一场横跨大西洋的实验,开创通讯方式新纪元

1937 年 7 月 20 日,被称作无线电通信之父的伽里尔默・马可尼在罗马去世。上万罗马人为他举行了国葬,为他的去世,英国邮电局的无线电报和电话业务中断了 2 分钟,以表示对这位无线电通信先驱的崇敬与哀悼。

伽里尔默・马可尼

自 1864 年麦克斯韦从理论上证实存在无线电波以来,经过了将近半个世纪,人类才真正认识到无线电波的价值。在对无线电波研究的众多科学家中,最为杰出的就是马可尼,他为人类开创了无线电通信技术的发展之路,为无线电波的实际应用贡献出了一生。

1874 年 4 月 25 日,马可尼生于意大利的博洛尼亚,他曾在几位有名望的老师指导下学习物理学。

1894 年,马可尼偶然读到一篇关于赫兹电磁波实验的文章,深深地受到了触动,从中预感到电磁波潜在的实用价值。他说:“当我用赫兹波开始做第一批试验时,我简直不能想象,为什么一些著名的科学家竟然忽略了使用这个理论呢。”从此,马可尼开始了他无线电通信研究的一生。

1895 年,马可尼利用火花放电器、感应线圈和电键制成了一台无线电发射机,又把金属检波器加以改装,加设了天线制成了接收器,他把这个收发装置装到了自家的楼顶上,首次完成了长达 30 米的通信。这次成功使他大受鼓舞,他说:“我似乎有种直觉,在不久的将来,电波一定能为人类提供一种更新、更强有力的通信手段。” 他决定到更大的空间试一试。

第二年的夏天,他从自家顶楼到远处的山丘间,完成了 1.7 千米的无线电通信。

这次的成功,更使他有了信心,决心把试验扩大到通信的实用上,于是写信向意大利邮电部长提出了资助的申请,遭到拒绝后,马可尼毅然地带着他的收发报机去往英国。

很幸运,在英国他不仅申请到了专利,还受到邮政局总工程师威廉・普瑞斯的热情支持。在他的帮助下,马可尼做了多次无线电收发信号的表演,从相隔 300 米的邮政大楼和银行大楼之间,发展到相隔 2 英里(约 3.22 千米)、5 英里(约 8.05 千米),以至 10 英里(约 16.09 千米)的试验都取得了成功。

1897 年 5 月 18 日,马可尼在英国多佛市的一个悬崖灯塔与法国维摩瑞(Wimereau)间又做了试验,其间相隔 45 千米。这次他完成了跨布里斯托尔海峡的无线电通信,这次成功震惊了整个欧洲,引起了多方的关注。

马可尼取得第一个无线电通信专利时,与他所发明的收发报机的合影,当时他年仅 22 岁。

布里斯托尔海峡通信成功后,意大利政府开始对这位年轻人刮目相看,决定为他在斯培西亚建造一个发射站,以便用无线电与在海上 20 千米远的军舰联系。随着通信距离越来越远,马可尼雄心勃勃地要真正实现无线电通信的商用价值,于是组建了无线电报和信号公司,后来改为马可尼无线电报有限公司。

1898 年英国举办游艇赛,终点距离海岸 32 千米,《都柏林快报》特别邀请马可尼用无线电信号传递消息。游艇刚到终点,无线电信号就从海上发了过来,陆上的观众欣喜若狂。这次游艇赛使世人认识到无线电波的实用价值。这次成功之后,马可尼又改进了设备,找到了控制振荡频率的方法,他把天线架高,发射距离也随之加大。

1899 年 3 月 28 日,马可尼的无线电波通信跨过了英吉利海峡。

两年之后,马可尼又计划实现规模更大的无线电通信试验。这次试验堪称奇迹,在世界科技史上留下了光辉的一笔。

马可尼计划从加拿大的纽芬兰到英国的昆沃尔之间实现横跨大西洋的无线电通信,这次试验要挑战难以想象的长距离,备受世界瞩目。

试验在 1901 年 12 月 12 日如期开始,不巧,在试验的当天,纽芬兰遭遇了强烈的风暴,预先吊起的天线气球被狂风吹跑,马可尼只好临时借用风筝拉起天线。他站在冰天雪地中,等待着相隔 3500 千米的英国发来信号。忽然信号传来,它们非常微弱,这是断断续续的三个点“S”的莫尔斯码信号。它们的得来实属不易,为了这个三个点的微弱信号,马可尼用了 6 年时间的准备,花去了 20 万美元。

在当时技术条件下,相隔 3500 千米传输无线电信号的确是件很不容易或者说是几乎不可能的事。大气层的扰动、未知的电离层的干扰、暴风雨的噪声,所使用的铁粉信号接收器又很粗陋简单,很难在大片的噪声背景中,把这个微弱的无线电信号辨识出来。再加上这个试验既没有办法重复,也无法给出独立的证明,很难用事实取信他人。

对于这一段历史,加拿大无线电工程学家约翰・贝尔罗斯(John Belrose)做了详细的研究。1995 年,他把研究报告以“这个世纪头 10 年费森登和马可尼横跨大西洋(无线电)传输技术的不同”为题,发表在当年 9 月 5 日到 7 日召开的国际无线电学会 100 周年纪念大会会刊上。

根据这份报告介绍,为这次试验马可尼不仅付出了艰巨的努力,所遇到的困难也是难以想象的。

首先,他在英国昆沃尔郡南部沿海一个叫波杜(Poldhu)的偏僻地点建立了信号发射台,发射台处在高耸的山崖之上。发射天线由 20 根桅杆组成,每根桅杆有 60 米高,把它们沿着直径 61 米的圆周架设起来后,天线就在这些桅杆之间排布起来。

然而很不幸,这套天线系统竣工不久,1901 年 9 月 17 日这天,试验的前 3 个月,突然一场大风把这些桅杆全吹倒了,重建已经来不及,马可尼只好又迅速架起了两根桅杆,在这两根桅杆间,敷设了 54 条天线,试验信号就是从这些天线发射出去的。

波杜台的无线电信号是利用电容器火花放电发出来的。为了加强信号,发射机使用了两级电路,第一级电路发出低压火花,第二级电路的电容器发出高压火花。

当年所使用的二级无线电发射器,它是由马可尼亲自设计成功的

根据当时的设计,二级火花的电压可以达到 150 千伏,电容器的能量由设在波杜的发电机供给。这个设计非常聪明,每 7.5~12 秒就可以放电一次。由于信号间隔时间比较长,很容易辨识出来。

在纽芬兰,马可尼选择了信号山作为接收站,接收仪器放置在信号山上的一个废弃军用医院旧址里。事先约定,在 1901 年 12 月 12 日这天,大约从中午 12 点到 3 点发出无线电信号。

由于当天的大风,原来准备好的 155 米高空气球吹跑了,马可尼借用一只风筝,把 152.4 米长的缆线拉上高空,并在空中用好几根缆线搭成网才把风筝临时固定住。

当时准备风筝的情景

尽管马可尼为这次试验做了充分的准备,事成之后,仍然有人怀疑是马可尼把世人误导了,把大气层的噪声当成了莫尔斯码“S”。

为了澄清这件事,1902 年 2 月,马可尼回到英国后,他找到了一种更精密的船载天线接收器,重新做了这个试验。

结果证明,在白天可以清晰地接收到 1120 千米、在晚上可以接收到 2500 千米发出的无线电信号。如今利用当时仪器重复马可尼当时的试验,也使用当时的 850 千赫兹的频率证明,信号确实可以穿越大西洋,甚至还可以传播得更远。

在 1901 年的技术条件下,无论是当时少数科学家的质疑,还是马可尼对试验的坚持,所表现出的都是一种尊重科学的精神,这是推动科学发展的首要动力。

这次横越大西洋通信的成功,使马可尼在一夜间成了世界名人。各地报纸以大字标题刊登文章,称他“用无线电把消息在一瞬间传递出去,这是创造了一个新时代”。

但在当时,也遭到一些人的指责,声称无线电波将要穿透他们的身体,毁坏他们的神经,损害他们的心脏。当时的科学界也曾对他的试验持有怀疑态度,坚称无线电波沿直线传播,不能随地球曲面绕行,但是面对试验结果,也只好承认马可尼是成功的。

这次试验的成功,推动了无线电通信技术的快速发展,各种无线电收发报机大量涌现,各国政府和部门也都开始利用无线电波进行通信。无线电波横跨大西洋通信的成功,标志着无线电波通信进入了实用的阶段。

马可尼的一生致力于无线电通信研究,他获得了无线电报、架空天线、磁性探测器、水平定向天线以及定时火花系统发射器等各项专利。他用无线电波把相距甚远的人们快速地联系到了一起,从而把人类带到了一个崭新的无线电通信时代。

为了表彰在无线电通信技术上的开创性贡献,马可尼获得 1909 年诺贝尔物理学奖。

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文源:《科学史上的 365 天》,略有删改

作者:魏凤文 武轶

编辑:张润昕

本文来自微信公众号:原点阅读 (ID:tupydread),作者:科学史上的 365 天

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