十九世紀電纜俠的故事

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為少兒雜誌寫的科普:

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【連接你我脈搏的海纜】

 

一、 十九世紀“電纜俠”的故事

 

“昨夜西風凋碧樹。獨上高樓,望盡天涯路。欲寄彩箋兼尺素。山長水闊知何處。”

這是宋代詞人晏殊的著名詞句。對於古代人來說,山長水闊,讓遠隔的人們思念綿綿、望空興歎。其實,陸地上的相隔,再遠也是可以到達的。在晏殊那個年代(公元十世紀),真正讓人一籌莫展的是遠隔重洋。

即使是蒸汽船發明之後,在十九世紀中葉,歐洲和美洲之間的郵輪仍然需要十天以上的航程。彼時,有線電報剛剛發明。工程師布雷特(John Watkins Brett)異想天開,想在海底鋪設電纜,這樣一來,隔著大海的人就可以通過電報“報平安”了。但是,海底鋪設電纜有很多技術挑戰:導電線怎麽在海水裏絕緣並且不被腐蝕?電纜需要怎樣的柔韌性和強度才能鋪設?電報信號到底可以傳輸多遠?怎麽知道海底的狀況適合鋪設電纜?

好在這些問題逐漸被一個個攻破。19世紀古塔膠被發現了,絕緣的古塔膠包裹的金屬電線可以布設在海底,電流在其中暢行無阻,而不會被海水腐蝕。當時的深海探測技術也發展到了一定水平,可以對海洋的地貌有了初步的了解。

哥萊亞斯號船在鋪設英吉利海峽電纜

1850年,由他主導在英吉利海峽鋪設了第一條海底電纜,電纜全長20英裏左右,連接起了英國和法國的電報。但是,沒過多久,一位漁民誤以為網到了大魚而把電纜從海底拽了上來——之後一百多年時間裏,架設維護海底電纜的一個挑戰就是,別讓漁民當作大魚,也別讓鯊魚當作帶魚。1851年,布雷特進行了第二次鋪設,終於成功,英國和歐洲大陸通過電報緊密地連接在了一起。

成功的喜悅讓人更發奇想,海底電纜能不能穿過大西洋把北美與歐洲連接起來呢?這個奇想,就連電報的發明者莫爾斯本人也驚呆了,認為是不切實際的冒險。

但是,傻大膽的風險投資人來了,他就是美國實業家塞勒斯·韋斯特·菲爾德(Cyrus West Field)。菲爾德不懂電纜啊、海洋測量啊、導電啊、電報啊等專業技術,但是,年輕,有錢,大膽,充滿冒險精神, 這樣的人,無論在哪一個時代都是不會默默無聞的。他全身心地去追求跨大西洋海底電纜這個人生目標。

他口才出眾,短短幾天就在英國募集到了35萬英鎊的投資。大家對未來充滿了難以置信的熱情和信心,堅信技術的發展會讓自己的投資得到回報。越洋電纜,就是十九世紀的航天火箭Space X,菲爾德就是十九世紀的“鋼鐵俠”馬斯克。

從技術上說,跨大西洋電纜和跨英吉利海峽電纜完全是天壤之別。鋪設英吉利海峽電纜,20英裏,風平浪靜的話一天就能搞定。而跨越大西洋,當時的輪船要十天以上。不算鋪設機械,單是跨洋電纜的重量,就遠遠超過當時任何一艘船舶的載重。

“電纜俠”影響力和說服力是一級棒的。英國政府為菲爾德提供了皇家海軍最大的戰艦之一“阿伽門農”號,而美國政府提供了排水量五千噸的戰艦“尼亞加拉”號。這兩艘當時最大噸位等級的艦船經過特殊改裝,才能“你一半我一半”,各自裝下跨洋電纜的一半。

跨大西洋電報電纜路線圖

 

 

鋪設跨大西洋電報電纜的尼亞加拉艦船

 

跨大西洋電報電纜

1857年8月5日,菲爾德的鋪設船隊從愛爾蘭起航,包括莫爾斯在內的業界專家都在船上,實時監測鋪設情況。“尼亞加拉”號一邊小心翼翼地緩緩向前行駛,一邊像蜘蛛吐線一樣,在後麵用絞盤留下那根越洋電纜。電纜的一頭固定在愛爾蘭,船上的專家時刻與陸地保持聯係,以確保電纜沒有斷裂。

8月11日晚上,在成功鋪設355海裏後,事故發生了。絞盤發生故障,已經鋪設的電纜像斷線的風箏“嗖”地全掉進了海裏。由於當時還沒有合適的潛水打撈技術,隻能望洋興歎。第一次嚐試宣告失敗,菲爾德損失了355海裏的電纜外加十萬英鎊的投資——因為軲轆故障,打了水漂。 

由於大西洋的氣候原因,第二次嚐試隻能等到次年夏天風平浪靜的時候。1858年6月10日,菲爾德的船隊第二次出發。這一次,兩艘船按計劃先航行到大西洋中央碰麵,將兩條電纜對接起來,然後揮手告別,分別向歐洲和北美兩個方向鋪設。但是,在到達預定接頭地點之前,船隊不幸遇上了暴風雨。經過這次風暴的顛簸,大量的電纜被翻滾碰撞,“內傷外傷”都很嚴重。鋪設了200多海裏後,電纜兩端就再也不能互通信號了。這200多海裏的電纜變成了廢銅廢鐵廢古塔,第二次嚐試又宣告失敗——因為風暴,打了水漂。

這次失敗動搖了絕大多數投資商的信心,很多人不想幹了,要求菲爾德變賣剩下的電纜,彌補他們的損失。當時的媒體也一片嘩然,到處都是質疑的聲音。但菲爾德不為所動,一定要再試一次。“電纜俠”的意誌,比電纜強了很多倍。

1858年7月17日,船隊靜悄悄地起航,這一次,沒有媒體報道,也沒有“大V”名流到場。菲爾德和他的遠大目標已經被全世界遺忘。7月28日,“阿伽門農”和“尼亞加拉”在大西洋中部再次成功接頭,然後“尼亞加拉”駛向美國,“阿伽門農”駛向英國,大家打出旗語互相道別,“千裏姻緣一線牽”,連接他們的隻有這一根小小的電纜。8月5日,“尼亞加拉”到達紐芬蘭海岸,“阿伽門農”也在同一天到達愛爾蘭海岸。

人類史上一項偉大的事業,就這樣靜悄悄地完成了。

在經過十天多的測試之後,1858年8月16日,維多利亞女王發給美國總統布坎南的賀電,通過海底電纜傳到北美。布坎南向英國女王回電,同時,禮炮鳴放100響,慶祝人類這一偉大的曆史時刻。

當時,女王發來的電報,99個詞,509個字母,花了多少時間?17小時40分鍾!平均每個字母需要2分零5秒傳輸。太慢了嗎?簡直是太快了!因為當時郵寄一封信從英國到美國,至少要十天以上啊。從十天到17小時40分鍾,這是神速啊!電報的速度,到了二十世紀,才提速到每分鍾120個字母。

不過,大西洋海底電纜電報的收費也是很驚人的:每個詞5美元,相當於今天的75美元!當年女王的電報,如果要收費的話,差不多7500美金!一般的老百姓還真的消費不起啊。

但是,命運是殘酷的,幾天之後,因為電報信號減弱,首席工程師Wildman Whitehouse 博士決定升高電壓。坑人的是,這位博士是醫藥博士,他的電知識並不是體育老師教的,而是自學的。最後,上千伏的電壓把電纜的絕緣層擊穿了,北美再也接收不到歐洲傳來的電報信號——醫藥博士真是把“電纜俠”害慘了,這一次因為“跨行業專家”瞎指揮打了水漂,媒體甚至指責“電纜俠”是騙子。

 “電纜俠”是不會輕易被擊倒的。1865年,菲爾德再次出現在倫敦,帶著新籌集的60萬英鎊,重新啟動他的越洋電纜項目。此時,對於有線電報的研究已經非常成熟,世界第一巨輪“東方偉人”(Great Eastern)號也已經建成,並且恰好閑置。擁有了新的電報技術和這艘排水量兩萬兩千噸的巨輪,讓鋪設任務變得簡單了許多。

7月23日,“東方偉人”號出航,菲爾德開始了又一次嚐試。在離北美還有兩天航程的時候,電纜突然斷裂,第四次嚐試再次失敗——這電纜咋這麽“脆弱”呢?根據墨菲定律:凡是可能出錯的事必定會出錯,“天氣”、“絞盤”、“電纜”、“人的失誤”,所有可能發生的錯誤都發生了一遍。

1866年7月13日,“東方偉人”號再次出發,海底撈針似地找到了上次斷裂的那條電纜,修複連接後,繼續鋪設。終於,兩條電纜把歐洲和北美緊密地聯係在一起。

十年多的時間,四次慘痛的失敗,數十萬英鎊打了水漂,很多隊友退縮,還有人追債,但是,菲爾德依然堅持信念,永不言棄。他締造的第一條越洋電纜,將歐美大陸的脈搏連接到了一起。

 

二、 任督二脈大開的海底光纜

 

海底電報電纜使用了近百年之後,海底電話電纜的鋪設才開始起步。原因在於,話音信號在電纜上衰減很快,如果要達到實用,海底電纜需要每隔20英裏就加上一個信號放大器。直到1950年代,海底電話電纜才在技術上和經濟上達到了可行。

1956年,第一條穿越大西洋的海底電話電纜TAT-1鋪設成功並進入實用。這是兩條單向傳輸的電纜,每條電纜有36路電話通道。

而如今,在海底連接幾個大陸的是光纜。光纜的速度,與150年前的電報電纜相比,簡直是一個在天一個在地。連接中國和美國的中美直達海底光纜 (Trans-Pacific Express,即TPE),是世界首條海底高速(跨太平洋)直達光纖電纜,全長1.7萬公裏,采用8對纖芯,64*10Gbps(Giga bit per second, 每秒10億比特)光纖技術,光纖容量為5.12Tbps(Tera Bit per Second,每秒萬億比特),其中大陸地區的登陸站為上海和青島。5.12Tbps是什麽概念?假設《小多雜誌》一期的文件大小是20MB(Mega Byte, 百萬字節),40期的總量是800 MB。1字節=8比特,

800x8x 108/5.12x1012

=0.125 秒

隻需要0.125 秒就可以把40期小多雜誌從中國發送到美國。

如果時光回轉,我們想通過第一條大西洋電報電纜傳送這40期《小多雜誌》,需要多少時間? 假設每一期雜誌20萬字,為了簡化估算,我們假設每個中文字和3個英文字母相當(一個漢字編碼的信息量要超過一個英文字母),每個英文字母需要2分鍾傳送,那麽,

200000x40x3x2 =48000000 分鍾= 91年

需要91年才能傳輸完畢啊!當然,實際上不需要91年,因為這91年裏電報的速度也在提升。

從電報電纜到光纜,如果把這連接大陸脈搏的海底通道比做人身上的任督二脈,那麽,它們在一個半世紀裏,拓寬了幾百億倍!

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第一條大西洋海底電話電纜TAT-1

海底光纜

我們來仔細看看這個容量驚人的海底光纜是什麽模樣的?

海底光纜的核心是一束像玻璃絲一樣透明的東西,叫做光纖束。從激光二極管發出來的光信號,因為波導效應會在這個玻璃管道裏傳播,而不會發散出去。我們隻要把《小多雜誌》編碼成一串“000111”的數字碼,加載到光信號裏,就可以利用光纖進行通信了。

光纜的基本結構通常為:聚乙烯層、聚酯樹酯或瀝青層、鋼絞線層、鋁製防水層、聚碳酸酯層、銅管或鋁管、石蠟,烷烴層、光纖束等。這八、九層外殼的材料,是為了防止腐蝕、增大強度。

海底光纜鋪設就是把光纜放在光纜敷設船上,然後,船慢慢開動的同時把光纜平鋪沉入海底。

具體來說,光纜鋪設主要包括“清路”“敷設“和“衝埋”三個階段。先由無人挖掘機在海底挖路,它有點像耕田時使用的犁,底部有幾排噴水孔,向海底噴射出高壓水柱,將海底泥沙衝開,形成光纜溝。光纜溝形成之後,就是“敷設”了。最後,再用高壓水泵衝起泥沙,埋好光纜。

海底光纜常常會出現故障,有時候是來自船舶、鯊魚等不經意間的破壞,有時候是敵軍的蓄意破壞,更多的時候是地震所引起的問題。

一般海底光纜故障處理會經過幾個步驟。首先,使用儀器來定位大致的故障位置。之後,通過潛水機器人找到受損海底光纜的精確定位,切斷故障位置,並將剩餘兩端拖回修理船進行修複。接下來,用備用海底光纜連接受損光纜的兩個斷點,經測試後再放回海底。

海底電纜的費用大概是每公裏幾萬美金,使用期為25年。穀歌2016年敷設連接日本和美國的海底光纜Faster,長9000公裏,帶寬高達60Tbps,造價3億美金。

 

光纜鋪設船和挖掘犁

目前全球的海底光纜

三、結語

如果說發射衛星是“九天攬月”,那麽,鋪設海底電纜就是“五洋捉鱉”了。互聯網中,各個大洲之間的數據傳輸,99%是通過海底電纜,隻有1%是通過天上的衛星,這是因為海底電纜“五洋捉鱉”的性價比更高。當我們在互聯網上衝浪的時候,那些感人的文字、親切的語音和熟悉的圖像,化成一個個比特,以接近光的速度,流過海底的光纜,穿越太平洋、大西洋、印度洋。雖然你聽不到比特傳輸的聲音,但是,它們在海底光纜裏飛舞。正是因為有了海底光纜,我們才真正做到了“海外存知己,天涯若比鄰”。《大魚海棠》的幾句歌詞或許可以這樣來唱:“海浪無聲將夜幕深深淹沒,漫過天空盡頭的角落,《小多》在海底的光纜裏遊過,傳給你共舞的脈搏”。

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