一根电缆连起欧美大陆，人类通信历史从此改变
来源:中科院半导体所发布时间:2023-06-092483浏览
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来源：《返朴》（ID：fanpu2019）
作者：杨伟峰、王枫
如今，我们已无法想象没有移动通信和互联网的世界将会怎样。回顾历史，这是一代代科学家、工程师和企业家协同努力的成果。许多科学家已彪炳史册，而产业的建设离不开“冒险事业的经营者或组织者”——这就是企业家（entrepreneur）最初的意思。本文主要讲述跨大西洋通信建设的传奇故事，致敬永不褪色的科学家和企业家精神。
伟大的构想往往就像天方夜谭
1854年1月，弗雷德里克·牛顿·吉斯本（Frederick Newton Gisborne）在英属纽芬兰岛敷设到美国的电报电缆，因资金不足公司破产后，到纽约寻找支持。他找到了美国年轻的大富豪塞勒斯·韦斯特·菲尔德（Cyrus West Field），提议筹资在纽芬兰岛的圣约翰斯和美国纽约之间建立一条电报线路。但格局远大的菲尔德认为，仅仅为了缩短一天的通信时长而投资这个项目有点不划算。如果敷设一条从爱尔兰到纽芬兰的电缆，那缩短的通信时间就不只是几天了——这根电缆就把欧洲和北美大陆连在一起，工程将意义非凡。跨越大西洋电报通信的构想就这样被提了出来。
菲尔德原是在造纸行业发家致富的，在电报行业是个绝对的外行。起初，他对这项工程所涉及的科学技术几乎一无所知，这也正是他的幸运之处。事实上，正是因为他不懂，才没有放弃这个伟大的构想——在别人眼里这简直就是天方夜谭，是不可能完成的任务。
这个史无前例的国际合作大项目，除了涉及政治、经济、军事、外交等诸多因素之外，还面临很多科学、技术、工艺和材料难题。当时，地面电报业已经开始崭露头角，欧洲和美国已经部署了几条较短的海底电缆。【注：1851年，布雷特（John Watkins Brett）在英吉利海峡铺设了第一条海底电缆，把英国和欧洲大陆连接在一起。】其中投入运营最长的海底电缆长度仅177千米，深度不超过550米。而铺设跨越大西洋的电缆长度要超过3200千米，最深达4750米。跨大西洋电缆的长距离对通讯提出了一些独特的挑战，特别是因为传输理论和电缆设计仍处于争议之中。这种难度就好比1957年有人看到苏联发射了第一颗人造地球卫星，就要组织队伍到月球探险一样。
幸运的人得到了宝贵的支持
1854年，志在必得的菲尔德说服另外四位富豪共同加入了由企业家、投资者和工程师组成的所谓“电缆内阁”（Cable Cabinet）。这5个人决定筹集150万美元投入到这项伟大的事业中，这在当时是一笔惊人的巨款（当年联邦政府的总开支略高于5800万美元），但事后证明这个金额还远远不够。他们从吉斯本手里接管了纽芬兰电报公司，承担了它5万美元的债务，并成立了“纽约—纽芬兰—伦敦电报公司”。纽芬兰议会希望这个工程可以推动纽芬兰的经济发展，因此很快为他们颁发了特许执照，授予公司在纽芬兰岛上50年电报线路的特许经营权。1855年，这些投资者成立了美国电报公司，并开始收购其他公司进行整合。1856年10月，菲尔德在伦敦组建了大西洋电报公司（Atlantic Telegraph Company，简称ATC）。1857年，公司在英国获得融资并得到美英两国政府的支持后，开始铺设第一条横跨大西洋的电报电缆。
1895年5月美国著名肖像画家丹尼尔·亨廷顿Daniel Huntington为纽约州商会绘制的作品《大西洋电缆的计划者》，画布尺寸为87英寸乘108¼英寸
失败是成功之母
因为海水是导电的，当电报缆线浸入海水中，其电容会扩大20倍左右，信号传输速度会明显降低，导致通信延时。以摩尔斯、英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）和公司的初任首席电气技师爱德华·怀特豪斯（Edward Whitehouse）为代表的一派认为，海底电缆的导线应尽可能细，以限制信号的延迟。而电缆越粗，就需要更多的电量来填满。这一点和水管相似，水管必须注满，水才能从另一端流出来。
另一派设计方案以威廉·汤姆森（William Thomson）为代表。通过对瞬时电流的研究，他得出“平方定律”，即信号延迟量与电缆长度的平方成反比。汤姆森建议使用由最纯的铜制成大直径缆芯，以降低电阻。他的观点赢得了首席工程师查尔斯·布莱特（Charles Bright）的赞同。但这种电缆设计方案比摩尔斯—法拉第的方案要重得多（金属缆芯和古塔胶绝缘体每海里的重量都应该达到392磅），成本也更高，大西洋电报公司并没有采用这个方案。最终成型电缆的铜芯每海里仅重107磅，远没有达到汤姆森和布莱特要求的392磅。汤姆森对电缆进行局部测试后，更加惊骇：缆芯用铜的纯度远远不够，导电能力很不均衡，有些部分的导电能力是其他部分的两倍。
1902年的威廉·汤姆森完工的电缆直径只有人的食指那么粗，缆芯由7根铜线组成，铜芯外包裹三层古塔胶。在胶层外，使用沥青、柏油、亚麻籽油和蜡油的混合物浸透的麻布缠绕，外面将18股钢绞线的护套（每股7根铁丝）缠绕成紧密的螺旋状，这种电缆能够承受几千牛顿的拉力。汤姆森深入研究了电缆的受力问题，建立了一套海底电缆的应力理论，在《Engineer》杂志上发表了相关论文。
为庆祝第一条跨大西洋电缆的开通，剩余的电缆被截成小段，制作成各种各样的纪念品
1857年，大西洋电报公司在英国获得融资并得到美英两国政府的支持后，开始铺设第一条横跨大西洋的电报电缆。电缆两端的爱尔兰和纽芬兰相隔约3200千米，是欧美大陆的最短距离。当时世界上还没有任何船只能够运载2500吨重的海底电缆在大西洋的风浪中远程航行，因此只能雇佣两艘船各载一部分电缆在某个地点接合（第一次从爱尔兰向纽芬兰敷设的方案失败后，改为两船在大洋中心点汇合，接合电缆后再向相反方向敷设）。英国皇家军舰阿伽门农号和美国军舰尼亚加拉号各自运载一半的电缆执行敷设任务。不幸的是，工程失败了两次，电缆在船只运输途中突然断裂而丢失。1858年8月4日，第三次尝试终于成功。
1858年8月16日，维多利亚女王用摩尔斯电码向美国总统詹姆斯·布坎南（James Buchanan）发送了一条信息，尽管速度很慢——98个词的贺电发了16个半小时——但这一成功让纽约人全城欢庆。然而，电缆的信号日渐微弱以致完全中断，在三个星期后就彻底不通了。结果，菲尔德一夜之间从“英雄”沦为“骗子”，还差点破产。
深入调查失败原因
报告指出其中一个重要的原因是在测量电流和电阻这些基本量时缺少统一的单位，甚至这些术语还没有标准化。1861年，英国科学促进协会（British Association for the Advancementof Science）据汤姆森、布莱特等人的建议设立了一个电学标准委员会（Committee of Electrical Standards of the British Association），为电学单位制定统一标准。多年以后，汤姆森在1893年芝加哥召开的国际电学大会上，提出了采用伏特、安培、法拉和欧姆等作为电学的基本单位，这些国际标准获得正式通过并被沿用至今。
1900年代英国WJ乔治公司生产的镜式检流计另一个教训是敷设之前应对电缆做整体的测试，检测电缆的导电性和整体绝缘性。调查报告的结论认为，公司在1857年生产和敷设电缆过于仓促，这主要归因于菲尔德。冲动和干劲儿是他的优点，也是他作为企业家的缺点。
怀特豪斯的固执己见，也是失败的直接原因之一。他拆掉了汤姆森精致灵活的镜式检流计，安装了他自己发明并且申请专利的继电器。他还执意采用能产生几千伏电压的庞大感应线圈，而放弃使用能够产生更为适度电压的可以用镜式检流计测量的电池。“调查委员会”认为，3200千米海缆的巨大阻抗使信号严重衰减和延迟，怀特豪斯提高电压超出了电缆的承受范围，烧坏了电缆。怀特豪斯在听证会上激烈地为自己辩护，他还举证说菲尔德不给他做实验的时间。
面对公众的质疑、谩骂和诽谤，菲尔德没有被打倒。1865年他重新筹集资金，继续为自己的理想奋斗。此时，有线电报的研究更加成熟，比如汤姆森发明的镜式检流计能通过导线上小镜片的细微转动（光学放大）读出衰减1000倍的信号，解决了先前海缆中信号严重衰减的问题。公司根据汤姆森等人的意见，更换了更粗的电缆降低缆芯的阻抗。另外，世界第一巨轮“大东方号”（Great Eastern）号已经建成，并且恰好闲置。拥有了新的电报技术、电缆工艺和这艘排水量两万两千吨的巨轮，之前无比困难的事情变得简单了许多。7月23日，“大东方号”出航，开始了菲尔德的又一次尝试，但在离北美还有两天航程的时候电缆突然断裂，这第四次尝试再次失败。
1858年、1865年 和 1866年大西洋电缆的制造商样品箱，电缆逐步变粗
1867年，菲尔德获得了美国国会颁发的金牌，并在巴黎举行的国际博览会上获得了特等奖，以表彰他对敷设跨大西洋电缆的贡献。
“新旧世界联结成了一个共同的世界……地球好似在用一颗心脏跳动”，奥地利作家斯蒂芬·茨威格（Stefan Zweig）在其《人类群星闪耀时》一书中，把大西洋电缆敷设看作是影响人类文明进程的14个瞬间之一，并高度赞扬了企业家菲尔德百折不回的坚韧意志。
1858年大西洋电报电缆的信号传输速度是每小时几个单词，1866年则达到了每分钟6-8个单词。到19世纪末，英国、法国、德国和美国将他们拥有的电缆相联，组成电报通信网络，世界因此变得更“小”了。
1901年东部电报公司系统地图人们对通信的渴望是无止境的，随着通信技术的升级换代，传输速度更快容量更大的光纤出现并逐渐替代了电缆。在通信历史上还有一项关键的技术发展——无线电通信，也是科学家与企业家合力的伟大贡献，我们将在下一篇讲述。
主要参考文献
[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)参见：
https://atlantic-cable.com/
[3] The First Transatlantic Telegraph Cable Was a Bold, Beautiful Failure 参见：
https://spectrum.ieee.org/the-first-transatlantic-telegraph-cable-was-a-bold-beautiful-failure
[4]Historical figures of the IEC.参见：https://www.iec.ch/history
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编辑：千鸟
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