传感器和可感物：一份历史调查
查尔斯·贝瑞特
传感器的历史对于它自身来说并不是那么辉煌。人类经常把传感器当成自己的眼睛和耳朵来感知世界，同时，也用一系列的工具来拓展这些基本功能，来观测我们的周遭并追踪那些其他的极其微小的现象。
这些“工具”甚至不需要是高科技。众所周知的煤矿中的金丝雀就是一种感知毒气的传感器，盲人的拐杖就是其感知前方事物的传感器。事实上，传感器就是任何对世间状态作出测量并感知的事物。这样一个定义可能会带来很多知识建构方面的问题，但这也是对传感器技术的一个简要且广泛的审视。这涉及很多案例，但是很遗憾，这些案例更多的是来自于西方世界。即便如此，我们仍然希望这可以展现出传感器在人类感知史上的大量运用。
考古学线索指出，人类在史前就已经开始制作传感器。人们从最早期文明的废墟中挖掘出了秤，它主要用于交易和课税时的称重。农业需求同样引导人们用永久的标记去追踪天体运行轨迹。新石器时代的石环，比如巨石阵，以及岩窟庙建筑阿布辛拜勒神庙都是用于观测天空来预测春季解冻和秋季丰收的巨大设备。同样，靠近现代开罗的地区，也就是尼罗河分叉到它广阔的三角洲中的地方，传统上就是运用一种叫作水位计的庞大设备来监测每年的洪水。一个可靠的涨水警报可以决定一年的丰收与否。
当这些最早期的传感器用于监测超自然力量时便失去了任何意义。神谕、魔力、预兆看起来与命运和灵魂相关。一些神职人员专门解读动物骨骼和内脏来理解世间运作的力量；把一个疑似的女巫扔到湖里，似乎也曾被认为是一个探测黑魔法的可靠传感器。
然而，一些占卜的方法事实上促进了今天被认为是科学传感器的事物的发展。早在中国汉朝，最初的磁力指南针在它被发明时主要是用来占卜和看风水的。但是在公元12世纪前，中国和西方世界都没有将其用于航海。直到那时，旅行者仍然靠观察星星来辨别方向，当然，天文学的实践研究在当时也与以占卜为目的的占星术极为相关。确实，12星座每个星座30度引导出了360度的几何测量。
在很多文化中，人们追踪星座移动轨迹不只是为了记录年份，也是为了在晚上找到方向。古希腊天文学家喜帕恰斯（约前190—前125）据信是发明星盘和浑天仪的人。这些设备是用于预测巨大物体的运行轨迹、导航以及计时的。后来，六分仪和照准仪也被天文学家用于测绘天象。
一些希腊天文学家用有限的设备解决了很多令人费解的难题。其中一个最具智慧的实验是由希腊博学者埃拉托斯特尼（前276—前195）主导的，他曾通过一个很好的方法估算出了地球的周长。据传，埃拉托斯特尼发现太阳会直接照射到埃及阿斯旺的一口井中——恰恰大约是在北回归线上，也就是当时地球上最靠近太阳的点。所以，埃拉托斯特尼同时又测量了亚历山大港的一座方尖碑的阴影长度。埃拉托斯特尼取了阿斯旺到亚历山大港的距离长度，推算出这两点之间弧线的曲率，以惊人的准确度计算出这个星球的周长。
虽然埃拉托斯特尼可能是通过一个奴隶计步来估算测量整个旅程的距离，但是这些古人也开发了一些设备来更加精确地计量距离和速度。建筑学理论家维特鲁威（前80—15）绘制了一种里程表的原理图，当车轮每次转动特定圈数时，它就会记录下1英里。另外，当测算海上航行速度时，是通过一段粘在丢出船外的厚木板上的有节绳子来实现的。当船运行时，一个水手数自己手中穿过的绳子节数，因此测量出在特定时间内船运行的距离，时间通常是用沙漏计算出的。这些信息帮助船员在航行中为船只定位，也可以粗略地引导船只到达它的港口。
罗马帝国衰落之后，科学和技术的中心转移到了伊斯兰世界。在巴格达和大马士革这样的学术中心的学者们，为了安排祷告时间和绘制麦加的方向，在天文学方面取得了尤其惊人的进步。伊斯兰的科学家同时还是卓越的化学家，他们在摸索炼金的捷径时，详尽地记录了不同物质的性质和转化的可能性。
文艺复兴时期的欧洲逐渐走出“黑暗时期”，很多新的仪器和度量法应运而生，在一些城市科学实验室的文化也发展起来。列奥纳多·达·芬奇（1452—1519）有几百项发明。他发明了测量湿度的湿度计和测量风速的风速计。但是文艺复兴时期最值得一提的科学进步来自于制造了望远镜和显微镜的精密光学。有了这些工具，科学家们能够观察到普通视力所不能观察到的现象。有了这些新设备和传感器，曾经一度不可见或无法观察到的东西都进入了能被合理探索的范围。第一架望远镜发明自荷兰并被用于观测土地和海洋，而伽利略·伽利莱（1564—1642）改进了这项设计，把望远镜用于观察月亮、星星和行星。伽利略还被誉为第一个发明了体温计的人。他观察到一些液体随着环境温度变化出现的膨胀和收缩的现象，由此设计了这项发明。伽利略的朋友埃万杰利斯塔·托里切利发明的气压计却是个极其有趣的例子。虽然气压的变化对我们来说是几乎无法察觉的，但这种变化对于预测天气的改变却能起到指示作用。由此，气压计或许是第一个没有增强例如视觉或触觉的人体感官能力，却让人们在使用之后得到了一种全新能力的仪器。据说哲学家布莱士·帕斯卡（1623—1662）把气压计带到了克莱蒙费朗最高的多姆火山熔岩穹丘顶（Puy de Dme）以证明高海拔处气压会降低的现象。
宗教改革政治动乱时期，旅行危险且昂贵，许多学者通过信件保持互相的联系与合作。天文学家第谷·布拉赫（1546—1601）是一位极为积极的网络化（并非互联网——译者）数据搜集的组织者。在他丹麦的城堡天文台里，他把观测表格打印并邮寄给了遍布整个欧洲的天文学家。通过研究这些数据，他绘制出了那个时代最精确和完整的星相图。法国天文学家尼古拉斯-克洛德·法布里·德·佩雷斯克（1580—1637）也利用邮政系统联合了一些分散在各地的科学家观察日食。通过收集这些数据，佩雷斯克绘制出了更准确的经线和更精确的地图。
对于海上航行来说，确定经度更为困难。伦敦皇家学会成立了“经度奖”，悬赏20000英镑请人解决这个问题。最终的解决方案，是制作一个小而结实的钟带到船上，确保它的时间与一个已知地点的中央时钟时间一致。这个钟的制造者约翰·哈里森（1693—1776）以他的航海计时器的发明领取了这个奖赏。将这个钟与格林尼治天文台的中央时钟同步，航海者可以观察太阳的方位并比对格林尼治时间，国际计时的本初子午线标准就起源于这里。
其他几个启蒙运动的发现直接源于不断精准的传感器。约瑟夫·普利斯特里（1733—1804）在他的时代是一位领先的化学家，他相信火是由一种物质的释放产生的，他将这种物质称为燃素，虽然从没有人见过或者检测出燃素。安托万·拉瓦锡（1743—1794）最终质疑了他的理论，他用一个足够精确的秤证实物质并没有因为燃烧变轻（因为如果物质释放燃素，可想而知它是会变轻的），反而通过氧化轻微地增加了重量。因为这个伟大的发现，拉瓦锡被视为近代化学之父，尽管他在法国大革命中被送上了断头台。
新发明跟随着另一个革命——工业革命而大量涌现出来。回顾这个时期，哲学家阿尔弗雷德·诺斯·怀特海德（1861—1947），曾经评论19世纪最伟大的发明就是发明这种行为本身。这是对推动人类现代化的狂热的技术发展中却只有相对缓慢的科技进步的温和批评。
19世纪的一大变革是家庭用电的普及，而这也标志着传感器历史的转折点。其原因主要有以下几点：首先，电报，作为首个即时传播的媒介，十分依赖电力。其次，足够的电力也可以使传感器得以自动化。最后，如今许多传感器都依靠能量转换来运行，例如将一些物理的量，如声音或温度，转换成能量，这里的能量经常指一种电信号。我们接下来将讨论的传感器，以及许多我们今天所使用的传感器，都在很多方面依赖电力。
19世纪也迎来了保存声音与图像的技术。1839年，世界第一台照相机问世，由于当时照相机所使用的化学成分，使得其成像所需的曝光时间很长。不过，随着发明家研制出更敏感的胶片，照相机能够呈现的图像更加精细，包括一些画面的具体细节，也可以捕捉那些快速运动、肉眼所看不清的物体。历史学家认为，这正是人们开始从自身观察转向依赖机器进行观察的转折点，人类自己的观察往往囿于其自身的偏见，从而偏离了客观。
摄影师艾德沃德·迈布里奇（1830—1904）就曾很好地证明了这点。迈布里奇曾在马匹经过的跨栏旁设立了一组照相机，记录马匹运动的过程。整个摄像过程由专家利兰·斯坦福（1824—1893）完成，目的是平息一场关于马匹是否在跳跃时四脚离地的辩论。通过连续的拍摄，照片记录了马匹各个节点的动作，最终展现了马匹在跳跃奔跑时的确会四脚离地。这个例子表明，照相机的技术，可以平息一场通过人自身的观察难以化解的争辩。
同样，首个记录声音的设备也使得人类第一次能够分析、保存与控制声音。由于声音稍纵即逝，并且难以被复述，我们永远都无法确知古时候人们所使用的语言与音乐如何，因此人们发现记录声音的技术也是传感器历史上值得记载的一笔。世界上第一台记录声音的设备是法国人爱德华德-里昂·斯考特·德·马丁维尔（1817—1879）所发明的语音记录器，该仪器无法复制声音，但可以在声音出现时刻下印记。这些印记虽然很新颖，并可以唤起人们的情感，但它们仍然是静止的，有局限的。另一方面，托马斯·爱迪生（1847—1931）的留声机则是首个可以既创造声音，也可以复制声音以回放的机器，它的样子像是一个蜡桶。这两种机器，都通过气压将声波传导到刻针以刻录声音。1928年，随着磁带的发明，声音可以被多次刻录，声音之间也可互相覆盖，从而创造出比照相机所记载的单一时刻更为复杂的感官记录。
与此同时，19世纪，医疗仪器的发明使得医生能够监听病人的脉搏、呼吸率、体温与血压。勒内·雷奈克（1781—1826）医生看见孩童通过长木条听对方所发出的击打声，发明了听诊器。路德维希·特罗毕（1818—1876）医生意识到，病人的高烧可以和病人的患病与复苏的情况变化联系起来，因而病人的诊断与治疗记录开始包括病人的体温读数。在1896年，随着西皮奥内·里瓦-罗西（1863—1937）发明了血压计，血压指数也成为病人体征的另一指标。此后，威廉·埃因托芬（1860—1927）发明了心电图，通过电流计测量人的心电活动，并因此获得诺贝尔奖。
1950年，外科手术医生亚伦·希梅尔斯坦（生卒不详——译者）与马丁·席施尔（生卒不详——译者）同时在手术中监测病人的心跳与心电活动，这也是上述设备首度在临床中使用。病人的生命迹象会在一台示波器上以波纹的形式呈现，一旦生命陷入危险，该仪器便会发出报警声。这些仪器在20世纪60年代十分普遍，于是，不久之后，传感器的范围扩大至血压、呼吸率与体温。
在20世纪的前半部分，天文学家也在探索我们自己无法检测到的信号。那些对无线电信号、微波与X光敏感的望远镜，可以扫描并能够将从宇宙远处传来的能量绘制成地图。众所周知，美国航空航天局搜索外太空智能的项目，已将射电望远镜扫描获取的数据大规模分发给志愿者，这些志愿者将使用家里的电脑参与处理海量的数据。
天文学家也利用分光仪来分析别的星体所发出的光。从星体颜色的微小变化中，天文学家可以看出这些星体的组成和它们的活动。埃德温·哈勃（1889—1953）表示，星体发生红移表明它正在远离地球，这种远离由宇宙最初大爆炸所引发的宇宙膨胀所导致。类似的，当我们在太阳背面观察水星的红移
，可以发现一些爱因斯坦广义相对论的初步证据。
气象学也从19世纪所兴起的新兴技术中获益。1843年，艾利亚斯·卢米思利（1881—1889）用一些地方的气候数据，制作了第一幅气候地图，并将美国东海岸一天内的气压流、风向与气候条件全部标出。但他当时所使用的数据是过去的数据，因为他只能在事后收集到通过邮政寄来的那些数据。但在两年之后，当美国两座城市之间可以由电报相连时，当下的天气数据可以通过电报网络快速地传播，并使得人们可以在最初制作的气候地图上加上最新的气候数据。1849年，史密森尼学会便开始从140个志愿者那里获取天气信息。1856年，它完成了全美的每日气候地图。
随着监测天气的网点不断增加，气象学家开始将传感器置于盒子中来读数，就像温度计与气压计那样。被称为气象计的多用途传感器还可被绑在风筝或热气球上用于获得气流的有关读数。20世纪20年代，美国气象局派出一些飞机收集全美的气象数据。1928年，首台无线电高空探测器——一个无人控制的气象气球，在高海拔处收集到气象数据，并将它们通过无线电信号传送回家。在20世纪30年代，气象学家开始使用多普勒雷达来绘制整个地区降雨量的情况。
事实上，雷达与无线电技术的发明与气象实验紧密相连。在海因里希·赫兹（1857—1894）对无线电电波的研究之后，物理学家亚历山大·波波夫（1859—1906）在使用无线电电波研制会发光的传感器时，还在不经意间发明了雷达。波波夫注意到，每一艘他所用来读传感器读数的实验小船都阻碍了其他船的信号与读数，这却也使他能准确地知道其他小船的位置。古列尔莫·马可尼（1874—1937）在前人的这些经验之上，发明了世界上第一个无线电传播系统，可以用于无线发送电报。我们将那些有节奏的声音与雷达屏幕相连，那些声音会以莫尔斯码的节奏通过空气传播。
这样，马可尼的无线电报便与我们今天所接收的无线网络信号和手机传输信号有了紧密的联系。那些不连续的电报信号与数字信号十分相近，也与现在电子时代的许多语言与代码很相近。
由于如今我们仍会经常用到无线电波谱，我们应该意识到那些过去的技术鲜有过时。我们仍能看见一些人的房子的屋顶上装有风向标，指出风的方向；水银温度计仍能用于检查人们是否发烧；而磁石罗盘则仍然是十分有用的导航工具。数字化的工具现今才流行起来，在很多方面适合用来分析数据，但传感器的历史却很悠久。
虽然这一部分内容并没有涉及一些当下投入使用的传感器，但它旨在展现传感器在人类历史中的重要作用。我们对于这个世界的许多认知，都是通过那些延伸我们感官的传感器所获取。正是有了这些传感器，我们才能确定地说，昨天比今天更暖和。我们知道，什么时候是德里的半夜。我们仍可以听到温斯顿·丘吉尔的声音。
传感器也是传播媒体的核心，因为它能帮助我们获取与分发信息。上述的许多研究人员，都只能通过从许多零散的合作者那里获取数据信息后才能在自己的工作中取得进展。传感器使我们能调查我们无法看见、听见与触碰的对象。这些传感器工具让我们拥有了更多感知，当然它们也最难以被察觉。
[1] “红移”指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱线朝红端移动。——译者著