂欢节，到这时候都有优惠活动。

我要特别告诉大家两点：

对于听众来说，你们可以在12月1日到4日这4天之中，以平时一半的价格购买到几乎所有喜马拉雅上的专辑，要下手的赶快下手。

不过，第二点更重要，如果在活动期间，用户不是在喜马拉雅上直接购买，而是通过主播分享的二维码购买的话，那么，喜马拉雅就会把原先它们要抽成的那部分金额的90%返还给主播。

尽管我自己没有单独出收费专辑，但是，《科普经典解读课》专辑很多内容都是我写的，我倾注了很多的心血。我当然希望大家能支持我一下，买这个专辑就是对我的支持。

《科普经典解读课》专辑是以前出的。今年还有一个新的收费专辑《学科英语：科普绘本双语精讲》。科学部分的内容有我的参与，这是我们与喜马拉雅和读伴儿3方合作的新产品。这个课程是由喜马拉雅和读伴儿分级阅读联合制作。精选70本美国孩子都在读的英文科学分级读物，让孩子用英语学习科学知识，从而自然地将英语知识转化为英语能力。

获取二维码的方法是：在科学声音、科学有故事、科学史评话的任何一个微信公号中回复关键词“123”即可，感谢感谢！

工业革命—正传：65.会计算的机器 Dec 01, 2018

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这台机器外号叫巨人，1943年才研发完毕，运到了布莱奇雷庄园，1944年正式启用。这个机器是一种专用计算机，并不是图灵机那样的通用计算机。1944年，盟军要发起霸王行动。巨人机还参与了情报的保障行动。毕竟要彻底误导德国人，破译加密通讯是必不可少的环节。霸王行动开始的时候，盟军的飞机撒下大量的铝箔条，德国人的雷达屏幕上一片回波信号，他们已经彻底蒙圈了，盟军的电子佯动发挥到了极致。

布雷契莱庄园依靠“巨人”向英国和盟军指挥部提供了4.8万份破译的信息，平均每小时破译的德国情报超过了11份。等于是德国人几乎是完全透明了，没有什么秘密可言，这是了不起的成就。巨人机一共生产了11台，战后被下令销毁，而且是彻底粉碎。知道这件事的人也没向外吐露过半个字。巨人计算机就这么消失在了历史之中。后来虽然解密了，但是资料缺失太多，人们已经不知道这个机器究竟是什么构造了，忘光了。

现在，布莱奇雷庄园已经改造成了国家计算机博物馆。有好事者根据老照片想复原巨人计算机，但是只搞出来个样子货。这倒不是他们的技术不行，而是当年使用的元器件已经不再生产了，很多零件他们搞不到。巨人计算机的后期版本要使用2400个电子管，现在没地方弄去。为了复原光电读写头，他们甚至把当年参与过类似项目的老先生请出来，重新画设计图。即便如此还是很难复原当年的这套机器。信息缺失了，就很难再找回来。

工业革命—正传：64.恩尼格玛 Nov 24, 2018

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我们大致可以得出一个规律，谁的恐惧感最强，谁就会在密码上下功夫。波兰当然是最没有安全感的国家之一。所以他们非常重视对无线电通信的破译工作，在苏波战争之中，他们破译了苏联方面400多条信息。破译工作卓有成效。但是，到了1926年，波兰人麻爪了。他们再也无法破解德国人的信息。当时欧洲各国都发现，德国人启用了新的加密系统，在这个加密系统面前，词频法失效了，根本没有用。

德国人的努力，其实也源于恐惧。英国人在一战以后，有一些资料透露出来了，比如1923年，皇家海军的官方报告里就提到了他们破译了德国人的通信，起到了意想不到的作用。丘吉尔也写了一本书提到了破译密码的事情。看到这样的消息，德国人可以说是悔恨交加，他们万没想到自己的作战方案对人家来讲几乎是透明的。恐惧感就是动力，这个规律在德国人身上也起作用了。过去不重视的东西，现在要重视起来了。

好在他们有谢尔比乌斯和里特的新发明 — 恩尼格玛密码机。其实他们1918年就已经搞出来了，当时没人重视罢了。在瑞典，达姆也搞出了类似的技术。与此类似，美国人爱德华·赫本发明了他的“无线电斯芬克斯”系统，而且对它充满希望。他花了38万美元开了一个工厂，到头来只卖出十几台机器，赚了1200美元，可以说是血本无归。1926年他在加州被股东起诉，被判有罪。

所以说，这几个人都搞出了原理类似的加密系统，大家想到一块去了。恩尼格玛密码机的原理其实不复杂。有一个转子，两边各有26个触点，触点之间是有连接线的，每个触点代表一个字母，电线大可以乱接，比如把A连接到对面的E，把C连接到对面的K，都可以，反正是打乱顺序重新映射。把这个轮子接到线路里面，我按下A的按钮，代表E的灯泡就会亮起来。反过来也一样，电线倒过来接，按下E的按钮，代表A的灯泡就会亮。也就是加密解密用一个机器就能完成。无外乎多个切换开关罢了。

如果只有一个轮子，这等于还是换汤不换药，人家恩尼格玛密码机用了4个转子。也就是经过了若干次重新映射。这四个轮子的映射方式都不同，一般人根本搞不清楚对应关系。更加关键的技术不是转子的多少，而且最后一个反射转子是会转的。每打一个字，轮子转动一格，映射关系马上就变了。这就等于是每个字母都要换一套密码本，词频法完全失效了。在恩尼格玛密码机上，你按下A这个字母，第一次出现了E，第二次不一定会出现什么字母，第三次更加不确定。

德国军方对于恩尼格玛密码机做了评估，他们发现，这个机器是极难破译的。因为加密的关键不是机器本身，而是那四个轮子是怎么设定的。四个轮子的设定值就是加密的秘钥。只要人家不知道秘钥，拿到机器都不见得有用。从1925年开始，恩尼格玛开始被德国国防军使用，后来逐渐推广到了政府的其他部门，日后的十年里，大约制造了3万台密码机。所以从1926年开始，大家都没办法破译德国人的密码，德国人似乎可以高枕无忧了。英法美三国不着急，破不出来就算了。波兰不能就这么算了，事关生死存亡。他们是硬着头皮也要上…

刘慈欣上线啦！千万别让他跑了！ Nov 23, 2018

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大家好，我是科学史评话的吴京平。

听说刘慈欣老师要在喜马拉雅开讲，我非常的高兴。要知道大刘那是大神级别的存在，这一次喜马拉雅能把大刘请出来，做一档节目，这是非常难得的，反正我是一定要好好的听一听。

大刘的节目，你不听一下吗？

（https://www.ximalaya.com/keji/19328981/）

刘老师的这个节目叫《大刘思想实验室：科幻法则的设定者！》。大家可能觉得这个名字起得很有意思。因为思想实验是科学研究的一个重要工具，一个非常重要的方法。那么思想实验和科幻作品又是如何联系到一起的呢？

对科幻文学，我是不太熟悉，大概知道一点。硬科幻作品其实文字并不是最关键的，很多优秀的科幻作家也并不以文笔见长。其他的文学作品很大程度上是文字功力的一种展现。描写的是人，是人性。但是科幻文学的重点不在这里。有人可能会说，科幻最重要的是想象力。其实想象力这个概念本身也是模糊的，那么乱开脑洞算不算想象力呢？

其实想象力本身是有规律可循的。人们总是从几个基本的公设出发，用逻辑推演来搭建一个理论体系。其实这个办法不仅仅是在科学研究上实用，在搭建文学作品的设定上也是非常有用的，特别是科幻作品。卢卡斯的《星球大战》是有一本设定手册的，同样《阿凡达》也有一本设定手册，卡梅伦还很自豪的说，比《星球大战》那本设定要厚。他们的科幻作品能展现出一个非常有想象力的故事，很大程度上是得益于这套严谨的设定。

其实，逻辑推导部分是个技术活儿，体力活。最关键的是最开始的那几条人为设定，这种设定并不是逻辑推演的结果，全看设定者的想象力如何了。设定的好，后边的东西就像行云流水一样自然而然的冒出来。设定差的话，推不了几步就走不下去了。黑暗森林法则就是大刘非常精妙的一个设定。在此基础上，展开了一系列的故事，引导着情节的承转启合。

可能有人会发现，大刘的这一套黑暗森林法则也不是凭空想出来的，很像是社会学家霍布斯理论的宇宙版，霍布斯认为人类的自然状态就是一切人对一切人的战争，因为没有一个政府出来制定秩序。宇宙里的各个文明也是没有一个上级政府的，当然是处于自然状态。

霍布斯就一定对吗？未必啊。但是社会学的问题是没办法做实验验证的。不过这个思想在大刘的小说里测试了一把，大刘的小说可以说就是一个思想实验。

其实很多科幻小说，都可以看成是思想实验。我们现实生活里没有办法完成的那些测试，可以在文学作品里尽情的去测试。刘慈欣的脑子里其实冒出过大量的想法，他肯定是翻过来调过去的，一次次做了各种各样的的社会学的思想实验。这在他的文学作品里面是有所体现的。当然，我们希望，他能把那些想过但是没写过的思想实验展现给我们，好在有了《刘慈欣的思想实验室》。12月1号上线，我们拭目以待。

其实我已经等不及了，倒是快点儿上线啊！

大刘的节目，你不听一下吗？

https://www.ximalaya.com/keji/19328981/

工业革命—正传：63.祖传秘方 Nov 17, 2018

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就在1940年的八月份，一个代表团来到了美国，丘吉尔首相说了，不需要跟美国太计较，为了讨美国的好，加强军事合作，英国人把压箱底儿的好东西都给带来了。美国人一看，俩眼发直，乜呆呆发愣，不由得倒吸一口凉气。这些东西极大的改变了战争的进程，而且还在战后极大地改变了我们的生活。

这些技术都是些什么呀？无线电近炸引信，炮弹靠近金属东西就爆炸。用在高射炮上特别好使，打飞机的概率大大提升。陀螺仪控制的投弹瞄准具。这东西用在轰炸机上效果不错。有人说这些东西跟生活没有半毛钱关系啊，别急啊。

英国人告诉美国人，用核裂变来制造炸弹是有希望的，先告诉你们一个信儿。英国把弗里施—佩尔森备忘录交给了美国人。弗里施的姨妈就是就是丽泽·迈特纳，她和奥托·哈恩一起研究核裂变现象，正确的解释了核裂变现象。佩尔森在海森堡手下工作过，也是这方面的专家。他们两个从德国跑了出来，去了英国人那里。他们粗略计算出了铀235的临界质量，这个质量并不大，制造的炸弹飞机能扛得动。也就是说原子弹是有实用化的可能性的。

这个计算结果太关键了，海森堡这辈子栽跟头就栽在这件事儿上。要想了解有关原子弹制造的历史，可以去买我新出的一本书叫《无中生有的世界—量子力学外传》，书里写的比较详细，还有很多插图。或者，也翻我以前的音频来听，我以前是讲过的，我就不多讲了。

英国人把家底都露给美国人了，好东西还不止原子弹这一项，还有一项叫喷气发动机。航空涡轮引擎。这东西厉害啊，可惜二战没有发挥太大作用，因为喷气发动机一直不成熟。应用的机会也不多。到了战后才走向成熟，航空业也就进入了喷气时代。这个不去过多提及了，以后总有机会讲航空航天的。先挖个坑，以后慢慢填。

第三样关键是宝贝叫做多腔磁控管技术。这个东西简直太神奇了。这个技术可以说是跟我们的日常生活联系最紧密的一个技术了，每天大家几乎都会用到这个东西。它就安安静静的隐藏在每家每户的微波炉里面。多腔磁控管可以发出功率巨大的微波辐射，是高性能雷达的关键器件……

工业革命—正传：62.悲剧 Nov 10, 2018

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无线电波在当时已经不仅仅是用来收发电报了，很多人还在进行语音通信的尝试。假如要发送语音信息。火花间隙发报机就不够用了，必须从原理上彻底革新。当时很多人开始用高频发电机来直接产生高频交流，不借助于火花。当时人们意识到，火花发报是一个非常浪费的事情。火花发出的无线电波有大量的杂波，各种频率都有，真正有用的却很少，典型的费力不讨好。高频交流发电机可以发出连续的，纯正的正弦波，可以当做无线电音频广播的载波。

但是要想让无线电波携带音频传出去，该怎么做呢？用碳精话筒控制交流电的强度，信号随着音频忽强忽弱。接收机用矿石检波器或者是真空管检波器就能把声音从无线电波里面提取出来。最开始的几个广播电台就是这么干的。但是效果很差。因为流过话筒的电流过大。话筒是会发烫的。不得不用水冷来冷却话筒。那年头话筒比如今的CPU都娇气。收音机效果也不行，估计只能听见流水的声音，说话是听不清楚的。就这样，美国的第一家广播电台播放了两段冷笑话和一支小提琴曲，这也是世界最早的广播电台之一。

工业革命—正传：61.世界大战 Nov 03, 2018

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德国人不论是制造炸药还是制造化肥，都已经不再担心被英国人掐脖子了，空气之中的氮气有的是。到了1914年，再也没什么能阻止威廉二世发动一场世界大战了，新崛起的大国要争取阳光下的地盘。

德国地理位置不好，一直是两面树敌。东面是俄国人，西面是宿敌法国。德国人制定了一个施里芬计划，就是利用自己的工业化的优势，玩一场时间差。俄国人工业化程度低，地域广阔，战争动员集结大队人马是非常慢的，德国利用自己的优势，先集中力量左一拳打垮法国，趁俄国人还没反应过来，右一拳打垮俄国。德国人全盘计划都是按照这个思路去谋划的。德国人的严谨是出了名的，他们计划周详，算无遗策，而且执行起来也不折不扣。

如此精妙的一个计划，最大的缺点就是灵活性不够。他们的计划有个前提，那就是俄国人不能抢跑，发令枪没响呢，俄国人就提前抢跑了，俄国人提前进行战争动员了。把威廉二世吓了一跳。但是战争的所有计划以及执行的人员都像精密的机器，一环扣一环，改动不了。只能按照原计划执行，先打法国，德国人陷入了两面作战的境地……

工业革命—正传：60.天使与魔鬼 Oct 27, 2018

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欧洲那个时代的局面非常复杂，各个国家之间分分合合，大英帝国依然很强大但是已经开始衰落，如日中天的维多利亚时代过去了，英国已经日头朝西了。美国才是八九点钟的太阳，德国人也赶上来了。其实大家都打算从英国身上咬下一块肉，英国看着法国觉得别扭，对俄国更是警惕，威廉二世觉得咱们两家结盟吧。反正英国王室也有德国血统。英国躲还来不及呢，要是英德结盟，德国必定成为欧洲大陆的霸主，也就没人能制约德国了，所以英国人肯定不能跟德国结盟。人家打地鼠模式嘛，看你跳得欢，不打你谁打谁啊！

最后德国只有和奥匈帝国作伴。奥匈帝国和俄国在巴尔干半岛抢小弟，闹出一大堆矛盾，结果德国又和俄国闹翻了。法德作为欧洲大陆的两强，那是不可能并立的，一直是死对头，德国已经很孤立了。英国人其实心里有底，他们知道，德国人要打仗，需要造大量的军火，军火是离不开硝酸的，黑火药，一硝二磺三木炭，这个硝就是硝酸钾。诺贝尔的炸药叫“硝酸甘油”，也是离不开硝酸的。德国的化学工业比较发达，特别是染料工业。1742年，当时的一个德国化学家搞出了一种黄色的染料，在此后的100年里，也一直是当做染料去使用的……

工业革命—正传：59.冰海沉船 Oct 20, 2018

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1912年，马可尼公司派驻的两位电报员登上了白星航运公司最新的一艘豪华邮轮泰坦尼克号。船上的电报机是马可尼公司租给白星航运公司的，连人带机器一起出租。年长的这位叫杰克·菲利普斯，年轻的这位叫哈罗德·布莱德。他们都在不同的船上当过报务员。他们这是第一次随着泰坦尼克号出航。

船上的无线电室一共有三间。一间是宿舍，一间是发电机房，一间是电报机房。为了怕吵，发电机房是有隔音措施的。发电机用的是内燃机带动，与船上本身的电源无关。这艘船非常的先进，用的无线电设备叫做旋转式火花间隙发射机，功率高达5千瓦，在当时算是最先进的无线电发报机了。别的发报机发出的信号都是模糊不清的，这种旋转式火花间隙发报机的信号极为清晰。别人在耳机子里面听到的是清清楚楚的滴滴滴声音，一点没有抖动和拖泥带水。这是为什么呢？

我们前面讲述了火花间隙发报机的基本原理。就是电容充电充足了就打一个火花，形成一个脉冲，然后等电容再次充电，然后再来一下。脉冲信号按理说也应该是清晰稳定的。实则不然，因为电极老是打电火花，会变得滚烫甚至发红。温度一高，什么都不对了。空气也被加热了，变得更加容易电离。电极也是热的，变得容易发射电子。电容器的电压还没充到额定数值呢，这边已经忍不住“早泄”了，火花提前打出来了。电火花变得不稳定，发射功率也打折扣。于是旋转火花间隙发射机也就应运而生。连个电极之间拉开距离，中间放进一个转盘，上边排列一系列的电极。这一根棍子横到两个电极之间的时候，立刻打一个火花。转开了，火花熄灭。等下一根棍子横过来，再打下一个火花。发报机发出的脉冲完全取决于电动机转动的有多快，而且功率可以更大……

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