一根电缆连接欧美 从此改变了人类通信的历史

本文来自微信公众号：饭扑（ID：fanpu2019），作者：杨伟峰、汪峰

今天，我们无法想象一个没有移动通信和互联网的世界。回顾历史，这是几代科学家、工程师和企业家共同努力的结果。许多科学家在史册上大放异彩，工业的建设离不开“冒险事业的管理者或组织者” —— 这是entrepreneur（企业家）的本义。本文重点讲述跨大西洋通信建设（无线通信将在下一篇文章介绍）的传奇故事，向永不褪色的科学家和企业家精神致敬。

杨伟峰（无线电管理从业者）、王峰（河北科技师范大学副教授）撰写

伟大的想法往往像一个幻想。 1860年代以来，英国发起的工业革命极大地促进了科学技术的发展和财富的积累。随着电磁学的发展和有线电报技术的应用，到十九世纪中叶，有线电报线路已遍及欧亚大陆和北美大陆，大大降低了通讯成本。从欧洲到北美大陆的商船经常往返于大西洋东西海岸之间。当时，单程航程尚需10天左右。双方的及时沟通非常必要，跨大西洋通信服务商机巨大。

1854年1月，弗雷德里克牛顿吉斯伯恩（Frederick Newton Gisborne）公司因资金不足铺设英属纽芬兰至美国的电报电缆而破产后，前往纽约寻求支持。他找到美国年轻富豪赛勒斯韦斯特菲尔德，提议集资修建纽芬兰圣约翰斯和美国纽约之间的电报线。但胸怀大志的菲尔德认为，仅仅为了缩短一天的沟通时间而投资这个项目有点不划算。如果从爱尔兰铺设电缆到纽芬兰，缩短的通信时间将不止几天。 —— 这条电缆将连接欧洲和北美大陆，项目意义重大。于是提出了跨大西洋电报通信的想法。

在造纸业发家致富的菲尔德，对于电报业绝对是个门外汉。对他来说幸运的是，起初他对项目中涉及的科学技术几乎一无所知。事实上，正是因为不明白，他才没有放弃这个伟大的想法。在旁人看来，这简直是天方夜谭，不可能完成的任务。

这一史无前例的国际合作项目除了涉及政治、经济、军事、外交等诸多因素外，还面临诸多科学、技术、工艺和物质方面的问题。当时，地面电报业已经开始兴起，欧美已经部署了数条较短的海底电缆。 【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，连接英国和欧洲大陆。 】在运营投资的最长海底电缆长度仅为177公里，深度不超过550米。横跨大西洋铺设的电缆长度超过3200公里，最大深度达4750米。跨大西洋电缆的长距离对通信提出了一些独特的挑战，尤其是因为传输理论和电缆设计仍在争论中。这种难度就像1957年有人看到苏联发射第一颗人造地球卫星时，组织一个团队去探月。

幸运者获得宝贵支持莫尔斯电码的发明者和美国陆地电报线的先驱塞缪尔莫尔斯早在1843 年就设想了横跨大西洋的电报线。当菲尔德征求他的意见时，他热情地支持了这个想法。莫尔斯虽然在电报界小有名气，但他其实是个画家，电学理论知识并不扎实。菲尔德还写信征求美国海洋学家和海军军官马修方丹莫里的意见。莫里认为纽芬兰和爱尔兰之间的海底高原地形非常适合铺设海底电缆，并为他提供了精确的海洋测绘数据。这是Field 的强大补充！

1854年，志在必得的菲尔德说服了另外四位富豪加入了由企业家、投资人和工程师组成的所谓“电缆柜”（Cable Cabinet）。这五个人决定为这项伟大事业筹集150 万美元，这在当时是一笔惊人的数目（当年联邦政府的总支出略高于5800 万美元），但事实证明远远不够。他们从吉斯本手中接管了纽芬兰电报公司，承担了其50,000 美元的债务，并成立了纽约-纽芬兰-伦敦电报公司。纽芬兰委员会希望该项目能够促进纽芬兰的经济，因此他们很快授予他们一份特许状，授予该公司50 年的特许经营权，在纽芬兰岛经营电报线。 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以进行整合。 1856 年10 月，菲尔德在伦敦成立了大西洋电报公司(ATC)。 1857 年，该公司在英国获得融资并得到美国和英国政府的支持后，开始铺设第一条跨大西洋电报电缆。

大西洋电缆规划师（Cyrus W. Field，右二）由美国著名肖像画家丹尼尔亨廷顿于1895 年5 月为纽约州商会绘制，画布尺寸为87 英寸x 108 英寸。图片来源：纽约州立博物馆藏品。失败是成功之母。菲尔德坚定的决心和强大的执行力是他成功的核心要素，但仓促开工却成了整个项目最大的失误。当时，电气工程师和理论专家对这个史无前例的项目众说纷纭，无法达成共识。建设本应先通过可行性测试，但公司董事主要根据时间和速度做出决定。

由于海水具有导电性，当电报电缆浸入海水中时，其电容会增加约20倍，信号传输速度会明显降低，从而导致通信延迟。与摩尔斯、英国物理学家迈克尔法拉第(Michael Faraday) 和公司首任首席电气技术员爱德华怀特豪斯(Edward Whitehouse)

use）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・汤姆森图片来源：Photos.com/ Thinkstock

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。图片来源：Division of WorK Industry / National Museum of American History / Smithsonian Institution.

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

为了调查这个重大项目失败的原因，英国经济委员会和大西洋电报公司各委任了 4 名委员组成“调查委员会”。其中包括电学专家查尔斯・惠斯通（Charles Wheatstone）和威廉・库克（William Cooke），两人早在 1837 年就获得了英国的电报技术专利。这份著名而浩繁的报告，深入分析了失败的原因，人们从中吸取的教训使海底电报技术乃至电子工程技术有了飞跃的发展。

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。图片来源：清华大学科学博物馆藏品。

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。丨图片来源：Photographed April 2009, Science Museum, London.(https://atlantic-cable.com)成功的幸福终于来临

1866 年 7 月 27 日，好运终于来临，“大东方号”成功完成了从爱尔兰瓦伦提亚（Valentia）到纽芬兰哈茨康坦特（Heart’s Content）的铺设。新电缆性能更佳，几乎提供了跨越大西洋的即时通讯。后来，此前丢失的电缆被捞起，又重新敷设使大西洋电缆成为双线，传输速度比 1858 年快 50 倍。由于敷设大西洋海底电缆有功，英政府于 1866 年封汤姆森为爵士。1892 年，为表彰他在电缆工程和电报技术方面的卓越成就和科学贡献，维多利亚女王亲自加冕他为第一代开尔文男爵（First Baron Kelvin），即开尔文勋爵（Lord Kelvin）。

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。（ A.B.C. Telegraphic Code 5th Edition）

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