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馬可尼發明無線電的經過

No.29   1995 June   p18~27,   by 文伯銓 Frank Wen, KM2X (寄自美國紐約)



Fig 00
馬可尼於 1896 年取得第一張無線電專利證後,與他的機件合影和簽名式,時年 22 歲,照片左方是火花發射機,右方是凝聚檢波器接收機,下方兩根橫金屬條是天線,(Guglielmo Marconi, 1874.4.25-1937.7.20)

    西元 1896 年 6 月 2 日,意大利人「古利莫.馬可尼」 (GUGLIELMO MARCONI) 取得英國第 12039 號發明無線電的專利證,距今剛好一百週年。馬可尼最疼愛的幼女「依樂德」 (ELETTRA) 以及全球無線電界,每年都有紀念活動,並特定今 (1995) 年為「馬可尼年」。

    為讓讀者瞭解無線電通訊術的由來及其與業餘無線電的關係,本刊謹以特稿描述當年馬氏發明無線電過程中克難奮鬥的情形,並追蹤其發明無線電的學理根據及逸聞,以茲紀念。


馬可尼的誕生

    西元 1874 年 4 月 25 日,有一個天稟異相的嬰兒,在意大利北部的「波隆那」 (BOLOGNA) 誕生了,這便是無線電鼻祖「馬可尼」氏。他生下來就有一對大耳朵,好像預言道這是人類有史以來第一對收聽千里外聲音的耳朵。

    他以 22 歲的稚齡發明了無線電通訊術,跟著發明定向天線、雷達等。他也是最先使用無線電話和傳真 (FAX) 的人,在科學智識只具雛形的一百年前,他能在無中生有的條件下,發明今日與我人生活不可分離的無線電,委實不可思議,莫怪他和「愛迪生」,同被譽為本世紀最輝煌的發明家。


馬氏的家世

    馬氏家中富有,父親「吉西比」 (GIUSEPPE) 是位成功的商業家,第一任妻子生一男孩時 (LUIGI),因難產而逝世; 第二任妻子是位美麗溫柔的愛爾蘭籍 (IRELAND) 音樂教師,名叫「安妮」 (ANNIE),也即是馬氏的生母。

    安妮生二男孩,大孩名叫「阿方索」 (ALPHONSO),次男便是馬氏,二人相差 9 歲,所以馬氏就成安妮的寵兒。母子二人相依為命,情深似海,母親的照顧和鼓勵,在馬氏研發無線電的過程中,影響極為深遠。


馬氏幼年的實驗

    馬氏的父親望子成龍,由於馬氏幼年時沒考取海軍學校,老馬指責馬氏的「玩具」是荒廢學業的禍源,見之便毀棄不誤。有一回,馬氏模仿「富蘭克林」的試驗,用風箏將天上的電引下來,不慎將整排當絕緣子用的名貴瓷餐碟打碎,老馬氣得半死。

    馬氏自幼心中崇拜二位英雄。其一是美國開國元勳兼科學家的「富蘭克林」 (BENJAMIN FRANKLIN, 1706-1790),他以用風箏引電而著名;第二位是英國電磁學先驅「法拉第」 (MICHAEL FARADAY, 1791-1867),現今電容器的單位,就是以他的名字來紀念的。由於此二人的影響,馬氏乃醉心電磁學。

    他很自豪,不時對青梅竹馬的玩伴「黛絲」 (DAISY PRESCOTT) 表妹說「我的電」如何如何,口氣可不小。在自製的玩意兒中,他最喜愛的是一風雨預告警鈴。這是一具用鋅製的架子,放置在屋頂上,用來吸收暴風雨前的靜電,再用電線引至一個電鈴上,在暴風雨來襲前後,鈴聲會大作。

    馬氏遲到 12 歲時,才上正統的學校,他有些害羞,不時隨母親回英國娘家,以致意大利語說得不太好,為同學欺侮,不久便退學去考海軍,而未被錄取,已如前述。到 13 歲時,幸而進了「利富樂技術學院」 (LIVORNO TECHNICAL INSTITUTE)。此時他才正式接觸物理和化學的課程,且深深愛上了這兩門科目。就在這時,又巧遇一位年老的盲眼報務員,而學會了摩斯電碼,這一技能對馬氏日後發展無線電通訊幫助極大。

    隨後馬氏投考「波隆那大學」,又是名落孫山和捱老父一頓臭罵。馬氏雖然沒有上正式學校很多,可是他的學識不輸給任何人。他因為經常躲在他父親的私人圖書館中,博覽群書,增加了不少智識,奠定了往後的發展。

    為了要躲避父親的責罵,馬氏在花園中找到一個祕密地點,作為他的試驗室。每當試驗有成果時,會喜不自禁的報告給母親知道。安妮對他的試驗雖然一竅不通,但見到兒子的成就,也就同享其樂,並且瞞著丈夫,在閣樓上覓一隱閉的房間給馬氏做實驗室,這房間只有馬氏和安妮可以進去。

    安妮的另一高招是說服一位在「波隆那大學」教物理,名叫「利菲」教授 (PROF. RIGHI) 的鄰居,給馬氏予以指導。利菲教授允許馬氏使用學校的實驗室,和將儀器借回家,亦可使用學校的圖書館。馬氏乘此良機,一口氣將館內全部有關電學的書籍閱畢。


馬氏第一個大突破 -- 赫茲的論文

    直到 1894 年,馬氏的試驗才有了突破性的發展,是年他尚不足 20 歲,和他長兄一道去「阿爾卑斯山」 (ALPS) 渡假時,讀到德國物理學家「赫茲」 (HEINRICH HERTZ, 1857-1894) 的一篇重要論文,該文詳述他如何以實驗方法證明英國科學家「麥克斯威爾」 (JAMES C. MAXWELL, 1831-1879) 所說的電磁波確實存在,並說電磁波是以光波速度前進,可以穿透真空、空氣、液體和固體。

    年輕聰明的馬氏立即領悟到,這個電磁波可以作為傳遞訊息之用。隨即匆匆結束假期,趕回家中的實驗室,動腦筋設法將這構想付諸實施。他的第一步驟是重複赫茲的實驗,雖然也經過多次失敗,最後竟給他成功了,這帶給他莫大的鼓勵,雖然通訊距離只有可憐約二、三公分而已。

Fig 01
赫茲的實驗,左方是發射部份,右方的圓環是接收部份,當左方跳火花時,右方也會受感應而跳火花,左右兩者之間除空氣外,無任何連接。

    赫茲的實驗如右圖所示,左方是電波產生 (發射) 機,右方是電波接收機。發射機是利用誘導線圈產生高電壓,在火花隙之間產生火花。接收機則簡單到只用一根金屬線彎成一圓環,兩端不相接而僅留一小隙。當發射機跳火花時,接收機也會產生一個較弱的火花。發射機與接收機之間除空氣外,沒有任何東西相連。

    這對收發機經馬氏不斷地改良,通訊距離增加到隔壁的房間,再從樓上到樓下,並可按響一電鈴和啟動用於有線電報的摩斯電碼印碼機。

    次一步便是將接收機移至室外,馬氏在閣樓上發,他的二哥阿方索則在外面收。距離越來越遠,唯有打旗號表示收到訊號;後來距離遠至隔一小山,QSL (收訊證實) 只得用槍聲來表示。


馬氏第二個大突破 -- 凝聚檢波器

    此時馬氏所遭遇的困難,和我們現今者相同,就是接收機的靈敏度不夠高。適在這時,法國一位物理學家「白蘭利」 (EDOUARD BRANLY,1844-1940),發明了一個「凝聚檢波器」 (COHERER)- 這是一內裝金屬粉末的玻璃管,兩端接電線,平時電不通,當受電波影響時,就會通電,管內的粉末也會凝聚,故名。

    馬氏將之改良來替代接收機上的火花隙,因而靈敏度大增,這是他的第二大突破。

Fig 02
馬可尼初期的火花發射和接收機;左方的是發,右方是收。



馬氏第三突破 -- 天地線

    當時對電波的理論觀念是波長短的電磁波,只能直線放射,而且距離有限,波長長的電波則可以繞山越嶺。電波之能在空中進行,是因為太空中有一種叫「以太」 (ETHER) 的東西存在。長的電波理所當然要用大而長的導體,才能有效地發射出去。

    所以馬氏用一大片金屬,接在火花隙的一端,並高高的掛在樹上,火花隙的另一端則接在地上,電波的強度竟增加數倍超過二公里之遙,這個既驚震又欣喜的現象,是馬氏第三個大突破,也是天地線的起源。自從有了天地線之後,進度神速,效果驚人。

    接著,他發現,當一台發射機在發射時,放置在不同地點的二台接收機,可以同時收到電訊。這不就是廣播的起源嗎?

    這時馬氏只不過是一個 21 歲的少年郎,他的成就說服了父親,老馬也慷慨解囊拿錢出來給他買器材。馬氏原先的計劃是想將發明獻給意大利政府,但是他們當時卻致力於架設陸上電線和海底電纜,並認為無線電這玩意見太虛玄,不實用而推辭,這件事予馬氏和老馬打擊很大。

    失望之餘,馬氏的愛爾蘭籍母親安妮認為,去英國較有更多的機會。乃於 1896 年,母子二人帶了一大批古離古怪的器材,啟程去英國。在進口時,海關官員一見此血氣方剛的青年,攜帶了這些不知所云的電線、電瓶等危險物品,嚇得魂不附體,以為又是一個恐怖份子入境。因為在他們記憶猶新的腦海中,美國的林肯總統於 1865 年被刺身亡;法國卡洛總統 (PRESIDENT SADI CARNOT) 只不過在兩年前被一個意大利籍的無政府主義者所謀殺;英國維多利亞女王 (1819-1901) 亦被人開了三槍。莫怪海關人員將這些原始的無線電拆得粉碎,逐件嚴格檢 查。所以馬氏抵達英國後第一件事是花了數星期的時間,修理裝配這些器材。

Fig 03
馬可尼發明的火花發射機實物圖。

    馬氏很有商業頭腦,害怕他人會竊取他的發明,所以馬上便去申論專利。1896 年 2 月,也即足足一百年前,取得有史以來,有關無線電的第一張專利證,號碼是 12039。時年馬氏只有 22 歲而已。跟著於次年成立「無線電報及訊號有限公司」,後更名為「馬可尼公司」 (MARCONI COMPANY),並發行股票上市。(註:原雜誌上有這張專利證的圖,但因為不清楚,略去此圖。)

    馬氏到英國之初,默默無聞,幸賴他母親的人事關係,得以在名流貴族前,表演他的新發明,觀者讚不絕口,尤以英國郵政局的總工程師「布利司」氏 (WILLIAM PREECE),獨具慧眼,認為此玩意兒大有作為,前途無量。答應全力支持並廣為演說宣傳,也讓馬氏在郵政總局的屋頂上架設天線。


馬氏和中國駐英大使

    馬氏在英國的表演,很為成功,美中不足的是所有表演都在英國本土的陸地上進行,若果能超越海洋作國際通訊,豈不是更可顯示無線電的功能。

    終於在 1899 年 3 月間,成功地自英海岸「多佛市」 (DOVER) 東北角的一個名叫「南福倫」 (SOUTH FORELAND) 的懸崖燈塔內,和距離 45 公里的法國「永莫銳」 (WIMEREAU) 完成通訊。這次示範,傳達了數百通電訊,也驚震歐陸,引起更多公候名士,絡繹不絕前往參觀設在「南福倫」的電台。

    有一天,三位貴賓聯袂往訪,他們是英國貿易部總裁、郵政司祕書長和中國駐英大使 (名待查)。是日恰逢狂風暴雨,無法通訊,馬氏歉咎之餘,只得以雪茄煙、啤酒和雨傘酬賓,亦一佳話也。

    馬氏曾經訪問過我國,我國政府亦於 1936 年,特頒「秉玉大勳章」 (THE ORDER OF BRILLIANT JADE),以表揚其功績。

    在二十世紀初期前,越洋交通主要是靠輪船,從歐洲到美洲,行程約需一星期至十天之久,尤有甚者,輪船一出海即音訊全無,一直要等到抵達目的地後,乃將消息經海底電纜傳回出發點。萬一中途遇上狂風暴雨、冰山而出事,可真是呼救無門,或就此永遠失蹤,所以在當時,坐船出海是一件冒著生命危險的大事,而無線電的發明無異是海上的救星。最先裝無線電的是英國軍艦,就在馬氏通越英法海峽的同一年,有兩艘軍艦通訊的距離可達 120 公里之遙。


無線電史上第一個 QRM

    在此之前,馬氏的發展主要都在英國周圍。又在這一年 (1899),舉世矚目的美國杯帆船賽在紐約舉行。馬氏藉此良機,在兩艘機船上裝了無線電機,隨賽船作現場實況報導。這空前未有的一招,引起美國人士的重視,也就奠定隨後成立的「美國馬可尼公司」 (AMERICAN MARCONI COMPANY) 的基石。

    該日除馬氏以外,尚有三極管發明人「李.迪福斯」 (LEE DEFOREST) 所創設的美式無線電系統,在現場作實況報導,和馬氏競爭。李氏使用的武器是傾全力干擾馬氏的電波,這是有史以來第一次惡性 QRM,特此誌之。


著名的 7777 號專利

    馬氏頭腦靈活,善於將理論付諸實用。英國科學家「洛奇」爵士 (SIR OLIVER LODGE) 在 1894 年發現使用電容器和線圈,可以變更赫茲電磁波的波長,也即是今日我們所說的「諧振線路」 (RESONANT CIRCUIT)。

    馬氏靈機一動,將這線路應用在他的無線電機上。果然,數台發射機可同時發射,各有各的頻率,互不干擾,一如今日的電台,你捉你的 DX,我聊我的天,河水不會犯井水。

    一經試驗成功,馬氏立予專利,專利證是 7777 號,時為 1900 年 4 月 26 日。這便是極其著名,俗稱「四個七日 (FOUR SEVENS) 的專利。這一成就,是無線電設計上的一個大突破,也使馬可尼公司獨霸市場,強敵如德國的「德律風根電報公司」 (TELEFLNKEN WIRELESS COMPANY)、美國的「李迪福斯」系統,竟毫無招架之力。

    最令德國人失威的是有一艘德國軍艦,竟捨德律風根的器材而改用馬可尼的系統。此舉在當時極不簡單,因為正是德皇「威廉大帝二世」當政,他剛將著名的鐵血宰相「俾士麥」開除,和第一次世界大戰醞釀時期。不知是德人故意或是別有用心,總之,這和目中無人,一絲不苟的德國脾氣不相符,其後果是給予馬氏極大的有力宣傳。

Fig 04
馬可尼發明的諧振式火花發射機和接收機。兩者要調至同一頻率才能通訊,使用多架收發組合,可各用各的頻率來通訊,不會互相干擾,這著名的 7777 號專利,令馬氏強大的競爭者,毫無招架之力。這個諧振線路在一百年後的今天,仍然在用。



Fig 05
這是首次超越大西洋通訊,馬可尼架設在英國寶竇 (POLDHU) 的發射天線。

第一次洲際 DX 通訊

    馬氏的成就,不止於此。他認為只要電力強大,電波可從歐洲越過大西洋而到達美洲。他這個想法,遭受到很多科學家的否定和譏笑。他們認為電波和光波一般是向直線進行的,最遠只可達到二、三百公里之遙,難道馬可尼連地球是圓的這點常識都不知道嗎?

    馬氏不理會這些閒言,致力於他的理想。1901 年,在英國西南角的「寶竇」 (POLDHU) 及美國「鱈魚角」 (CAPE COD) 兩地架設數座高達 65 公尺的天線塔。在當時,天線塔的架設是整個工程中,最最昂貴和困難的部份。不出所料,「鱈魚角」的天線塔很快便被強風吹倒。

    經此失敗後,馬氏將地點改在加拿大的「紐芬蘭」 (NEW FOUN1DLAND),建立一座收聽台; 此次學乖了,不架設天線塔而改用汽球和風箏。時在冬季,加拿大的西北風不比「鱈魚角」的弱多少。據報導,三十餘只汽球和風箏,隨風而去得無影無蹤。

Fig 06
西元 1901 年 12 月 12 日,馬可尼 (左) 收到遠從二千五公里外,橫越大西洋而來的「滴滴滴」 S 字母,建立史上第一次越洋通訊。

    在「寶竇」的強力電台,每天在約定的時間,發送 "S" 這字的摩斯電碼三小時。終於在 1901 年 12 月 12 日,馬氏從吵噪雜音中,抄收到遠從二千五公里越洋而來的「滴滴滴」,雖然微弱,但正確不誤;起先他不相信自己的耳朵,再叫助手去證實,這便是有史以來第一次越洋通訊,立刻驚震全球。馬氏的敵人,包括有些科學家,懷疑馬氏的耳朵有毛病或患了幻想症;不久,這些胡言便為馬氏陸續成功的 QSO 而推翻。


豪華郵輪 「鐵達尼」事件

    無線電波能超山越洋已不是問題,若是和基礎深厚,財力宏大的有線電報爭一長短,則需要時間來拓展,最實用的則要以船舶通訊了。在越大西洋通訊成功的次年,已有七十餘艘輪船裝有無線電,陸上電台也增至二十五座。

    無線電真正引起世人重視的是在 1912 年,援救 711 名在大西洋漂流的旅客。事由在二十世紀初期,主要的海洋交通全靠大火輪,各國競爭劇烈,海洋霸主的英國白星輪船公司 (WHITE STAR),建造了一艘極盡豪華能事,號稱永不沈沒,四煙囪的「鐵達尼」號 (TITANIC) 郵輪,重四萬六千餘噸 (46328英噸,52310公噸),長 269 公尺,時速可達 22 海哩,傲視群雄,不可一世。「鐵達尼」於 1912 年 4 月 12 日由英國的「南安普頓」 (SOUTHAMPTON) 啟程作處女航,橫越大西洋至紐約,載有非富則貴的旅客 1316 人,船員 885 名,共 2201 人。船行二天之後,已越過三 分之二的旅程,是夜天氣睛朗,滿天星斗,只是無月光,將近午夜時分,突然撞上一座大冰山,船身右側水線下被劃開一條長達 100 公尺的大裂口,由於船大,很多人在被撞時,不覺得有何異樣。

    當船員將情況報告給船長的時候,船長猶充滿自信,滿不在乎的認為這只是小創而已,直到事態嚴重時,才下令發出求救訊號,當時使用的求救訊號是 CQD (CQ DISASTER),意即「呼叫各電台今有災難」。這 CQD 不久後改用 SOS,最近 (1995) 則連 SOS 也不用了。

    由於「鐵達尼」上的救生艇不足夠全體人員之用,只有婦女、小孩和少數操作救生艇的海員,共計 711 人登上救生艇,其餘的男士都在大廳中鎮靜地唱歌,樂隊不斷演奏,三小時後,即 1912 年 4 月 15 日清晨 2 時 21 分,一代名輪連同千餘旅客船員,在樂聲中沈入海底。這悲壯的一幕,迄今仍感動人心,充分發揮人類互愛的精神和典型歐洲式的君子風度。這艘名輪在沈下近一世紀後,已有人探出沈船地點,並開始打撈。

    當時有數艘輪船收到求救呼叫訊號,趕往現場時,鐵達尼已沈下一個半小時,在救生艇上的七百餘人,則幸運地被救起。次日這消息震驚全世界,紐約和倫敦的報紙,鑒於七百餘人的獲救,應歸功於無線電,以照片、卡通畫等來表揚馬可尼的功績,並恭頌他是真正的幕後英雄。


無線電發明權的爭奪

    馬氏輝煌的成就,不容分說,當然會引起其他人的眼紅,包括以前曾經協助過他的朋友,也不在例外,為爭取發明權而告上法院。經多年的訴訟,終於 1905 年,由美國法院判決裁定,馬氏是無線電通訊術的發明人。關鍵是在「通訊」二字上面。

    俄國人雖則沒有告上法庭,但是多年來一直嚷著無線電是俄國科學家「僕布夫」 (ALEXANDEP POPOFF, 1859-1906) 於 1895 年發明的。俄人除此之外,尚嚷著很多東西,包括蘋果和赤道等,都是他們發明的,因而常為文化界製造不少笑話的題材。

    事實上,英國科學家「麥克斯威爾」 (MAXWELL, 1831-1879) 以數學證明電磁波的存在;德國物理學家「赫茲」 (HERTZ, 1857-1894),在 1883 年時已開始研究電波,以實驗證明該波的存在,1893 年發表有關該波的論文; 而馬可尼的天靈蓋在讀到該文後便大開。

    筆者認為,馬氏成功之理由,除電學知識外,尚有他熟悉摩斯電碼,將之順手拈來,事半功倍,而其他競爭者尚得要解決使用何種方式來傳達訊息這一難關。

    尚有一事證明馬氏是最初的發明人:1902 年,他去俄國「聖彼得堡」訪問時,遇到僕布夫,僕氏和馬可尼握手時親口說:「我向你致敬意,你是無線電之父」,僕布夫認輸了。


馬氏其他的發明和拓展

    嗣後馬氏陸續拓展新的通訊領域和技巧,也發明更多的無線電器材,多不勝書,主要者尚有下列數項:

Fig 07
馬可尼發明的拋物線定向天線,左方是發射部份,右方是接收部份。這天線的設計非常優良,竟連續使用了四十年之久

  • 發現日夜通訊距離不同。日間是一千公里,夜間為三千公里 (1902)
  • 發明磁力檢波器,訊號來時自動會響 (1902)
  • 發明數款定向天線,且設計優良。
  • 以八十公尺長的電波,從愛爾蘭射到南美的阿根廷,距離達一萬公里之遙 (1910)。
  • 發現用較短波長的電波,可減低發射電力而得相同效果,並可裝定向反射面,於第一次大戰時,用以防敵方偷聽 (1916)。
  • 首先使用 15 米的波長。
  • 首先拓展實驗半公尺超短波。
  • 發明雷達原理,並予以實驗。
  • 首先用無線電傳送圖片。

    由此看來,有很多事物,如傳真、雷達、超短波、定向天線等,我們總以為是現代的產物,其實馬可尼早已開拓並成功地使用了,令人不得不佩服他的才幹和智慧。


馬氏的榮譽

    馬氏真是當代大紅人,集富貴榮華於一身。二十餘歲時,以一介平民的身份,週旋於國君候爵豪富之間,在當時的歐洲社會,這是極不平凡的榮譽。各國政府、學術機關,紛紛為他封候賜爵,頒發勳章等計 24 項,內包括我國、印度、日本等等在內。

    1909 年,他與另一位物理學家「布勞恩」 (KARL BRAUN) 共同獲得諾貝爾的物理獎 (NOBEL PRIZE FOR PHYSICS),這是世界最高境界的學術獎。有十六個學術團體,如美國電氣學會等頌給他學術獎。另更有十五所大學,包括哥倫比亞、羅馬、牛津、劍橋等,授予他名譽博士學位。除馬可尼外,尚不知世上有何第二人有如此眾多的榮銜。


馬氏的餘年

    馬氏生平結過二次婚,生了四個女兒,晚年買了一艘遊艇,以他的幼女名字「依樂德」 (ELETTRA) 命名,設備豪華,艇內並設無線電實驗室,環遊於四海之間,橫渡大西洋竟達百餘次之多,船上經常傳出無線電電波,傳出的風流韻事,比他所得的榮銜更多多。

    馬氏於 1937 年 7 月 20 日卒在「羅馬」,並葬於斯。他的妻子「史嘉莉」候爵夫人 (MARCHESA M. CRISTINA BEZZI SCALI) 在去 (1994) 年 7 月 15 日才去世,享年 94 歲。


馬氏與業餘無線電

    有一件我們火腿族可以無愧地高舉馬可尼而引為自豪的事情是這樣的:

    話說 1931 年,在「芝加哥」舉辦了一項「世紀進步展覽會」 (CENTURY OF PROGRESS EXPOSITIONS),美國總統「小羅斯福」 (FRANKLIN D. ROOSEVELT) 在會中特設宴招待馬氏。餐後,人疲馬乏,時光也不早。馬氏堅持應約赴一技術學校參觀演講,且看學生的製作。其中一學生拿出一架半成品的收音機,很害羞地說:「馬可尼先生,我猜,它必定不太好,我的意思是說,我僅不過是一個業餘者而已」。馬氏鄭重地以鼓勵的口吻,回答說: 「不要氣餒,我本人也是一個業餘家耳」。 END



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