一根電纜連起歐美大陸，人類通信歷史從此改變

本文來自微信公眾號(hào)：返樸 （ID：fanpu2019），作者：楊偉峰、王楓

撰文 | 楊偉峰（無線電管理從業(yè)者）、王楓（河北科技師范學(xué)院副教授）

偉大的構(gòu)想往往就像天方夜譚

從十八世紀(jì)六十年代起，由英國發(fā)起的工業(yè)革命極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和財(cái)富的積累。隨著電磁學(xué)的發(fā)展和有線電報(bào)技術(shù)的應(yīng)用，到了十九世紀(jì)中期，有線電報(bào)線路已在歐亞以及北美大陸遍布開來，極大降低了溝通成本。從歐洲到北美大陸的商船頻繁往返于大西洋東西兩岸之間，當(dāng)時(shí)單程航行仍然需要 10 天左右，兩岸及時(shí)通信十分必要，跨大西洋通信業(yè)務(wù)商機(jī)巨大。

1854 年 1 月，弗雷德里克?牛頓?吉斯本（Frederick Newton Gisborne）在英屬紐芬蘭島敷設(shè)到美國的電報(bào)電纜，因資金不足公司破產(chǎn)后，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圣約翰斯和美國紐約之間建立一條電報(bào)線路。但格局遠(yuǎn)大的菲爾德認(rèn)為，僅僅為了縮短一天的通信時(shí)長而投資這個(gè)項(xiàng)目有點(diǎn)不劃算。如果敷設(shè)一條從愛爾蘭到紐芬蘭的電纜，那縮短的通信時(shí)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?？缭酱笪餮箅妶?bào)通信的構(gòu)想就這樣被提了出來。

菲爾德原是在造紙行業(yè)發(fā)家致富的，在電報(bào)行業(yè)是個(gè)絕對的外行。起初，他對這項(xiàng)工程所涉及的科學(xué)技術(shù)幾乎一無所知，這也正是他的幸運(yùn)之處。事實(shí)上，正是因?yàn)樗欢?，才沒有放棄這個(gè)偉大的構(gòu)想 —— 在別人眼里這簡直就是天方夜譚，是不可能完成的任務(wù)。

這個(gè)史無前例的國際合作大項(xiàng)目，除了涉及政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、外交等諸多因素之外，還面臨很多科學(xué)、技術(shù)、工藝和材料難題。當(dāng)時(shí)，地面電報(bào)業(yè)已經(jīng)開始嶄露頭角，歐洲和美國已經(jīng)部署了幾條較短的海底電纜?！咀ⅲ?851 年，布雷特（John Watkins Brett）在英吉利海峽鋪設(shè)了第一條海底電纜，把英國和歐洲大陸連接在一起?！科渲型度脒\(yùn)營最長的海底電纜長度僅 177 千米，深度不超過 550 米。而鋪設(shè)跨越大西洋的電纜長度要超過 3200 千米，最深達(dá) 4750 米?？绱笪餮箅娎|的長距離對通訊提出了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)，特別是因?yàn)閭鬏斃碚摵碗娎|設(shè)計(jì)仍處于爭議之中。這種難度就好比 1957 年有人看到蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，就要組織隊(duì)伍到月球探險(xiǎn)一樣。

幸運(yùn)的人得到了寶貴的支持

摩爾斯電碼的發(fā)明者和美國陸上電報(bào)線路建設(shè)的先驅(qū)塞繆爾?摩爾斯（Samuel Morse）早在 1843 年就設(shè)想過電報(bào)線路穿過大西洋的事。當(dāng)菲爾德征求他的意見時(shí)，他熱情地支持了這個(gè)設(shè)想。雖然摩爾斯已在電報(bào)業(yè)大名鼎鼎，但他其實(shí)是畫家出身，電學(xué)理論知識(shí)并不扎實(shí)。菲爾德還寫信征求了美國海洋學(xué)家、海軍軍官馬修?方丹?莫里（Matthew Fontaine Maury）的意見，莫里認(rèn)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(shè)海底電纜，并為他提供了精確的海洋測繪數(shù)據(jù)。這對菲爾德來說是如虎添翼！

1854 年，志在必得的菲爾德說服另外四位富豪共同加入了由企業(yè)家、投資者和工程師組成的所謂“電纜內(nèi)閣”（Cable Cabinet）。這 5 個(gè)人決定籌集 150 萬美元投入到這項(xiàng)偉大的事業(yè)中，這在當(dāng)時(shí)是一筆驚人的巨款（當(dāng)年聯(lián)邦政府的總開支略高于 5800 萬美元），但事后證明這個(gè)金額還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。他們從吉斯本手里接管了紐芬蘭電報(bào)公司，承擔(dān)了它 5 萬美元的債務(wù)，并成立了“紐約 — 紐芬蘭 — 倫敦電報(bào)公司”。紐芬蘭議會(huì)希望這個(gè)工程可以推動(dòng)紐芬蘭的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此很快為他們頒發(fā)了特許執(zhí)照，授予公司在紐芬蘭島上 50 年電報(bào)線路的特許經(jīng)營權(quán)。1855 年，這些投資者成立了美國電報(bào)公司，并開始收購其他公司進(jìn)行整合。1856 年 10 月，菲爾德在倫敦組建了大西洋電報(bào)公司（Atlantic Telegraph Company，簡稱 ATC）。1857 年，公司在英國獲得融資并得到美英兩國政府的支持后，開始鋪設(shè)第一條橫跨大西洋的電報(bào)電纜。

失敗是成功之母

菲爾德的堅(jiān)定決心和強(qiáng)大執(zhí)行力是他成功的核心要素，但倉促開工成了整個(gè)工程的最大錯(cuò)誤。當(dāng)時(shí)電學(xué)工程師和理論專家們對這史無前例的工程各執(zhí)己見，無法達(dá)成共識(shí)。本應(yīng)該先通過可行性試驗(yàn)后再施工，然而公司董事們進(jìn)行決策主要看的是時(shí)間和速度。

因?yàn)楹Ｋ菍?dǎo)電的，當(dāng)電報(bào)纜線浸入海水中，其電容會(huì)擴(kuò)大 20 倍左右，信號(hào)傳輸速度會(huì)明顯降低，導(dǎo)致通信延時(shí)。以摩爾斯、英國物理學(xué)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(rèn)為，海底電纜的導(dǎo)線應(yīng)盡可能細(xì)，以限制信號(hào)的延遲。而電纜越粗，就需要更多的電量來填滿。這一點(diǎn)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(shè)計(jì)方案以威廉?湯姆森（William Thomson）為代表。通過對瞬時(shí)電流的研究，他得出“平方定律”，即信號(hào)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制成大直徑纜芯，以降低電阻。他的觀點(diǎn)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(shè)計(jì)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(yīng)該達(dá)到 392 磅），成本也更高，大西洋電報(bào)公司并沒有采用這個(gè)方案。最終成型電纜的銅芯每海里僅重 107 磅，遠(yuǎn)沒有達(dá)到湯姆森和布萊特要求的 392 磅。湯姆森對電纜進(jìn)行局部測試后，更加驚駭：纜芯用銅的純度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)電能力很不均衡，有些部分的導(dǎo)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么粗，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(hù)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(yīng)力理論，在《Engineer》雜志上發(fā)表了相關(guān)論文。

1857 年，大西洋電報(bào)公司在英國獲得融資并得到美英兩國政府的支持后，開始鋪設(shè)第一條橫跨大西洋的電報(bào)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(dāng)時(shí)世界上還沒有任何船只能夠運(yùn)載 2500 噸重的海底電纜在大西洋的風(fēng)浪中遠(yuǎn)程航行，因此只能雇傭兩艘船各載一部分電纜在某個(gè)地點(diǎn)接合（第一次從愛爾蘭向紐芬蘭敷設(shè)的方案失敗后，改為兩船在大洋中心點(diǎn)匯合，接合電纜后再向相反方向敷設(shè)）。英國皇家軍艦阿伽門農(nóng)號(hào)和美國軍艦?zāi)醽喖永?hào)各自運(yùn)載一半的電纜執(zhí)行敷設(shè)任務(wù)。不幸的是，工程失敗了兩次，電纜在船只運(yùn)輸途中突然斷裂而丟失。1858 年 8 月 4 日，第三次嘗試終于成功。

1858 年 8 月 16 日，維多利亞女王用摩爾斯電碼向美國總統(tǒng)詹姆斯?布坎南（James Buchanan）發(fā)送了一條信息，盡管速度很慢 ——98 個(gè)詞的賀電發(fā)了 16 個(gè)半小時(shí) —— 但這一成功讓紐約人全城歡慶。然而，電纜的信號(hào)日漸微弱以致完全中斷，在三個(gè)星期后就徹底不通了。結(jié)果，菲爾德一夜之間從“英雄”淪為“騙子”，還差點(diǎn)破產(chǎn)。

深入調(diào)查失敗原因

為了調(diào)查這個(gè)重大項(xiàng)目失敗的原因，英國經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和大西洋電報(bào)公司各委任了 4 名委員組成“調(diào)查委員會(huì)”。其中包括電學(xué)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(bào)技術(shù)專利。這份著名而浩繁的報(bào)告，深入分析了失敗的原因，人們從中吸取的教訓(xùn)使海底電報(bào)技術(shù)乃至電子工程技術(shù)有了飛躍的發(fā)展。

報(bào)告指出其中一個(gè)重要的原因是在測量電流和電阻這些基本量時(shí)缺少統(tǒng)一的單位，甚至這些術(shù)語還沒有標(biāo)準(zhǔn)化。1861 年，英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)（British Association for the Advancementof Science）據(jù)湯姆森、布萊特等人的建議設(shè)立了一個(gè)電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（Committee of Electrical Standards of the British Association），為電學(xué)單位制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。多年以后，湯姆森在 1893 年芝加哥召開的國際電學(xué)大會(huì)上，提出了采用伏特、安培、法拉和歐姆等作為電學(xué)的基本單位，這些國際標(biāo)準(zhǔn)獲得正式通過并被沿用至今。

另一個(gè)教訓(xùn)是敷設(shè)之前應(yīng)對電纜做整體的測試，檢測電纜的導(dǎo)電性和整體絕緣性。調(diào)查報(bào)告的結(jié)論認(rèn)為，公司在 1857 年生產(chǎn)和敷設(shè)電纜過于倉促，這主要?dú)w因于菲爾德。沖動(dòng)和干勁兒是他的優(yōu)點(diǎn)，也是他作為企業(yè)家的缺點(diǎn)。

懷特豪斯的固執(zhí)己見，也是失敗的直接原因之一。他拆掉了湯姆森精致靈活的鏡式檢流計(jì)，安裝了他自己發(fā)明并且申請專利的繼電器。他還執(zhí)意采用能產(chǎn)生幾千伏電壓的龐大感應(yīng)線圈，而放棄使用能夠產(chǎn)生更為適度電壓的可以用鏡式檢流計(jì)測量的電池?！罢{(diào)查委員會(huì)”認(rèn)為，3200 千米海纜的巨大阻抗使信號(hào)嚴(yán)重衰減和延遲，懷特豪斯提高電壓超出了電纜的承受范圍，燒壞了電纜。懷特豪斯在聽證會(huì)上激烈地為自己辯護(hù)，他還舉證說菲爾德不給他做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

面對公眾的質(zhì)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(xù)為自己的理想奮斗。此時(shí)，有線電報(bào)的研究更加成熟，比如湯姆森發(fā)明的鏡式檢流計(jì)能通過導(dǎo)線上小鏡片的細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)（光學(xué)放大）讀出衰減 1000 倍的信號(hào)，解決了先前海纜中信號(hào)嚴(yán)重衰減的問題。公司根據(jù)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(hào)”（Great Eastern）號(hào)已經(jīng)建成，并且恰好閑置。擁有了新的電報(bào)技術(shù)、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(hào)”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(shí)候電纜突然斷裂，這第四次嘗試再次失敗。

成功的幸福終于來臨

1866 年 7 月 27 日，好運(yùn)終于來臨，“大東方號(hào)”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(shè)。新電纜性能更佳，幾乎提供了跨越大西洋的即時(shí)通訊。后來，此前丟失的電纜被撈起，又重新敷設(shè)使大西洋電纜成為雙線，傳輸速度比 1858 年快 50 倍。由于敷設(shè)大西洋海底電纜有功，英政府于 1866 年封湯姆森為爵士。1892 年，為表彰他在電纜工程和電報(bào)技術(shù)方面的卓越成就和科學(xué)貢獻(xiàn)，維多利亞女王親自加冕他為第一代開爾文男爵（First Baron Kelvin），即開爾文勛爵（Lord Kelvin）。

1867 年，菲爾德獲得了美國國會(huì)頒發(fā)的金牌，并在巴黎舉行的國際博覽會(huì)上獲得了特等獎(jiǎng)，以表彰他對敷設(shè)跨大西洋電纜的貢獻(xiàn)。

“新舊世界聯(lián)結(jié)成了一個(gè)共同的世界…… 地球好似在用一顆心臟跳動(dòng)”，奧地利作家斯蒂芬?茨威格（Stefan Zweig）在其《人類群星閃耀時(shí)》一書中，把大西洋電纜敷設(shè)看作是影響人類文明進(jìn)程的 14 個(gè)瞬間之一，并高度贊揚(yáng)了企業(yè)家菲爾德百折不回的堅(jiān)韌意志。

1858 年大西洋電報(bào)電纜的信號(hào)傳輸速度是每小時(shí)幾個(gè)單詞，1866 年則達(dá)到了每分鐘 6-8 個(gè)單詞。到 19 世紀(jì)末，英國、法國、德國和美國將他們擁有的電纜相聯(lián)，組成電報(bào)通信網(wǎng)絡(luò)，世界因此變得更“小”了。

人們對通信的渴望是無止境的，隨著通信技術(shù)的升級換代，傳輸速度更快容量更大的光纖出現(xiàn)并逐漸替代了電纜。在通信歷史上還有一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展 —— 無線電通信，也是科學(xué)家與企業(yè)家合力的偉大貢獻(xiàn)，我們將在下一篇講述。

主要參考文獻(xiàn)

• [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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