撰写者 | 杨伟峰(无线电管理从业人员)、王峰(河北科技师范大学副教授)

无线电通信的出现

德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹在1886年至1889年间通过实验证实了电磁波的存在。他利用感应线圈振荡放电,通过金属线圈产生火花。 他在房间里另一个类似金属装置的缝隙中发现了感应火花。 赫兹的发现点燃了一位意大利年轻人一生的梦想。 他就是古列尔莫·马可尼。

1894年,马可尼在自家的阁楼上开始实验,利用无线电波收发电报,并逐渐扩大收发距离。 1896年2月,他随母亲来到英国伦敦发展。 次年,在家族的帮助下,英国第一家专门制造无线电设备的公司——马可尼无线电报和信号公司成立。

1900年,两家由国际资本组成的以马可尼命名的公司开业:一家是马可尼无线电报和信号公司,另一家是马可尼国际航运公司。 那时,新兴产业体系已经建立。 两家马可尼公司吸引了对高科技感兴趣的客户,并能够产生收入来维持无线网络的运营。 最大的订单之一来自英国皇家海军,马可尼在 28 艘军舰和 4 个陆基通信站上安装了无线电设备。

马可尼的业务四通八达,似乎在快速增长,但公司仍然没有实现大规模盈利。 之所以不受欢迎,主要是受当时通信行业的经营环境的影响。 尽管最初的无线电通信实验是在陆地上进行的,但无线电技术的商业运营却是从海上开始的。 岸与船之间以及船与船之间即时通信的需求使得新兴无线电技术变得有用。 这并不是说陆地通信不需要无线电,而是因为有线电报业务占据了当时的陆地通信业务许可证,不允许无线与有线竞争。

海事通信业务量不足以支撑马可尼在站点建设和日常运营方面的高额支出。 陷入困境的马可尼必须寻求更大的机会来维持公司的发展和运营。

另一个横渡大西洋的好主意

为了公司的盈利能力和长远发展,马可尼策划了一场惊天动地的大事。 从1901年开始,马可尼决心将自己几乎所有的精力和公司可用的几乎所有资金——5万英镑(这是公司成立头四年专利收入总额的四倍)——投入到无线电的研发中。波跨大西洋通信。 正在测试中。 真是一场赌博!

他打通了董事会的工作,以500英镑的高年薪(与马可尼的年薪相同)聘请了伦敦大学著名电气工程教授约翰·安布罗斯·弗莱明(John Ambrose Fleming)担任公司的科学总监。 顾问公司在英格兰西南部康沃尔郡的波尔杜酒店旁边建造了一个通信站,在那里设计和测试了跨大西洋传输信号的设备。 马可尼还额外承诺:如果信号成功跨越大西洋,除了公司给予的固定年薪外,他还将把马可尼无线电报公司的500股股份转让给弗莱明。 附带条件是:“如果成功横渡大西洋,主要荣誉将而且必须永远属于马可尼。”

马可尼坚信无线电波可以穿越大西洋,但他不知道如何设计它。 弗莱明可以找到一种方法来实现它。 马可尼是公司最宝贵的资产,也是公司的标志。 只有像马可尼公司这样的组织才能支持这样的企业。 历史学家一致认为,这次活动是成功的,弗莱明发挥了决定性的技术支持作用。 然而,主要的荣誉永远属于马可尼。

挫折和挑战是不可避免的

弗莱明设计了一种发射器,配有25千瓦的交流发电机、2万伏的变压器和高压电容器,可以产生约2.5厘米长、约手腕厚度的火花,威力相当大。 发电机组和发射机的功率应该是当时世界上最高的,而且该设备的排放指标远远超过其他设备。

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博尔杜通讯站天线被风吹倒前后。 (马可尼公司档案。)

1901年9月17日,博尔杜通讯站遭遇猛烈风暴袭击。 20根61米高的桅杆几乎被摧毁,发射系统的天线严重受损。 为了不影响计划的实施,马可尼决定临时架设两根49米高的桅杆来支撑天线。

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博尔多通讯站受损后的临时天线。 (马可尼公司档案。)

在大西洋彼岸的纽芬兰,经过多次勘察和综合考虑,马可尼决定暂时不在雷耶斯角正式建站(这个站之所以建于1904年,主要是因为之前的大西洋电报电缆)。 电报公司在1854年至1904年期间垄断了纽芬兰的电报通信,但选择使用风筝或气球代替固定桅杆来临时建造接收装置。 仅仅因为该实验不是商业运作并不违反当地法规。

11月22日,马可尼向博尔杜通信站发出了发射信号的操作指令:收到该公司伦敦办事处的电报后,将在每天格林尼治标准时间下午3点至6点继续发送简单信号。 摩尔斯电码“S”,即“···”。 除周日外,每天都遵循相同的程序,直到收到停止通知为止。

1901年11月26日,马可尼带来了他忠实的助手乔治·坎普和另一位助手PWPaget,以及两吨的铁制调音设备和几个大缸。 硫酸,登上艾伦的迦太基号,从利物浦港航行到纽芬兰的圣约翰港。

禁闭:这不合理

在这次横渡北大西洋的航行中,马可尼感到忧心忡忡。 当时大多数物理学家认为跨越大西洋发送无线电信号是不可能的。 人们认为,无线电波像光一样以直线向外辐射,不会绕地球曲率传播。 无论信号有多强,发射的电磁波都会与地球相切并射入宇宙,而不是落到数千米外。

技术专家总是关注科学发现的实际用途,而科学家则关注自然本身的奥秘。 就连赫兹本人在完成著名的电磁波验证实验后也认为它没有实际用途。 1889年底,德国电气技术专家、工程师胡贝尔在给赫兹的信中提到了利用电磁波(当时称为“赫兹波”)进行通信的想法。 但赫兹的回答让他失望了。 赫兹认为,如果要利用电磁波进行远距离通信,至少需要一个像欧洲大陆那么大的巨型凹面反射器,而且必须挂得很高。 这个答复实际上否定了霍布尔的假设。 赫兹的答案是经过计算的。 这个大镜子是为了照顾当时可以人工产生的电磁波的波长。

马可尼更多的是一种企业家心态,而不是科学家心态,这让他愿意相信电磁波会绕地球曲率传播,并坚持在跨大西洋无线电通信方面进行疯狂的实验。 毕竟,这背后蕴藏着巨大的商业价值! 也许马可尼真正的老师是美国企业家菲尔德,他历尽千辛万苦才铺设了跨大西洋电报电缆。

横跨大西洋的无线电波

科学技术的进步如果有明确的方向,就必须以人们的意愿为导向。 人们的愿望往往需要依靠能够整合更多资源的人来实现。

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马可尼(中)、坎普(左)和佩吉特在纽芬兰圣约翰斯信号山上合影留念。 三人身后的大六角风筝是从英国带来的“贝登堡利维托风筝”。 它携带一根高空150多米的天线,有助于接收跨大西洋无线电信号。 摄影:James Vey(来自:加拿大图书馆和档案馆)

1901年12月12日下午,马可尼和助手们通过风筝升起的155米长天线收到了来自爱尔兰的无线电信号。 当他们在强风中听到断断续续的莫尔斯电码“嘟、嘟、嘟……”时,他们激动又喜悦,简直不敢相信这是真的:博尔杜发射的无线电波正平静地围绕着旅行3218.7。沿着地球曲率公里,我们穿越大西洋,到达纽芬兰圣约翰斯的信号山! 这次信号传输的距离几乎是之前通信记录的10倍,证实了马可尼“无论距离有多远,无线电通信没有极限”的信念。

他们收到的验证信号只是三个连续的短“·”,确实太简单了。 刺骨的西北风夹杂着设备的噪音。 经过长时间的紧张监听,他们自己都会怀疑自己到底是真的听到了信号的声音,还是产生了幻觉。 因此,他们也打算在第二天听到更清晰的信号后才发布消息,但是第二天天气变得更糟,没有收到更多的信号。 今天我们知道,由于太阳辐射,在夜间接收跨大西洋无线电信号比白天更有优势。 马可尼选择在下午进行实验是不利的。

马可尼并没有急于向外界透露这一信息,因为这一爆炸性消息必然会影响公司的股价。 早在1898年,马可尼跨洋无线通信实验成功的消息就导致经营跨大西洋有线电报公司的股价暴跌。 然而,马可尼在发布消息之前通过跨大西洋电报向公司伦敦总部报告了这一情况,使公司有机会在消息发布之前注入更多股票筹码,这一操作在英国是合法的。时间。

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1901年12月17日,跨大西洋无线通信试验成功后,由媒体主持的现场“场景重演”(左边第一个是马可尼,另外两个是当地雇员)。 这张上演的照片疯传。 摄影:James Vey(来自:加拿大图书馆和档案馆)

在与公司伦敦总部沟通后,马可尼于12月14日向新闻界和意大利政府宣布了这一消息。整个圣约翰沉浸在巨大的兴奋之中,随后新闻媒体疯狂报道。 世界各地的报纸纷纷附和《纽约时报》的言论:“马可尼宣布了现代信息科学最令人惊讶的发展。” 。 12月15日(周日),《纽约时报》在头版刊登了马可尼跨大西洋信号的消息,并出版了马可尼的传记。 为了使报告更加完整,《纽约时报》请托马斯·科默福德·马丁进行总结。 马丁当时是《电气世界》的编辑,是电气界和媒体界的权威,能够在更大的背景下谈论马可尼的成就。

马丁于1884年与他人共同创立了美国电气工程师协会(AIEE),是现在世界著名的电气和电子工程师协会(IEEE)的前身之一,并于1887年至1888年担任其主席。马丁对马可尼给予了热情的赞扬。作为一位初出茅庐的年轻科技天才,他对马可尼成功横渡大西洋表示惊讶和喜悦。

权威人士出面支持

事实上,学术界和工业界对马可尼的实验持怀疑态度。 他们在接收信号时并没有邀请其他专业人士在场,更没有邀请媒体人员现场观察。 除了他和他的助手坎普之外,公司之外没有第三人可以作证。

这时,一些专业人士支持了马可尼。 例如,哥伦比亚大学著名电学教授、权威物理学家迈克尔·普平就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。 因为马丁认为马可尼是一个值得信赖的时代人物。 为此,马丁邀请这位年轻的意大利人作为1902年1月13日美国电气工程师学会(AIEE)年度晚宴的贵宾。马丁作为前AIEE主席和许多活动的主持人,很容易说服了学会的领导层授予马可尼这一荣誉。 然而,由于并非所有人都相信马可尼的说法,马丁发现很难让工程专业人士参加晚宴,因此他不得不求助于汤姆森休斯顿的创始人伊莱胡·汤姆森(Elihu Thomson)。 曼(1892 年与爱迪生公司合并成立通用电气公司)支持这项活动。 汤姆森支持梅克尼的消息传开后,马丁就坐满了华尔道夫阿斯托里亚酒店 300 个座位的阿斯特画廊。

尽管如此,马可尼还是想为自己找到更多证据。 1902年2月,他乘坐“费城”号客轮从英国前往美国。 该船配备了无线电报系统。 在跨洋航行中,马可尼定期听到来自博尔杜的莫尔斯电码信息,并邀请船长和大副聆听。 他还将听到信息的时间和地点记录在图表上。 这张由费城号上的目击者绘制的图表提供了更有力的证据,证明无线电波可以跨越大西洋传输。 反复的实验和成功的长距离通信后来证实马可尼没有撒谎。

注:关于第一个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。 并不是他刻意回避博尔杜传输系统的技术规范。 主要原因是当时的无线电频率还很难精确测量。 1903年,弗莱明在一次演讲中表示,当时的波长估计超过1000英尺。 1904 年,弗莱明发明了一种测量发射频率(或波长)的装置。 1908年,马可尼在向英国皇家学会演讲时表示,当时的波长应该是1200英尺,对应的频率是820kHz。

跨大西洋无线电通信的成功给马可尼公司带来了巨大的效益和发展机遇,但这次实验的意义远远超出了商业价值。 从人类认识自然的角度来看,其科学启蒙价值就更加弥足珍贵。 它不仅促使马可尼和德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩因发明和改进无线电报而共同获得1909年诺贝尔物理学奖,而且拓展了科学的视野。 围绕跨大西洋无线通信的科学疑点和通信质量提升的思考和确认,犹如推倒多米诺骨牌,催生了一系列重大科学成果。

收获一:人类知道电离层的存在

他们之所以不敢想,不敢做,甚至不敢相信这是真的,是因为当时的人们并不知道地球上存在着电离层。地球以外的高海拔地区,电离层反射电磁波,可以充当巨大的屏蔽层。 球形反射器可以使电磁波在地面和电离层之间多次反射,从而使电磁波可以绕地球曲率传播。

1902年,与此同时,奥利弗·赫维赛德和美国工程师阿瑟·肯纳利从理论上证明了无线电波能够环游世界,因为它们在电离层中被一层带电气体粒子反弹。 这个电离层后来被称为“康诺里-亥维赛层”。 赫维赛德是英国自学成才的数学天才和物理学家。 他没有接受过正规高等教育,但在数学和工程学方面取得了许多原创性成就。 他创立了矢量分析,将麦克斯韦方程简化为当今使用的形式,并对电磁学的发展做出了重大贡献。

1924年,英国科学家爱德华·维克多·阿普尔顿在迈尔斯·巴尼特的协助下,进行了一项利用连续波探测电离层高度的实验。 他们使用频率变化的电磁波来接收电离波的信号。 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,可以反射地球曲线之外的无线电波,并且还表明反射有时可能来自第二层——更高的导电层。 他们的初步研究结果于 1925 年发表在《自然》杂志上。厄普顿因对高层大气物理特性的研究证实了电离层的存在而获得了 1947 年诺贝尔物理学奖。 这引发了对地球大气层的深入研究和新探索。

收获二:开启射电天文学时代

1927 年,一位名叫卡尔·古特·扬斯基 (Karl Guthe Jansky) 的大学毕业生加入成立仅两年的贝尔实验室,担任无线电工程师。 当时,跨大西洋无线电通信系统中仍然存在背景噪声,他被指派调查这种背景噪声的来源,并消除可能影响信号传输的无线电干扰。

扬斯基安装了一组大型可旋转天线来接收频率为20.5MHz(波长14.6米)的无线电波。 经过几个月的记录和分析,他将背景噪音分为三种类型:附近的雷暴、远处的雷暴和不明来源的微弱嘶嘶声。 他花了一年多的时间研究第三种背景噪音,发现其强度每天都会上升和下降。

扬斯基最初推测噪音来自太阳辐射。 然而几个月后,最强的噪音源开始远离太阳。 他确定该信号的重复周期为23小时56分钟,这恰好是地球相对于宇宙的自转时间(一个恒星日),而不是一个太阳日(24小时)。 扬斯基认为它来自银河系中心,人马座方向的信号源最强。

他的发现得到了广泛宣传,并于1933年5月5日发表在《纽约时报》上。当年他发表了经典论文《来自外太空的电子干扰的明显来源》。 他的发现标志着射电天文学的诞生,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,开启了天文观测的新时代。 20世纪中叶的四大天文学发现——星际分子、类星体、微波背景辐射和脉冲星——都是通过射电天文学取得的。

至此,两个关于跨大西洋通信的故事已经结束,但造福人类的通信科学与工程仍在不断发展。 这两个独立而又相互关联的故事引发了一系列重大科学事件和成就。 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

[1]W.伯纳德·卡尔森.特斯拉:电气时代的发明者[M].新泽西:普林斯顿大学出版社,2013:331-352

[2]马克·拉博伊。 马可尼:连接世界的人[M]. 纽约:牛津大学出版社,2016:34-192

[3] Sungook Hong.无线:从马可尼黑匣子到Audion[M]。 马萨诸塞州剑桥:麻省理工学院出版社,2010:20-32

[4] Bruce J. Hunt.Oliver Heaviside 一流的怪事[J] Phys. 今日 65(11), 48 (2012); doi: 10.1063/PT.3.1788 在线查看:

查看目录:

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

[6] 一个家庭:几代人的发现参见:

本文由科普中国·星空计划资助

主办:中国科协科普部

出品单位:中国科学技术出版社有限公司、北京中科银河文化传媒有限公司

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