為少兒雜誌寫的科普：

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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！

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”。