马可尼-实用无线电报通信创始人 | 记发明无线电的过程

马可尼-实用无线电报通信创始人 | 记发明无线电的过程

国内新闻2020-07-21 16:55:56

马可尼于1896 年取得第一张无线电专利证后,与他的机件合影和签名时,年仅22 岁,照片左方是火花发射机,右方是凝聚检波器接收机,下方两根横金属条是天线,(Guglieimo Marconi, 1874.4.25-1937.7.20 )

公元1896 年6 月2 日,意大利人古利莫·马可尼(GUGLIELMO MARCONI)取得英国第12039 号发明无线电的专利证,距今一百多年。马可尼最疼爱的幼女依乐德(ELETTRA)以及全球无线电界,每年都有纪念活动,并特定1995 年为“马可尼年”。

为让读者了解无线电通信技术的由来及其与业余无线电的关系,本刊谨以特稿描述当年马可尼发明无线电过程中艰苦奋斗的情形,并追踪其发明无线电的学理根据及逸闻,以兹纪念。

马可尼的诞生

公元1874 年4 月25 日,有一个天禀异相的婴儿,在意大利北部的波隆那(BOLOGNA)诞生了,这便是无线电鼻祖马可尼。他生下来就有一对大耳朵,好像预言道这是人类有史以来第一对收听千里外声音的耳朵。

他年仅22岁时便发明了无线电通信技术,随后发明定向天线、雷达等。他也是最先使用无线电话和传真(FAX)的人,在科学知识只具雏形的一百年前,发明今日与人们生活不可分离的无线电,委实不可思议,莫怪他和爱迪生同被誉为本世纪最辉煌的发明家。

马可尼的家世

马可尼家中富有,父亲吉西比(GIUSEPPE)是位成功的商业家,第一任妻子生一男孩时(LUIGI),因难产而逝世; 第二任妻子是位美丽温柔的爱尔兰籍(IRELAND)音乐教师,名叫安妮(ANNIE),也即是马可尼的生母。

安妮生二男孩,大孩名叫阿方索(ALPHONSO),次男便是马可尼,二人相差9 岁,所以马可尼就成了安妮的宠儿。母子二人相依为命,情深似海,母亲的照顾和鼓励,在马可尼研发无线电的过程中,影响极为深远。

马可尼幼年的实验

马可尼的父亲望子成龙,由于马可尼幼年时没考取海军学校,父亲指责马可尼的“玩具”是荒废学业的祸源,见之便毁弃不误。有一回,马可尼模仿富兰克林的试验,用风筝将天上的电引下来,不慎将整排当绝缘子用的名贵瓷餐碟打碎,父亲气得半死。

马可尼自幼心中崇拜二位英雄。其一是美国开国元勋兼科学家的富兰克林(BENJAMIN FRANKLIN, 1706-1790),他以用风筝引电而著名; 第二位是英国电磁学先驱法拉第(MICHAEL FARADAY,1791-1867),现今电容器的单位,就是以他的名字来纪念的。由于此二人的影响,马可尼乃醉心电磁学。

他很自豪,不时对青梅竹马的玩伴黛丝(DAISY PRESCOTT)表妹说“我的电”如何如何,口气可不小。在自制的玩具中,他最喜爱的是一风雨预告警铃。这是一具用锌制的架子,放置在屋顶上,用来吸收暴风雨前的静电,再用电线引至一个电铃上,在暴风雨来袭前后,铃声会大作。

马可尼迟到12 岁时,才上正统的学校,他有些害羞,不时随母亲回英国娘家,以致意大利语说得不太好,为同学欺侮,不久便退学去考海军,而未被录取,已如前述。到13 岁时,幸而进了利富乐技术学院(LIVORNO TECHNICAL INSTITUTE)。此时他才正式接触物理和化学的课程,且深深爱上了这两门科目。就在这时,又巧遇一位年老的盲眼报务员,而学会了摩斯电码,这一技能对马可尼日后发展无线电通信帮助极大。

随后马可尼投考波隆那大学,又是名落孙山和挨老父一顿臭骂。马可尼虽然没有上正式学校很多,可是他的学识不输给任何人。他因为经常躲在他父亲的私人图书馆中,博览群书,增加了不少知识,奠定了往后的发展。

为了要躲避父亲的责骂,马可尼在花园中找到一个秘密地点,作为他的试验室。每当试验有成果时,会喜不自禁的报告给母亲知道。安妮对他的试验虽然一窍不通,但见到儿子的成就,也就同享其乐,并且瞒着丈夫,在阁楼上觅一隐闭的房间给马可尼做实验室,这房间只有马可尼和安妮可以进去。

安妮的另一高招是说服一位在波隆那大学教物理,名叫利菲教授(PROF. RIGHI)的邻居,给马可尼予以指导。利菲教授允许马可尼使用学校的实验室,和将仪器借回家,亦可使用学校的图书馆。马可尼趁此良机,一口气将馆内全部有关电学的书籍阅毕。

马可尼第一个大突破-- 赫兹的论文

直到1894 年,马可尼的试验才有了突破性的发展,是年他尚不足20 岁,和他长兄一道去阿尔卑斯山(ALPS)度假时,读到德国物理学家赫兹(HEINRICH HERTZ, 1857-1894)的一篇重要论文,该文详述他如何以实验方法证明英国科学家麦克斯威尔(JAMES C. MAXWELL, 1831-1879)所说的电磁波确实存在,并说电磁波是以光波速度前进,可以穿透真空、空气、液体和固体。

年轻聪明的马可尼立即领悟到,这个电磁波可以作为传递信息之用。随即匆匆结束假期,赶回家中的实验室,动脑筋设法将这构想付诸实施。他的第一步骤是重复赫兹的实验,虽然也经过多次失败,最后竟给他成功了,这带给他莫大的鼓励,虽然通信距离只有可怜约二、三公分而已。

赫兹的实验,左方是发射部份,右方的圆环是接收部份,当左方跳火花时,右方也会受感应而跳火花,左右两者之间除空气外,无任何连接。

赫兹的实验如右图所示,左方是电波产生(发射)机,右方是电波接收机。发射机是利用诱导线圈产生高电压,在火花隙之间产生火花。接收机则简单到只用一根金属线弯成一圆环,两端不相接而仅留一小隙。当发射机跳火花时,接收机也会产生一个较弱的火花。发射机与接收机之间除空气外,没有任何东西相连。

这对收发机经马可尼不断地改良,通信距离增加到隔壁的房间,再从楼上到楼下,并可按响一电铃和启动用于有线电报的摩斯电码印码机。

次一步便是将接收机移至室外,马可尼在阁楼上发,他的二哥阿方索则在外面收。距离越来越远,唯有打旗号表示收到信号;后来距离远至隔一小山,QSL(收信证实)只得用枪声来表示。

马可尼第二个大突破-- 凝聚检波器

此时马可尼所遭遇的困难,和我们现今者相同,就是接收机的灵敏度不够高。适在这时,法国一位物理学家白兰利(EDOUARD BRANLY,1844-1940),发明了一个“凝聚检波器”(COHERER)- 这是一内装金属粉末的玻璃管,两端接电线,平时电不通,当受电波影响时,就会通电,管内的粉末也会凝聚,故名。

马可尼将之改良来替代接收机上的火花隙,因而灵敏度大增,这是个的第二大突破。

马可尼初期的火花发射和接收机;左方的是发,右方是收。

马可尼第三突破-- 天地线

当时对电波的理论观念是波长短的电磁波,只能直线放射,而且距离有限,波长长的电波则可以绕山越岭。电波之能在空中进行,是因为太空中有一种叫以太(ETHER)的东西存在。长的电波理所当然要用大而长的导体,才能有效地发射出去。

所以马可尼用一大片金属,接在火花隙的一端,并高高的挂在树上,火花隙的另一端则接在地上,电波的强度竟增加数倍超过二公里之遥,这个既惊震又欣喜的现象,是马可尼第三个大突破,也是天地线的起源。自从有了天地线之后,进度神速,效果惊人。

接着,他发现,当一台发射机在发射时,放置在不同地点的二台接收机,可以同时收到电信。这不就是广播的起源吗?

这时马可尼只不过是一个21 岁的少年郎,他的成就说服了父亲,父亲也慷慨解囊拿钱出来给他买器材。马可尼原先的计划是想将发明献给意大利政府,但是他们当时却致力于架设陆上电线和海底电缆,并认为无线电这玩意见太虚玄,不实用而推辞,这件事予马可尼和父亲打击很大。

失望之余,马可尼的爱尔兰籍母亲安妮认为,去英国较有更多的机会。乃于1896 年,母子二人带了一大批古离古怪的器材,启程去英国。在进口时,海关官员一见此血气方刚的青年,携带了这些不知所云的电线、电瓶等危险物品,吓得魂不附体,以为又是一个恐怖份子入境。因为在他们记忆犹新的脑海中,美国的林肯总统于1865 年被刺身亡; 法国卡洛总统(PRESIDENT SADI CARNOT)只不过在两年前被一个意大利籍的无政府主义者所谋杀; 英国维多利亚女王(1819-1901)亦被人开了三枪。莫怪海关人员将这些原始的无线电拆得粉碎,逐件严格检查。所以马可尼抵达英国后第一件事是花了数星期的时间,修理装配这些器材。

马可尼发明的火花发射机实物图。

马可尼很有商业头脑,害怕他人会窃取他的发明,所以马上便去申请专利。1896 年2 月,也即足足一百年前,取得有史以来,有关无线电的第一张专利证,号码是12039。时年马可尼只有22 岁而已。跟着于次年成立“无线电报及信号有限公司”,后更名为“马可尼公司”(MARCONI COMPANY),并发行股票上市。( 注:原杂志上有这张专利证的图,但因为不清楚,略去此图。)

马可尼到英国之初,默默无闻,幸赖他母亲的人事关系,得以在名流贵族前,表演他的新发明,观者赞不绝口,尤以英国邮政局的总工程师布利司(WILLIAM PREECE),独具慧眼,认为此玩意见大有作为,前途无量。答应全力支持并广为演说宣传,也让马可尼在邮政总局的屋顶上架设天线。

马可尼和中国驻英大使

马可尼在英国的表演,很为成功,美中不足的是所有表演都在英国本土的陆地上进行,若能超越海洋作国际通信,岂不是更可显示无线电的功能。

终于在1899 年3 月间,成功地自英海岸多佛市(DOVER)东北角的一个名叫南福伦(SOUTH FORELAND)的悬崖灯塔内,和距离45 公里的法国永莫锐(WIMEREAU)完成通信。这次示范,传达了数百通电信,也震惊欧陆,引起更多公候名士,络绎不绝前往参观设在南福伦的电台。

有一天,三位贵宾联袂往访,他们是英国贸易部总裁、邮政司秘书长和中国驻英大使(名待查)。是日恰逢狂风暴雨,无法通信,马可尼歉咎之余,只得以雪茄烟、啤酒和雨伞酬宾,亦一佳话也。

马可尼曾经访问过我国,我国政府亦于1936 年,特颁“秉玉大勋章”(THE ORDER OF BRILLIANT JADE),以表扬其功绩。

在二十世纪初期前,越洋交通主要是靠轮船,从欧洲到美洲,行程约需一星期至十天之久,尤有甚者,轮船一出海即音信全无,一直要等到抵达目的地后,乃将消息经海底电缆传回出发点。万一中途遇上狂风暴雨、冰山而出事,可真是呼救无门,或就此永远失踪,所以在当时,坐船出海是一件冒着生命危险的大事,而无线电的发明无异是海上的救星。最先装无线电的是英国军舰,就在马可尼通越英法海峡的同一年,有两艘军舰通信的距离可达120 公里之遥。

无线电史上第一个QRM

在此之前,马可尼的发展主要都在英国周围。又在这一年(1899),举世瞩目的美国杯帆船赛在纽约举行。马可尼借此良机,在两艘机船上装了无线电机,随赛船作现场实况报导。这空前未有的一招,引起美国人士的重视,也就奠定随后成立的美国马可尼公司(AMERICAN MARCONI COMPANY)的基石。

该日除马可尼以外,倘有三极管发明人李·迪福斯(LEE DEFOREST)所创设的美式无线电系统,在现场作实况报导,和马可尼竞争。李氏使用的武器是倾全力干扰马可尼的电波,这是有史以来第一次恶性QRM,特此志之。

著名的7777 号专利

马可尼头脑灵活,善于将理论付诸实用。英国科学家洛奇爵士(SIR OLIVER LODGE)在1894 年发现使用电容器和线圈,可以变更赫兹电磁波的波长,也就是今日我们所说的谐振线路(RESONANT CIRCUIT)。

马可尼灵机一动,将这线路应用在他的无线电机上。果然,数台发射机可同时发射,各有各的频率,互不干扰,一如今日的电台,你捉你的DX,我聊我的天,河水不会犯井水。

一经试验成功,马可尼立予专利,专利证是7777 号,时为1900 年4 月26 日。这便是极其著名,俗称“四个七日”(FOUR SEVENS)的专利。这一成就,是无线电设计上的一个大突破,也使马可尼公司独霸市场,强敌如德国的德律风根电报公司(TELEFLNKEN WIRELESS COMPANY)、美国的李迪福斯系统,竟毫无招架之力。

最令德国人失威的是有一艘德国军舰,竟舍德律风根的器材而改用马可尼的系统。此举在当时极不简单,因为正是德皇威廉大帝二世当政,他刚将著名的铁血宰相俾士麦开除,和第一次世界大战酝酿时期。不知是德人故意或是别有用心,总之,这和目中无人,一丝不苟的德国脾气不相符,其后果是给予马可尼极大的有力宣传。

马可尼发明的谐振式火花发射机和接收机。两者要调至同一频率才能通信,使用多架收发组合,可各用各的频率来通信,不会互相干扰,这著名的7777 号专利,令马可尼强大的竞争者,毫无招架之力。这个谐振线路在一百年后的今天,仍然在用。

这是首次超越大西洋通信,马可尼架设在英国宝窦(POLDHU)的发射天线。

第一次洲际DX 通信

马可尼的成就,不止于此。他认为只要电力强大,电波可从欧洲越过大西洋而到达美洲。他这个想法,遭受到很多科学家的否定和讥笑。他们认为电波和光波一般是向直线进行的,最远只可达到二、三百公里之遥,难道马可尼连地球是圆的这点常识都不知道吗?

马可尼不理会这些闲言,致力于他的理想。1901 年,在英国西南角的宝窦(POLDHU)及美国鳕鱼角(CAPE COD)两地架设数座高达65 公尺的天线塔。在当时,天线塔的架设是整个工程中,最最昂贵和困难的部份。不出所料,鳕鱼角的天线塔很快便被强风吹倒。

经此失败后,马可尼将地点改在加拿大的纽芬兰(NEW FOUN1DLAND),建立一座收听台; 此次学乖了,不架设天线塔而改用气球和风筝。时在冬季,加拿大的西北风不比鳕鱼角的弱多少。据报道,三十余只气球和风筝,随风而去得无影无踪。

公元1901 年12 月12 日,马可尼(左)收到远从二千五公里外,横越大西洋而来的“滴滴滴”S 字母,建立史上第一次越洋通信。

在宝窦的强力电台,每天在约定的时间,发送"S" 这字的摩斯电码三小时。终于在1901 年12 月12 日,马可尼从吵噪杂音中,抄收到远从二千五百公里越洋而来的“滴滴滴”,虽然微弱,但正确不误;起先他不相信自己的耳朵,再叫助手去证实,这便是有史以来第一次越洋通信,立刻惊震全球。马可尼的敌人,包括有些科学家,怀疑马可尼的耳朵有毛病或患了幻想症;不久,这些胡言便为马可尼陆续成功的QSO 而推翻。

豪华邮轮“泰坦尼克”事件

无线电波能超山越洋已不是问题,若是和基础深厚、财力宏大的有线电报争一长短,则需要时间来拓展,最实用的则要以船舶通信了。在越大西洋通信成功的次年,已有七十余艘轮船装有无线电,陆上电台也增至二十五座。

无线电真正引起世人重视的是在1912 年,援救711 名在大西洋漂流的旅客。事由在二十世纪初期,主要的海洋交通全靠大火轮,各国竞争剧烈,海洋霸主的英国白星轮船公司(WHITE STAR),建造了一艘极尽豪华能事,号称永不沉没,四烟囱的“泰坦尼克”号(TITANIC)邮轮,重四万六千余吨,长1411 公尺,时速可达22 海哩,傲视群雄,不可一世。“泰坦尼克”于1912 年4 月12 日由英国的南安普顿(SOUTHAMPTON)启程作处女航,横越大西洋至纽约,载有非富则贵的旅客1316 人,船员885 名,共2201 人。船行二天之后,已越过三分之二的旅程,是夜天气睛朗,满天星斗,只是无月光,将近午夜时分,突然撞上一座大冰山,船身右侧水线下被划开一条长达100 公尺的大裂口,由于船大,很多人在被撞时,不觉得有何异样。

当船员将情况报告给船长的时候,船长犹充满自信,满不在乎的认为这只是小创而已,直到事态严重时,才下令发出求救信号,当时使用的求救信号是CQD(CQ DISASTER),意即“呼叫各电台今有灾难”。这CQD 不久后改用SOS,最近(1995)则连SOS 也不用了。

由于“泰坦尼克”上的救生艇不足够全体人员之用,只有妇女、小孩和少数操作救生艇的海员,共计711 人登上救生艇,其余的男士都在大厅中镇静地唱歌,乐队不断演奏,三小时后,即1912 年4 月15 日清晨2 时21 分,一代名轮连同千余旅客船员,在乐声中沉入海底。这悲壮的一幕,迄今仍感动人心,充分发挥人类互爱的精神和典型欧洲式的君子风度。这艘名轮在沉下近一世纪后,已有人探出沉船地点,并开始打捞。

当时有数艘轮船收到求救呼叫信号,赶往现场时,泰坦尼克已沉下一个半小时,在救生艇上的七百余人,则幸运地被救起。次日这消息震惊全世界,纽约和伦敦的报纸,鉴于七百余人的获救,应归功于无线电,以照片、卡通画等来表扬马可尼的功绩,并恭颂他是真正的幕后英雄。

无线电发明权的争夺

马可尼辉煌的成就,不容分说,当然会引起其他人的眼红,包括以前曾经协助过他的朋友,也不在例外,为争取发明权而告上法院。经多年的诉讼,终于1905 年,由美国法院判决裁定,马可尼是无线电通信技术的发明人。关键是在“通信”二字上面。

俄国人虽则没有告上法庭,但是多年来一直说无线电是俄国科学家仆布夫(ALEXANDEP POPOFF, 1859-1906)于1895 年发明的。

事实上,英国科学家麦克斯威尔(MAXWELL, 1831-1879)以数学证明电磁波的存在;德国物理学家赫兹(HERTZ, 1857-1894),在1883 年时已开始研究电波,以实验证明该波的存在,1893 年发表有关该波的论文; 而马可尼的天灵盖在读到该文后便大开。

笔者认为,马可尼成功之理由,除电学知识外,尚有他熟悉摩斯电码,将之顺手拈来,事半功倍,而其他竞争者尚得要解决使用何种方式来传达信息这一难关。

尚有一事证明马可尼是最初的发明人:1902 年,他去俄国圣彼得堡访问时,遇到仆布夫,仆布夫和马可尼握手时亲口说:“我向你致敬意,你是无线电之父”,仆布夫认输了。

马可尼其他的发明和拓展

嗣后马可尼陆续拓展新的通信领域和技巧,也发明更多的无线电器材,多不胜数,主要者尚有下列数项:

马可尼发明的抛物线定向天线,左方是发射部份,右方是接收部份。这天线的设计非常优良,竟连续使用了四十年之久。

· 发现日夜通信距离不同。日间是一千公里,夜间为三千公里(1902)

· 发明磁力检波器,信号来时自动会响(1902)

· 发明数款定向天线,且设计优良。

· 以八十公尺长的电波,从爱尔兰射到南美的阿根廷,距离达一万公里之遥(1910)。

· 发现用较短波长的电波,可减低发射电力而得相同效果,并可装定向反射面,于第一次大战时,用以防敌方偷听(1916)。

· 首先使用15 米的波长。

· 首先拓展实验半公尺超短波。

· 发明雷达原理,并予以实验。

· 首先用无线电传送图片。

由此看来,有很多事物,如传真、雷达、超短波、定向天线等,我们总以为是现代的产物,其实马可尼早已开拓并成功地使用了,令人不得不佩服他的才干和智慧。

马可尼的荣誉

马可尼真是当时的大红人,集富贵荣华于一身。二十余岁时,以一介平民的身份,周旋于国君候爵豪富之间,在当时的欧洲社会,这是极不平凡的荣誉。各国政府、学术机关,纷纷为他封候赐爵,颁发勋章等计24 项,包括我国、印度、日本等等在内。

1909 年,他与另一位物理学家布劳恩(KARL BRAUN)共同获得诺贝尔的物理奖(NOBEL PRIZE FOR PHYSICS),这是世界最高境界的学术奖。有十六个学术团体,如美国电气学会等颂给他学术奖。另更有十五所大学,包括哥伦比亚、罗马、牛津、剑桥等,授予他名誉博士学位。除马可尼外,尚不知世上有何第二人有如此众多的荣衔。

马可尼的余年

马可尼生平结过二次婚,生了四个女儿,晚年买了一艘游艇,以他的幼女名字依乐德(ELETTRA)命名,设备豪华,艇内并设无线电实验室,环游于四海之间,横渡大西洋竟达百余次之多,船上经常传出无线电电波,传出的风流韵事,比他所得的荣衔更多。

马可尼于1937 年7 月20 日卒在罗马,并葬于斯。他的妻子史嘉莉候爵夫人(MARCHESA M. CRISTINA BEZZI SCALI)在1994 年7 月15 日才去世,享年94 岁。

马可尼与业余无线电

有一件我们火腿族可以无愧地高举马可尼而引为自豪的事情是这样的:

话说1931 年,在芝加哥举办了一项“世纪进步展览会”(CENTURY OF PROGRESS EXPOSITIONS),美国总统小罗斯福(FRANKLIN D. ROOSEVELT)在会中特设宴招待马可尼。餐后,人疲马乏,时光也不早。马可尼坚持应约赴一技术学校参观演讲,且看学生的制作。其中一学生拿出一架半成品的收音机,很害羞地说:“马可尼先生,我猜,它必定不太好,我的意思是说,我仅不过是一个业余者而已”。马可尼郑重地以鼓励的口吻,回答说:“不要气馁,我本人也是一个业余家耳”。

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