跨洲无线通信，他将梦想变为现实

本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：杨伟峰、王枫

撰文 | 杨伟峰（无线电管理从业者）、王枫（河北科技师范学院副教授）

无线电通信时代来临

德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在 1886 年至 1889 年间用实验证实了电磁波的存在。他用感应线圈振荡放电，通过金属线圈产生火花，在房间内另一个相似的金属装置的间隙发现了感应而来的电火花。赫兹的发现点燃了一位意大利青年为之奋斗一生的梦想。他就是伽利尔摩・马可尼（Guglielmo Marconi）。

1894 年，马可尼开始在家中的阁楼里做起了实验，利用无线电波实现了电报的发送与接收，并逐渐把收发距离扩大。1896 年 2 月，他随母亲来到英国伦敦发展。第二年就在家族的帮助下成立了英国首家专门制造无线电器材的公司 —— 马可尼无线电报与信号公司。

1900 年，由国际资本组成的两家以马可尼命名的公司在营业: 一个是马可尼无线电报和信号公司，另一个是马可尼国际海运公司。当时新兴的工业体系已经建立起来，马可尼这两家公司吸引了对高新科技感兴趣的客户，得以有收入维持无线网络的运行。其中一个最大的订单来自于英国皇家海军，马可尼为 28 艘军舰和 4 个陆上通讯站安装了无线电设备。

马可尼公司的业务四面开花，看起来发展很快，但公司依然没有实现大规模盈利。叫好不叫座的原因主要归于当时通信行业的经营环境。虽然起初的无线电通信实验都是在陆地上开展的，但无线电技术的商业化运作却是从海上开始的。岸与船之间，船与船之间的即时通信需求使新兴的无线电技术有了用武之地。这并不意味着陆地上的通信不需要无线电，而是因为当时有线电报业务占据了陆地上的通信经营许可权，不允许无线抢有线的饭碗。

海上通信的业务量不足以支撑马可尼公司高额的建站布点和日常运营的支出，陷入窘境中的马可尼必须寻求更大的机会来维持公司的发展运营。

又一个跨越大西洋的伟大构想

为了公司的盈利和长足发展，马可尼谋划了一件石破天惊的大事。从 1901 年开始，马可尼下定决心把几乎所有的精力和公司几乎可以动用的全部资金 5 万英镑（这是公司成立最初 4 年来专利费收益总额的 4 倍）投入到无线电波跨越大西洋通信的试验中。这真是一场豪赌！

他做通董事会的工作，以 500 英镑的高额年薪（和马可尼的年薪一样）聘请了伦敦大学著名的电气工程教授约翰・安布罗斯・弗莱明（John Ambrose Fleming）作为公司的科学顾问，在英格兰西南部康沃尔郡（Cornwall）的波尔杜（Poldhu）酒店旁边建设通信站，在那里设计和测试发射跨越大西洋信号的设备。马克尼还额外允诺：如果信号成功穿越大西洋，除了公司给的固定年薪，自己还将向弗莱明转让 500 股马可尼无线电报公司的股份。附加条件是：“如果成功跨越大西洋，主要荣誉将会并且必须永远属于马可尼。”

马可尼坚信无线电波能穿越大西洋，但是他不知道如何在工程上实现，弗莱明能找到实施的办法。马可尼是公司最大的资产，也是公司的招牌。只有像马可尼公司这样的组织，才能支持这样的冒险行为。历史学家们一致认为这件事取得成功，弗莱明起到了决定性的技术支撑作用，然而主要荣誉永远是马可尼的。

挫折和挑战是必然的

弗莱明设计了一个带有 25 千瓦交流发电机、2 万伏特变压器和高压电容器组成的发射器，能够产生约 2.5 厘米长、手腕厚度的火花，这已经相当强悍了。发电机组和发射器的功率，应该是当时的世界之最，这套设备的发射指标远超其他设备。

1901 年 9 月 17 日，波尔杜通信站遭遇了严重的暴风雨袭击，20 根 61 米高的桅杆几乎毁于一旦，严重破坏了发射系统的天线。为了不影响计划实施，马可尼决定临时竖立起两根 49 米高的桅杆来支撑天线。

在大西洋的对岸的纽芬兰，经过多次勘察选址并综合考量，马可尼决定暂时不在雷斯海角正式建站 (之所以在 1904 年才建设此站，主要是因为之前布设大西洋电报电缆的电报公司在纽芬兰岛享有 1854 年至 1904 年的电报通信的垄断特权)，而是另择他地用风筝或气球取代固定的桅杆临时搭建一套接收装置。仅是试验不是商业运营就不会违反当地的法规了。

11 月 22 日，马可尼给波尔杜通信站下达了发射信号的操作指令：当收到公司伦敦办公室发来的电报后，每天在格林尼治时的下午 3 时至 6 时，持续发送简单的摩尔斯电码“S”，即“・・・”。除周日外每天执行相同的程序，直到收到停止的通知。

1901 年 11 月 26 日，马可尼带着他的忠诚助手乔治・坎普 (George Kemp) 和另一位助理佩吉特（P.W.Paget），还有两吨重的铁制调谐设备以及几大缸硫酸，搭乘艾伦公司（Allan）的迦太基号（Carthaginian）从利物浦港驶向纽芬兰的圣约翰斯港。

禁锢：这不符合常理

在此次横穿北大西洋的航海旅途中，马可尼心怀忐忑。当时绝大多数的物理学家认为跨越大西洋传送无线电信号是不可能实现的。大家认为电波是像光一样直线向外辐射，不会绕着地球的曲率行进。即便信号再强，发射出去的电磁波会成为地球的相切线射向宇宙，而不会落到数千米之外。

技术专家总是重点考虑科学发现的实际功用，科学家则专注于自然奥秘的本身。就连赫兹本人在完成著名的电磁波验证实验后，也认为这并没有什么实际用途。1889 年底，德国电学技术专家和工程师霍布尔（Huber）给赫兹的信中提到了用电磁波（当时称作“赫兹波”）进行通信的设想。可赫兹的回信让他大失所望，赫兹认为如果要用电磁波进行远距离通信，起码得有一面像欧洲大陆那么大的巨型凹面反射镜才行，而且还要把它们挂到很高的地方。这个答复实际上否定了霍布尔的设想。赫兹的答复是经过计算的，这面大镜子是为了照顾于当时人工所能生成电磁波的波长。

比起科学家思维，马可尼更具备的是企业家思维，让他愿意相信电磁波会围绕地球曲率传播，一意孤行进行跨越大西洋无线电通信的疯狂实验，终究是背后巨大的商业价值！或许马可尼的真正老师是历经挫折敷设跨越大西洋电报电缆的美国企业家菲尔德。

无线电波跨越了大西洋

如果科学和技术的进步是有明确的方向，那它肯定是以人们的愿望为指引。而人们的愿望，往往要依靠能整合更多资源的人士来实现。

1901 年 12 月 12 日下午，马可尼和助手通过风筝升起的 155 米长的天线接收到了来自爱尔兰的无线电信号。当他们在强风中听到间隔的摩尔斯电码“滴，滴，滴……”之时，兴奋和喜悦之余还不敢轻易相信这是真的：从波尔杜发出的无线电波沉稳的围绕着地球曲率行进了 3218.7 千米，越过大西洋来到了纽芬兰岛圣约翰斯的信号山上！这次信号传输的距离是之前通信记录的近 10 倍，证实了马可尼所坚信的“无论距离多远，无线电通信都是没有限制的”想法是对的。

他们所接收的验证信号仅是三个连续短促的“・”，这确实过于简单。凛冽的西北风夹杂着设备的噪音，在长时间的紧张监听下，他们自己也会怀疑是真的听到了信号的声音，还是自己的幻听。所以，他们也打算第二天再收听到更清晰的信号后再发布消息，可第二天因为天气变得更加恶劣，没有再收到信号。我们今天知道，由于太阳辐射的因素，在夜间比白天接收跨大西洋无线电信号更有利。马可尼选在下午进行试验是不利的。

马可尼没有贸然向外界公开消息，因为这个爆炸性的新闻必然会影响公司的股票价格。早在 1898 年，马可尼跨海无线通信试验成功的新闻，就使经营跨大西洋电缆电报公司的股价大跌。不过，在发布消息前马可尼能通过跨大西洋电缆向远在伦敦的公司总部报告情况，公司就有机会在新闻发布前注入更多股票筹码，这种操作在当时的英国是合法的。

经过与公司伦敦总部沟通后，马可尼 12 月 14 日向新闻界和意大利政府宣布了消息。整个圣约翰斯沉浸在巨大的兴奋之中，紧接着是新闻媒体的狂乱，全世界的报纸都在附和《纽约时报》的言论“马可尼宣布了近代最令人惊喜的信息科学发展成果”。12 月 15 日（周日）《纽约时报》在头版发布了马可尼跨大西洋信号的新闻，并刊登了一篇马可尼的传记。为使报道更为圆满，《纽约时报》让马丁（Thomas Commerford Martin）来做结语。马丁当时是《电气世界》的编辑，电气专业和媒体领域的权威人士，能在更大的背景中谈论马可尼的成就。

马丁 1884 年参与创建了美国电气工程师学会（AIEE，是如今举世闻名的电气和电子工程师学会（IEEE）的前身之一），并在 1887 年至 1888 年担任该学会的主席。马丁热切地称赞马可尼是新生的青年科技天才，并表示他对于马可尼成功跨越大西洋既惊讶又高兴。

权威人士出面支持

事实上，学界和业界对马可尼的试验抱有怀疑，他们做接收信号时并没有邀请其他专业人士在场，更没有邀请媒体人士现场观摩。现场除了他和助手坎普，没有公司以外的第三人可以作证。

这时有专业人士力挺马可尼，比如哥伦比亚大学著名的电力学教授、权威的物理学家迈克尔・普平（Michael Pupin）公开赞扬了马可尼的壮举。

但马可尼最应该感谢的人是马丁。因为马丁判定马可尼是值得信赖的风云人物。为此，马丁在 1902 年 1 月 13 日美国电气工程师学会（AIEE）的年度晚宴上把这位年轻的意大利人安排为贵宾。马丁曾是 AIEE 的主席和多次活动的主持人，他很容易说服学会的领导给马可尼这个荣誉。然而，由于不是每个人都相信马可尼的声明，马丁发现很难让工程届人士都来出席晚宴，因此他不得不求助伊莱休・汤姆森（Elihu Thomson，美国汤姆森・休斯敦公司的创始人，1892 年这家公司与爱迪生的公司合并为通用电气公司）支持这一活动。汤姆森认可马克尼的消息传开后，马丁才得以让华尔道夫 — 阿斯托利亚酒店 300 个座位的阿斯特长廊座无虚席。

尽管如此，马可尼还想为自己找到更充分的证据。1902 年 2 月，他搭乘客轮“费城号”从英国前往美国，船上配备了一套无线电报系统。在越洋航行期间，马可尼周期性地收听到来自波尔杜的摩尔斯码消息，并邀请船长和大副收听，他还在一张海图上记录下收听到消息的时间和地点。这张在“费城号”上有目击证人的海图，更有力地证明了无线电波可以横跨大西洋传输。事后多次的重复实验和更远距离的通信成功，证实马可尼并没有撒谎。

注：关于首次跨大西洋无线电波的具体频率，马可尼当时没有向媒体透露。并不是他故意回避波尔杜发射系统的技术指标，主要是当时的无线电频率还很难精确测定。1903 年，弗莱明在一次演讲中说，估测当时波长应是 1000 英尺以上。1904 年，弗莱明发明了测定发射频率（或波长）的设备。1908 年，马可尼在皇家学会的一次演讲中说当时的波长应为 1200 英尺，对应频率为 820 kHz。

跨越大西洋无线电通信成功为马可尼公司带来了重大收益和发展契机，但这次实验的重大意义远不限于商业价值。从人类对自然的认识方面来看，它的科学启发价值更为珍贵。它不仅促使马可尼和德国物理学家布劳恩（Karl Ferdinand Braun）由于发明和改进了无线电报而共同获得 1909 年的诺贝尔物理学奖，更拓展了科学的视野。围绕着跨大西洋无线通信的科学疑点和通信质量的改善，引发的思考和证实，就像推倒了多米诺骨牌，诞生了一连串的重大科学收获。

收获一：人类知道了电离层的存在

之所以不敢想，不敢做，甚至不敢相信这是真的，是因为当时人们不知道，地球外面的高空还裹着一层电离层，而电离层会反射电磁波，可以充当一面巨型的球面反射镜，使电磁波在地面与电离层之间多次被反射，从而让电磁波绕着地球曲率行进。

1902 年，奥利弗・亥维赛（Oliver Heaviside）和美国工程师亚瑟・科诺尔里（Arthur Kennelly）在同一时间从理论上证明了无线电波之所以在世界范围内传播，是因为它们在电离层中反弹起了一层带电的气体粒子。这一电离层后来被称为“科诺尔里-亥维赛层”。亥维赛是英国自学成才的数学天才、物理学家。他没有接受过正规的高等教育，但在数学和工程上做出了众多原创性成就。他创立向量分析学，将麦克斯韦方程组简化为今天使用的形式，为电磁学的发展做出了重大贡献。

1924 年英国科学家阿普顿（Edward Victor Appleton）在迈尔斯・巴内特（Miles Barnett）的协助下，用连续波进行了探测电离层高度的实验，他们利用变换频率的电磁波接收到来自电离层的回波，首次直接证实了电离层的存在。他们的实验证实了高层大气中存在一个导电层，可以反射地球曲线以外的无线电波，并且还表明有时反射可能来自第二层 —— 更高的导电层。他们的初步发现于 1925 年发表在《自然》（Nature）杂志上。阿普顿因通过对高层大气物理性质的研究，证实了电离层的存在，而获得了 1947 年的诺贝尔物理学奖。由此，引发了人们对地球大气层的深入研究和新的探索。

收获二：开启射电天文时代

1927 年，一个名叫卡尔・央斯基（Karl Guthe Jansky）的大学毕业生加入了刚刚成立两年的贝尔实验室，担任无线电工程师。当时，穿越大西洋的无线电通信系统依然存在背景噪声，他受命调查这些背景噪声的来源，排除可能会影响信号传输的无线电干扰。

央斯基在设置了一套可以旋转的大型天线，用来接收频率为 20.5MHz（波长 14.6 米）的无线电波。经过几个月的记录和分析，他将背景噪声归类成三种类型：附近的雷雨、遥远的雷雨以及来历不明的淡淡嘶嘶声。他花了一年多的时间来调查第三种类型的背景噪声，发现其强度每天都会涨落一次。

央斯基起初推测该噪声是来自太阳辐射。然而几个月后，最强的噪声信号源开始远离太阳的位置。他确定信号的重复周期为 23 小时 56 分钟，刚好是地球相对于宇宙的自转时间（恒星日），而不是太阳日（24 小时）。央斯基认为它来自于银河系中心，而人马座方向的信号源是最强的。

他的发现受到广泛宣传，刊登在 1933 年 5 月 5 日的《纽约时报》上。他当年发表了经典论文《明显的外太空电子干扰源头》。他的这一发现标志着射电天文学诞生，结束了以往人们只能通过可见光观测宇宙的历史，拓展了人类认识宇宙的视野，开启了新的天文观测时代。20 世纪中期的四大重要天文发现 —— 星际分子、类星体、微波背景辐射和脉冲星 —— 都是通过射电天文的手段和方法取得的。

到此，关于跨越大西洋通信的两个故事已到尾声，但为人类谋取福祉的通信科学与工程仍然继续发展着。这两个独立而又相互联系的故事，引出了一连串重大的科学事件和成果，这些传奇令人唏嘘，伟大的科学家和企业家精神值得铭记。

主要参考文献

• [1]W.BernardCarlson.Tesla:Inventor of the Electric Age[M].New Jersey:Princeton University Press,2013:331-352

• [2] Marc Raboy. Marconi:the Man Who Networked the World[M]. New York:Oxford University Press,2016:34-192

• [3] Sungook Hong.Wireless: From Marconi’s Black-Box to the Audion[M]. Cambridge, MA: MIT Press, 2010:20-32

• [4] Bruce J. Hunt.Oliver Heaviside A first-rate oddity[J] Phys. Today 65(11), 48 (2012); doi: 10.1063/PT.3.1788  View online: http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.1788

• View Table of Contents:

• http://www.physicstoday.org/resource/1/PHTOAD/v65/i11

• [5] 钱长炎.赫兹发现电磁波的实验方法及过程 [J].物理实验，2005 (7):vol.25

• [6] One family：generations of discovery 参见：

• https://www.otago.ac.nz/otagobulletin/news/otago740666.html

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