跨洲無線通信，他將夢想變為現實_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！06-13 10:08
歷經挫折與艱辛終於成功的菲爾德（見前文《一根電纜連起歐美大陸，人類通信歷史從此改變》），在人們的讚歎下，也曾天馬行空地期盼：如果電流不通過海底電纜，直接跨過大洋傳遞信息該多好。這個新的偉大構想，不只屬於他一個人。但想到和做到是兩回事，做到和懂得又是兩回事。關於這個新構象的故事更加精彩。
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）
無線電通信時代來臨
德國物理學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）在1886年至1889年間用實驗證實了電磁波的存在。他用感應線圈振盪放電，通過金屬線圈產生火花，在房間內另一個相似的金屬裝置的間隙發現了感應而來的電火花。赫茲的發現點燃了一位意大利青年為之奮鬥一生的夢想。他就是伽利爾摩·馬可尼（Guglielmo Marconi）。
1894年，馬可尼開始在家中的閣樓裏做起了實驗，利用無線電波實現了電報的發送與接收，並逐漸把收發距離擴大。1896年2月，他隨母親來到英國倫敦發展。第二年就在家族的幫助下成立了英國首家專門製造無線電器材的公司——馬可尼無線電報與信號公司。
1900年，由國際資本組成的兩家以馬可尼命名的公司在營業:一個是馬可尼無線電報和信號公司，另一個是馬可尼國際海運公司。當時新興的工業體系已經建立起來，馬可尼這兩家公司吸引了對高新科技感興趣的客户，得以有收入維持無線網絡的運行。其中一個最大的訂單來自於英國皇家海軍，馬可尼為28艘軍艦和4個陸上通訊站安裝了無線電設備。
馬可尼公司的業務四面開花，看起來發展很快，但公司依然沒有實現大規模盈利。叫好不叫座的原因主要歸於當時通信行業的經營環境。雖然起初的無線電通信實驗都是在陸地上開展的，但無線電技術的商業化運作卻是從海上開始的。岸與船之間，船與船之間的即時通信需求使新興的無線電技術有了用武之地。這並不意味着陸地上的通信不需要無線電，而是因為當時有線電報業務佔據了陸地上的通信經營許可權，不允許無線搶有線的飯碗。
海上通信的業務量不足以支撐馬可尼公司高額的建站布點和日常運營的支出，陷入窘境中的馬可尼必須尋求更大的機會來維持公司的發展運營。
又一個跨越大西洋的偉大構想
為了公司的盈利和長足發展，馬可尼謀劃了一件石破天驚的大事。從1901年開始，馬可尼下定決心把幾乎所有的精力和公司幾乎可以動用的全部資金5萬英鎊（這是公司成立最初4年來專利費收益總額的4倍）投入到無線電波跨越大西洋通信的試驗中。這真是一場豪賭！
他做通董事會的工作，以500英鎊的高額年薪（和馬可尼的年薪一樣）聘請了倫敦大學著名的電氣工程教授約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）作為公司的科學顧問，在英格蘭西南部康沃爾郡（Cornwall）的波爾杜（Poldhu）酒店旁邊建設通信站，在那裏設計和測試發射跨越大西洋信號的設備。馬克尼還額外允諾：如果信號成功穿越大西洋，除了公司給的固定年薪，自己還將向弗萊明轉讓500股馬可尼無線電報公司的股份。附加條件是：“如果成功跨越大西洋，主要榮譽將會並且必須永遠屬於馬可尼。”
馬可尼堅信無線電波能穿越大西洋，但是他不知道如何在工程上實現，弗萊明能找到實施的辦法。馬可尼是公司最大的資產，也是公司的招牌。只有像馬可尼公司這樣的組織，才能支持這樣的冒險行為。歷史學家們一致認為這件事取得成功，弗萊明起到了決定性的技術支撐作用，然而主要榮譽永遠是馬可尼的。
挫折和挑戰是必然的
弗萊明設計了一個帶有25千瓦交流發電機、2萬伏特變壓器和高壓電容器組成的發射器，能夠產生約2.5釐米長、手腕厚度的火花，這已經相當強悍了。發電機組和發射器的功率，應該是當時的世界之最，這套設備的發射指標遠超其他設備。
1901年9月17日，波爾杜通信站遭遇了嚴重的暴風雨襲擊，20根61米高的桅杆幾乎毀於一旦，嚴重破壞了發射系統的天線。為了不影響計劃實施，馬可尼決定臨時豎立起兩根49米高的桅杆來支撐天線。
在大西洋的對岸的紐芬蘭，經過多次勘察選址並綜合考量，馬可尼決定暫時不在雷斯海角正式建站 (之所以在1904年才建設此站，主要是因為之前佈設大西洋電報電纜的電報公司在紐芬蘭島享有1854年至1904年的電報通信的壟斷特權)，而是另擇他地用風箏或氣球取代固定的桅杆臨時搭建一套接收裝置。僅是試驗不是商業運營就不會違反當地的法規了。
11月22日，馬可尼給波爾杜通信站下達了發射信號的操作指令：當收到公司倫敦辦公室發來的電報後，每天在格林尼治時的下午3時至6時，持續發送簡單的摩爾斯電碼“S”，即“· · ·”。除週日外每天執行相同的程序，直到收到停止的通知。
1901年11月26日，馬可尼帶着他的忠誠助手喬治·坎普 (George Kemp) 和另一位助理佩吉特（P.W.Paget），還有兩噸重的鐵製調諧設備以及幾大缸硫酸，搭乘艾倫公司（Allan）的迦太基號（Carthaginian）從利物浦港駛向紐芬蘭的聖約翰斯港。
禁錮：這不符合常理
在此次橫穿北大西洋的航海旅途中，馬可尼心懷忐忑。當時絕大多數的物理學家認為跨越大西洋傳送無線電信號是不可能實現的。大家認為電波是像光一樣直線向外輻射，不會繞着地球的曲率行進。即便信號再強，發射出去的電磁波會成為地球的相切線射向宇宙，而不會落到數千米之外。
技術專家總是重點考慮科學發現的實際功用，科學家則專注於自然奧秘的本身。就連赫茲本人在完成著名的電磁波驗證實驗後，也認為這並沒有什麼實際用途。1889年底，德國電學技術專家和工程師霍布爾（Huber）給赫茲的信中提到了用電磁波（當時稱作“赫茲波”）進行通信的設想。可赫茲的回信讓他大失所望，赫茲認為如果要用電磁波進行遠距離通信，起碼得有一面像歐洲大陸那麼大的巨型凹面反射鏡才行，而且還要把它們掛到很高的地方。這個答覆實際上否定了霍布爾的設想。赫茲的答覆是經過計算的，這面大鏡子是為了照顧於當時人工所能生成電磁波的波長。
比起科學家思維，馬可尼更具備的是企業家思維，讓他願意相信電磁波會圍繞地球曲率傳播，一意孤行進行跨越大西洋無線電通信的瘋狂實驗，終究是背後巨大的商業價值！或許馬可尼的真正老師是歷經挫折敷設跨越大西洋電報電纜的美國企業家菲爾德。
無線電波跨越了大西洋
如果科學和技術的進步是有明確的方向，那它肯定是以人們的願望為指引。而人們的願望，往往要依靠能整合更多資源的人士來實現。
1901年12月12日下午，馬可尼和助手通過風箏升起的155米長的天線接收到了來自愛爾蘭的無線電信號。當他們在強風中聽到間隔的摩爾斯電碼“滴，滴，滴……”之時，興奮和喜悦之餘還不敢輕易相信這是真的：從波爾杜發出的無線電波沉穩的圍繞着地球曲率行進了3218.7千米，越過大西洋來到了紐芬蘭島聖約翰斯的信號山上！這次信號傳輸的距離是之前通信記錄的近10倍，證實了馬可尼所堅信的“無論距離多遠，無線電通信都是沒有限制的”想法是對的。
他們所接收的驗證信號僅是三個連續短促的“·”，這確實過於簡單。凜冽的西北風夾雜着設備的噪音，在長時間的緊張監聽下，他們自己也會懷疑是真的聽到了信號的聲音，還是自己的幻聽。所以，他們也打算第二天再收聽到更清晰的信號後再發布消息，可第二天因為天氣變得更加惡劣，沒有再收到信號。我們今天知道，由於太陽輻射的因素，在夜間比白天接收跨大西洋無線電信號更有利。馬可尼選在下午進行試驗是不利的。
馬可尼沒有貿然向外界公開消息，因為這個爆炸性的新聞必然會影響公司的股票價格。早在1898年，馬可尼跨海無線通信試驗成功的新聞，就使經營跨大西洋電纜電報公司的股價大跌。不過，在發佈消息前馬可尼能通過跨大西洋電纜向遠在倫敦的公司總部報告情況，公司就有機會在新聞發佈前注入更多股票籌碼，這種操作在當時的英國是合法的。
經過與公司倫敦總部溝通後，馬可尼12月14日向新聞界和意大利政府宣佈了消息。整個聖約翰斯沉浸在巨大的興奮之中，緊接着是新聞媒體的狂亂，全世界的報紙都在附和《紐約時報》的言論“馬可尼宣佈了近代最令人驚喜的信息科學發展成果”。12月15日（週日）《紐約時報》在頭版發佈了馬可尼跨大西洋信號的新聞，並刊登了一篇馬可尼的傳記。為使報道更為圓滿，《紐約時報》讓馬丁（Thomas Commerford Martin）來做結語。馬丁當時是《電氣世界》的編輯，電氣專業和媒體領域的權威人士，能在更大的背景中談論馬可尼的成就。
馬丁1884年參與創建了美國電氣工程師學會（AIEE，是如今舉世聞名的電氣和電子工程師學會（IEEE）的前身之一），並在1887年至1888年擔任該學會的主席。馬丁熱切地稱讚馬可尼是新生的青年科技天才，並表示他對於馬可尼成功跨越大西洋既驚訝又高興。
權威人士出面支持
事實上，學界和業界對馬可尼的試驗抱有懷疑，他們做接收信號時並沒有邀請其他專業人士在場，更沒有邀請媒體人士現場觀摩。現場除了他和助手坎普，沒有公司以外的第三人可以作證。
這時有專業人士力挺馬可尼,比如哥倫比亞大學著名的電力學教授、權威的物理學家邁克爾·普平（Michael Pupin）公開讚揚了馬可尼的壯舉。
但馬可尼最應該感謝的人是馬丁。因為馬丁判定馬可尼是值得信賴的風雲人物。為此，馬丁在1902年1月13日美國電氣工程師學會（AIEE）的年度晚宴上把這位年輕的意大利人安排為貴賓。馬丁曾是AIEE的主席和多次活動的主持人，他很容易説服學會的領導給馬可尼這個榮譽。然而，由於不是每個人都相信馬可尼的聲明，馬丁發現很難讓工程屆人士都來出席晚宴，因此他不得不求助伊萊休·湯姆森（Elihu Thomson，美國湯姆森·休斯敦公司的創始人，1892年這家公司與愛迪生的公司合併為通用電氣公司）支持這一活動。湯姆森認可馬克尼的消息傳開後，馬丁才得以讓華爾道夫—阿斯托利亞酒店300個座位的阿斯特長廊座無虛席。
儘管如此，馬可尼還想為自己找到更充分的證據。1902年2月，他搭乘客輪“費城號”從英國前往美國，船上配備了一套無線電報系統。在越洋航行期間，馬可尼週期性地收聽到來自波爾杜的摩爾斯碼消息，並邀請船長和大副收聽，他還在一張海圖上記錄下收聽到消息的時間和地點。這張在“費城號”上有目擊證人的海圖，更有力地證明了無線電波可以橫跨大西洋傳輸。事後多次的重複實驗和更遠距離的通信成功，證實馬可尼並沒有撒謊。
注：關於首次跨大西洋無線電波的具體頻率，馬可尼當時沒有向媒體透露。並不是他故意迴避波爾杜發射系統的技術指標，主要是當時的無線電頻率還很難精確測定。1903年，弗萊明在一次演講中説，估測當時波長應是1000 英尺以上。1904年，弗萊明發明瞭測定發射頻率（或波長）的設備。1908年，馬可尼在皇家學會的一次演講中説當時的波長應為 1200英尺，對應頻率為820 kHz。
跨越大西洋無線電通信成功為馬可尼公司帶來了重大收益和發展契機，但這次實驗的重大意義遠不限於商業價值。從人類對自然的認識方面來看，它的科學啓發價值更為珍貴。它不僅促使馬可尼和德國物理學家布勞恩（Karl Ferdinand Braun）由於發明和改進了無線電報而共同獲得1909年的諾貝爾物理學獎，更拓展了科學的視野。圍繞着跨大西洋無線通信的科學疑點和通信質量的改善，引發的思考和證實，就像推倒了多米諾骨牌，誕生了一連串的重大科學收穫。
收穫一：人類知道了電離層的存在
之所以不敢想，不敢做，甚至不敢相信這是真的，是因為當時人們不知道，地球外面的高空還裹着一層電離層，而電離層會反射電磁波，可以充當一面巨型的球面反射鏡，使電磁波在地面與電離層之間多次被反射，從而讓電磁波繞着地球曲率行進。
1902年，奧利弗·亥維賽（Oliver Heaviside）和美國工程師亞瑟·科諾爾裏（Arthur Kennelly）在同一時間從理論上證明了無線電波之所以在世界範圍內傳播，是因為它們在電離層中反彈起了一層帶電的氣體粒子。這一電離層後來被稱為“科諾爾裏-亥維賽層”。亥維賽是英國自學成才的數學天才、物理學家。他沒有接受過正規的高等教育，但在數學和工程上做出了眾多原創性成就。他創立向量分析學，將麥克斯韋方程組簡化為今天使用的形式，為電磁學的發展做出了重大貢獻。
1924 年英國科學家阿普頓（Edward Victor Appleton）在邁爾斯·巴內特（Miles Barnett）的協助下，用連續波進行了探測電離層高度的實驗，他們利用變換頻率的電磁波接收到來自電離層的回波，首次直接證實了電離層的存在。他們的實驗證實了高層大氣中存在一個導電層，可以反射地球曲線以外的無線電波，並且還表明有時反射可能來自第二層——更高的導電層。他們的初步發現於1925年發表在《自然》（Nature）雜誌上。阿普頓因通過對高層大氣物理性質的研究，證實了電離層的存在，而獲得了1947年的諾貝爾物理學獎。由此，引發了人們對地球大氣層的深入研究和新的探索。
收穫二：開啓射電天文時代
1927年，一個名叫卡爾·央斯基（Karl Guthe Jansky）的大學畢業生加入了剛剛成立兩年的貝爾實驗室，擔任無線電工程師。當時，穿越大西洋的無線電通信系統依然存在背景噪聲，他受命調查這些背景噪聲的來源，排除可能會影響信號傳輸的無線電干擾。
央斯基在設置了一套可以旋轉的大型天線，用來接收頻率為20.5MHz（波長14.6米）的無線電波。經過幾個月的記錄和分析，他將背景噪聲歸類成三種類型：附近的雷雨、遙遠的雷雨以及來歷不明的淡淡嘶嘶聲。他花了一年多的時間來調查第三種類型的背景噪聲，發現其強度每天都會漲落一次。
央斯基起初推測該噪聲是來自太陽輻射。然而幾個月後，最強的噪聲信號源開始遠離太陽的位置。他確定信號的重複週期為23小時56分鐘，剛好是地球相對於宇宙的自轉時間（恆星日），而不是太陽日（24小時）。央斯基認為它來自於銀河系中心，而人馬座方向的信號源是最強的。
他的發現受到廣泛宣傳，刊登在1933年5月5日的《紐約時報》上。他當年發表了經典論文《明顯的外太空電子干擾源頭》。他的這一發現標誌着射電天文學誕生，結束了以往人們只能通過可見光觀測宇宙的歷史，拓展了人類認識宇宙的視野，開啓了新的天文觀測時代。20世紀中期的四大重要天文發現——星際分子、類星體、微波背景輻射和脈衝星——都是通過射電天文的手段和方法取得的。
到此，關於跨越大西洋通信的兩個故事已到尾聲，但為人類謀取福祉的通信科學與工程仍然繼續發展着。這兩個獨立而又相互聯繫的故事，引出了一連串重大的科學事件和成果，這些傳奇令人唏噓，偉大的科學家和企業家精神值得銘記。
主要參考文獻
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https://www.otago.ac.nz/otagobulletin/news/otago740666.html
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出品：中國科協科普部
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