一根電纜連起歐美大陸，人類通信歷史從此改變_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！06-08 13:44
如今，我們已無法想象沒有移動通信和互聯網的世界將會怎樣。回顧歷史，這是一代代科學家、工程師和企業家協同努力的成果。許多科學家已彪炳史冊，而產業的建設離不開“冒險事業的經營者或組織者”——這就是企業家（entrepreneur）最初的意思。本文主要講述跨大西洋通信建設的傳奇故事（無線通信將在下一篇文章介紹），致敬永不褪色的科學家和企業家精神。
撰文 | 楊偉峯（無線電管理從業者）、王楓（河北科技師範學院副教授）
偉大的構想往往就像天方夜譚
從十八世紀六十年代起，由英國發起的工業革命極大地推動了科學技術的發展和財富的積累。隨着電磁學的發展和有線電報技術的應用，到了十九世紀中期，有線電報線路已在歐亞以及北美大陸遍佈開來，極大降低了溝通成本。從歐洲到北美大陸的商船頻繁往返於大西洋東西兩岸之間，當時單程航行仍然需要10天左右，兩岸及時通信十分必要，跨大西洋通信業務商機巨大。
1854年1月，弗雷德裏克·牛頓·吉斯本（Frederick Newton Gisborne）在英屬紐芬蘭島敷設到美國的電報電纜，因資金不足公司破產後，到紐約尋找支持。他找到了美國年輕的大富豪塞勒斯·韋斯特·菲爾德（Cyrus West Field），提議籌資在紐芬蘭島的聖約翰斯和美國紐約之間建立一條電報線路。但格局遠大的菲爾德認為，僅僅為了縮短一天的通信時長而投資這個項目有點不划算。如果敷設一條從愛爾蘭到紐芬蘭的電纜，那縮短的通信時間就不只是幾天了——這根電纜就把歐洲和北美大陸連在一起，工程將意義非凡。跨越大西洋電報通信的構想就這樣被提了出來。
菲爾德原是在造紙行業發家致富的，在電報行業是個絕對的外行。起初，他對這項工程所涉及的科學技術幾乎一無所知，這也正是他的幸運之處。事實上，正是因為他不懂，才沒有放棄這個偉大的構想——在別人眼裏這簡直就是天方夜譚，是不可能完成的任務。
這個史無前例的國際合作大項目，除了涉及政治、經濟、軍事、外交等諸多因素之外，還面臨很多科學、技術、工藝和材料難題。當時，地面電報業已經開始嶄露頭角，歐洲和美國已經部署了幾條較短的海底電纜。【注：1851年，佈雷特（John Watkins Brett）在英吉利海峽鋪設了第一條海底電纜，把英國和歐洲大陸連接在一起。】其中投入運營最長的海底電纜長度僅177千米，深度不超過550米。而鋪設跨越大西洋的電纜長度要超過3200千米，最深達4750米。跨大西洋電纜的長距離對通訊提出了一些獨特的挑戰，特別是因為傳輸理論和電纜設計仍處於爭議之中。這種難度就好比1957年有人看到蘇聯發射了第一顆人造地球衞星，就要組織隊伍到月球探險一樣。
幸運的人得到了寶貴的支持
摩爾斯電碼的發明者和美國陸上電報線路建設的先驅塞繆爾·摩爾斯（Samuel Morse）早在1843年就設想過電報線路穿過大西洋的事。當菲爾德徵求他的意見時，他熱情地支持了這個設想。雖然摩爾斯已在電報業大名鼎鼎，但他其實是畫家出身，電學理論知識並不紮實。菲爾德還寫信徵求了美國海洋學家、海軍軍官馬修·方丹·莫里（Matthew Fontaine Maury）的意見，莫里認為從紐芬蘭島到愛爾蘭島兩地之間的海底高原地形非常適合敷設海底電纜，併為他提供了精確的海洋測繪數據。這對菲爾德來説是如虎添翼！
1854年，志在必得的菲爾德説服另外四位富豪共同加入了由企業家、投資者和工程師組成的所謂“電纜內閣”（Cable Cabinet）。這5個人決定籌集150萬美元投入到這項偉大的事業中，這在當時是一筆驚人的鉅款（當年聯邦政府的總開支略高於5800萬美元），但事後證明這個金額還遠遠不夠。他們從吉斯本手裏接管了紐芬蘭電報公司，承擔了它5萬美元的債務，併成立了“紐約—紐芬蘭—倫敦電報公司”。紐芬蘭議會希望這個工程可以推動紐芬蘭的經濟發展，因此很快為他們頒發了特許執照，授予公司在紐芬蘭島上50年電報線路的特許經營權。1855年，這些投資者成立了美國電報公司，並開始收購其他公司進行整合。1856年10月，菲爾德在倫敦組建了大西洋電報公司（Atlantic Telegraph Company，簡稱ATC）。1857年，公司在英國獲得融資並得到美英兩國政府的支持後，開始鋪設第一條橫跨大西洋的電報電纜。
失敗是成功之母
菲爾德的堅定決心和強大執行力是他成功的核心要素，但倉促開工成了整個工程的最大錯誤。當時電學工程師和理論專家們對這史無前例的工程各執己見，無法達成共識。本應該先通過可行性試驗後再施工，然而公司董事們進行決策主要看的是時間和速度。
因為海水是導電的，當電報纜線浸入海水中，其電容會擴大20倍左右，信號傳輸速度會明顯降低，導致通信延時。以摩爾斯、英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）和公司的初任首席電氣技師愛德華·懷特豪斯（Edward Whitehouse）為代表的一派認為，海底電纜的導線應儘可能細，以限制信號的延遲。而電纜越粗，就需要更多的電量來填滿。這一點和水管相似，水管必須注滿，水才能從另一端流出來。
另一派設計方案以威廉·湯姆森（William Thomson）為代表。通過對瞬時電流的研究，他得出“平方定律”，即信號延遲量與電纜長度的平方成反比。湯姆森建議使用由最純的銅製成大直徑纜芯，以降低電阻。他的觀點贏得了首席工程師查爾斯·布萊特（Charles Bright）的贊同。但這種電纜設計方案比摩爾斯—法拉第的方案要重得多（金屬纜芯和古塔膠絕緣體每海里的重量都應該達到392磅），成本也更高，大西洋電報公司並沒有採用這個方案。最終成型電纜的銅芯每海里僅重107磅，遠沒有達到湯姆森和布萊特要求的392磅。湯姆森對電纜進行局部測試後，更加驚駭：纜芯用銅的純度遠遠不夠，導電能力很不均衡，有些部分的導電能力是其他部分的兩倍。
完工的電纜直徑只有人的食指那麼粗，纜芯由7根銅線組成，銅芯外包裹三層古塔膠。在膠層外，使用瀝青、柏油、亞麻籽油和蠟油的混合物浸透的麻布纏繞，外面將18股鋼絞線的護套（每股7根鐵絲）纏繞成緊密的螺旋狀，這種電纜能夠承受幾千牛頓的拉力。湯姆森深入研究了電纜的受力問題，建立了一套海底電纜的應力理論，在《Engineer》雜誌上發表了相關論文。
1857年，大西洋電報公司在英國獲得融資並得到美英兩國政府的支持後，開始鋪設第一條橫跨大西洋的電報電纜。電纜兩端的愛爾蘭和紐芬蘭相隔約3200千米，是歐美大陸的最短距離。當時世界上還沒有任何船隻能夠運載2500噸重的海底電纜在大西洋的風浪中遠程航行，因此只能僱傭兩艘船各載一部分電纜在某個地點接合（第一次從愛爾蘭向紐芬蘭敷設的方案失敗後，改為兩船在大洋中心點匯合，接合電纜後再向相反方向敷設）。英國皇家軍艦阿伽門農號和美國軍艦尼亞加拉號各自運載一半的電纜執行敷設任務。不幸的是，工程失敗了兩次，電纜在船隻運輸途中突然斷裂而丟失。1858年8月4日，第三次嘗試終於成功。
1858年8月16日，維多利亞女王用摩爾斯電碼向美國總統詹姆斯·布坎南（James Buchanan）發送了一條信息，儘管速度很慢——98個詞的賀電發了16個半小時——但這一成功讓紐約人全城歡慶。然而，電纜的信號日漸微弱以致完全中斷，在三個星期後就徹底不通了。結果，菲爾德一夜之間從“英雄”淪為“騙子”，還差點破產。
深入調查失敗原因
為了調查這個重大項目失敗的原因，英國經濟委員會和大西洋電報公司各委任了4名委員組成“調查委員會”。其中包括電學專家查爾斯·惠斯通（Charles Wheatstone）和威廉·庫克（William Cooke），兩人早在1837年就獲得了英國的電報技術專利。這份著名而浩繁的報告，深入分析了失敗的原因，人們從中吸取的教訓使海底電報技術乃至電子工程技術有了飛躍的發展。
報告指出其中一個重要的原因是在測量電流和電阻這些基本量時缺少統一的單位，甚至這些術語還沒有標準化。1861年，英國科學促進協會（British Association for the Advancementof Science）據湯姆森、布萊特等人的建議設立了一個電學標準委員會（Committee of Electrical Standards of the British Association），為電學單位制定統一標準。多年以後，湯姆森在1893年芝加哥召開的國際電學大會上，提出了採用伏特、安培、法拉和歐姆等作為電學的基本單位，這些國際標準獲得正式通過並被沿用至今。
另一個教訓是敷設之前應對電纜做整體的測試，檢測電纜的導電性和整體絕緣性。調查報告的結論認為，公司在1857年生產和敷設電纜過於倉促，這主要歸因於菲爾德。衝動和幹勁兒是他的優點，也是他作為企業家的缺點。
懷特豪斯的固執己見，也是失敗的直接原因之一。他拆掉了湯姆森精緻靈活的鏡式檢流計，安裝了他自己發明並且申請專利的繼電器。他還執意採用能產生幾千伏電壓的龐大感應線圈，而放棄使用能夠產生更為適度電壓的可以用鏡式檢流計測量的電池。“調查委員會”認為，3200千米海纜的巨大阻抗使信號嚴重衰減和延遲，懷特豪斯提高電壓超出了電纜的承受範圍，燒壞了電纜。懷特豪斯在聽證會上激烈地為自己辯護，他還舉證説菲爾德不給他做實驗的時間。
面對公眾的質疑、謾罵和誹謗，菲爾德沒有被打倒。1865年他重新籌集資金，繼續為自己的理想奮鬥。此時，有線電報的研究更加成熟，比如湯姆森發明的鏡式檢流計能通過導線上小鏡片的細微轉動（光學放大）讀出衰減1000倍的信號，解決了先前海纜中信號嚴重衰減的問題。公司根據湯姆森等人的意見，更換了更粗的電纜降低纜芯的阻抗。另外，世界第一巨輪“大東方號”（Great Eastern）號已經建成，並且恰好閒置。擁有了新的電報技術、電纜工藝和這艘排水量兩萬兩千噸的巨輪，之前無比困難的事情變得簡單了許多。7月23日，“大東方號”出航，開始了菲爾德的又一次嘗試，但在離北美還有兩天航程的時候電纜突然斷裂，這第四次嘗試再次失敗。
成功的幸福終於來臨
1866年7月27日，好運終於來臨，“大東方號”成功完成了從愛爾蘭瓦倫提亞（Valentia）到紐芬蘭哈茨康坦特（Heart’s Content）的鋪設。新電纜性能更佳，幾乎提供了跨越大西洋的即時通訊。後來，此前丟失的電纜被撈起，又重新敷設使大西洋電纜成為雙線，傳輸速度比1858年快50倍。由於敷設大西洋海底電纜有功，英政府於1866年封湯姆森為爵士。1892年，為表彰他在電纜工程和電報技術方面的卓越成就和科學貢獻，維多利亞女王親自加冕他為第一代開爾文男爵（First Baron Kelvin），即開爾文勳爵（Lord Kelvin）。
1867年，菲爾德獲得了美國國會頒發的金牌，並在巴黎舉行的國際博覽會上獲得了特等獎，以表彰他對敷設跨大西洋電纜的貢獻。
“新舊世界聯結成了一個共同的世界……地球好似在用一顆心臟跳動”，奧地利作家斯蒂芬·茨威格（Stefan Zweig）在其《人類羣星閃耀時》一書中，把大西洋電纜敷設看作是影響人類文明進程的14個瞬間之一，並高度讚揚了企業家菲爾德百折不回的堅韌意志。
1858年大西洋電報電纜的信號傳輸速度是每小時幾個單詞，1866年則達到了每分鐘6-8個單詞。到19世紀末，英國、法國、德國和美國將他們擁有的電纜相聯，組成電報通信網絡，世界因此變得更“小”了。
人們對通信的渴望是無止境的，隨着通信技術的升級換代，傳輸速度更快容量更大的光纖出現並逐漸替代了電纜。在通信歷史上還有一項關鍵的技術發展——無線電通信，也是科學家與企業家合力的偉大貢獻，我們將在下一篇講述。
主要參考文獻
[1] John Steele Gordon. A Thread across the Ocean:the Heroic Story of the Transatlantic Cable [M]. NewYork:Harper Perennial,2003:46,53,102—110,180—192.
[2] History of the Atlantic Cable & Undersea Communications(from the first submarine cable of 1850 to the worldwide fiber optic network)參見：
https://atlantic-cable.com/
[3] The First Transatlantic Telegraph Cable Was a Bold, Beautiful Failure 參見：
https://spectrum.ieee.org/the-first-transatlantic-telegraph-cable-was-a-bold-beautiful-failure
[4]Historical figures of the IEC.參見：https://www.iec.ch/history
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