十九世纪电缆侠的故事

打印 (被阅读 次)

为少儿杂志写的科普:

https://mp.weixin.qq.com/s/9c7H6CKIYzPfLND618FkJA 

 
【连接你我脉搏的海缆】

 

一、 十九世纪“电缆侠”的故事

 

“昨夜西风凋碧树。独上高楼,望尽天涯路。欲寄彩笺兼尺素。山长水阔知何处。”

这是宋代词人晏殊的著名词句。对于古代人来说,山长水阔,让远隔的人们思念绵绵、望空兴叹。其实,陆地上的相隔,再远也是可以到达的。在晏殊那个年代(公元十世纪),真正让人一筹莫展的是远隔重洋。

即使是蒸汽船发明之后,在十九世纪中叶,欧洲和美洲之间的邮轮仍然需要十天以上的航程。彼时,有线电报刚刚发明。工程师布雷特(John Watkins Brett)异想天开,想在海底铺设电缆,这样一来,隔着大海的人就可以通过电报“报平安”了。但是,海底铺设电缆有很多技术挑战:导电线怎么在海水里绝缘并且不被腐蚀?电缆需要怎样的柔韧性和强度才能铺设?电报信号到底可以传输多远?怎么知道海底的状况适合铺设电缆?

好在这些问题逐渐被一个个攻破。19世纪古塔胶被发现了,绝缘的古塔胶包裹的金属电线可以布设在海底,电流在其中畅行无阻,而不会被海水腐蚀。当时的深海探测技术也发展到了一定水平,可以对海洋的地貌有了初步的了解。

哥莱亚斯号船在铺设英吉利海峡电缆

1850年,由他主导在英吉利海峡铺设了第一条海底电缆,电缆全长20英里左右,连接起了英国和法国的电报。但是,没过多久,一位渔民误以为网到了大鱼而把电缆从海底拽了上来——之后一百多年时间里,架设维护海底电缆的一个挑战就是,别让渔民当作大鱼,也别让鲨鱼当作带鱼。1851年,布雷特进行了第二次铺设,终于成功,英国和欧洲大陆通过电报紧密地连接在了一起。

成功的喜悦让人更发奇想,海底电缆能不能穿过大西洋把北美与欧洲连接起来呢?这个奇想,就连电报的发明者莫尔斯本人也惊呆了,认为是不切实际的冒险。

但是,傻大胆的风险投资人来了,他就是美国实业家塞勒斯·韦斯特·菲尔德(Cyrus West Field)。菲尔德不懂电缆啊、海洋测量啊、导电啊、电报啊等专业技术,但是,年轻,有钱,大胆,充满冒险精神, 这样的人,无论在哪一个时代都是不会默默无闻的。他全身心地去追求跨大西洋海底电缆这个人生目标。

他口才出众,短短几天就在英国募集到了35万英镑的投资。大家对未来充满了难以置信的热情和信心,坚信技术的发展会让自己的投资得到回报。越洋电缆,就是十九世纪的航天火箭Space X,菲尔德就是十九世纪的“钢铁侠”马斯克。

从技术上说,跨大西洋电缆和跨英吉利海峡电缆完全是天壤之别。铺设英吉利海峡电缆,20英里,风平浪静的话一天就能搞定。而跨越大西洋,当时的轮船要十天以上。不算铺设机械,单是跨洋电缆的重量,就远远超过当时任何一艘船舶的载重。

“电缆侠”影响力和说服力是一级棒的。英国政府为菲尔德提供了皇家海军最大的战舰之一“阿伽门农”号,而美国政府提供了排水量五千吨的战舰“尼亚加拉”号。这两艘当时最大吨位等级的舰船经过特殊改装,才能“你一半我一半”,各自装下跨洋电缆的一半。

跨大西洋电报电缆路线图

 

 

铺设跨大西洋电报电缆的尼亚加拉舰船

 

跨大西洋电报电缆

1857年8月5日,菲尔德的铺设船队从爱尔兰起航,包括莫尔斯在内的业界专家都在船上,实时监测铺设情况。“尼亚加拉”号一边小心翼翼地缓缓向前行驶,一边像蜘蛛吐线一样,在后面用绞盘留下那根越洋电缆。电缆的一头固定在爱尔兰,船上的专家时刻与陆地保持联系,以确保电缆没有断裂。

8月11日晚上,在成功铺设355海里后,事故发生了。绞盘发生故障,已经铺设的电缆像断线的风筝“嗖”地全掉进了海里。由于当时还没有合适的潜水打捞技术,只能望洋兴叹。第一次尝试宣告失败,菲尔德损失了355海里的电缆外加十万英镑的投资——因为轱辘故障,打了水漂。 

由于大西洋的气候原因,第二次尝试只能等到次年夏天风平浪静的时候。1858年6月10日,菲尔德的船队第二次出发。这一次,两艘船按计划先航行到大西洋中央碰面,将两条电缆对接起来,然后挥手告别,分别向欧洲和北美两个方向铺设。但是,在到达预定接头地点之前,船队不幸遇上了暴风雨。经过这次风暴的颠簸,大量的电缆被翻滚碰撞,“内伤外伤”都很严重。铺设了200多海里后,电缆两端就再也不能互通信号了。这200多海里的电缆变成了废铜废铁废古塔,第二次尝试又宣告失败——因为风暴,打了水漂。

这次失败动摇了绝大多数投资商的信心,很多人不想干了,要求菲尔德变卖剩下的电缆,弥补他们的损失。当时的媒体也一片哗然,到处都是质疑的声音。但菲尔德不为所动,一定要再试一次。“电缆侠”的意志,比电缆强了很多倍。

1858年7月17日,船队静悄悄地起航,这一次,没有媒体报道,也没有“大V”名流到场。菲尔德和他的远大目标已经被全世界遗忘。7月28日,“阿伽门农”和“尼亚加拉”在大西洋中部再次成功接头,然后“尼亚加拉”驶向美国,“阿伽门农”驶向英国,大家打出旗语互相道别,“千里姻缘一线牵”,连接他们的只有这一根小小的电缆。8月5日,“尼亚加拉”到达纽芬兰海岸,“阿伽门农”也在同一天到达爱尔兰海岸。

人类史上一项伟大的事业,就这样静悄悄地完成了。

在经过十天多的测试之后,1858年8月16日,维多利亚女王发给美国总统布坎南的贺电,通过海底电缆传到北美。布坎南向英国女王回电,同时,礼炮鸣放100响,庆祝人类这一伟大的历史时刻。

当时,女王发来的电报,99个词,509个字母,花了多少时间?17小时40分钟!平均每个字母需要2分零5秒传输。太慢了吗?简直是太快了!因为当时邮寄一封信从英国到美国,至少要十天以上啊。从十天到17小时40分钟,这是神速啊!电报的速度,到了二十世纪,才提速到每分钟120个字母。

不过,大西洋海底电缆电报的收费也是很惊人的:每个词5美元,相当于今天的75美元!当年女王的电报,如果要收费的话,差不多7500美金!一般的老百姓还真的消费不起啊。

但是,命运是残酷的,几天之后,因为电报信号减弱,首席工程师Wildman Whitehouse 博士决定升高电压。坑人的是,这位博士是医药博士,他的电知识并不是体育老师教的,而是自学的。最后,上千伏的电压把电缆的绝缘层击穿了,北美再也接收不到欧洲传来的电报信号——医药博士真是把“电缆侠”害惨了,这一次因为“跨行业专家”瞎指挥打了水漂,媒体甚至指责“电缆侠”是骗子。

 “电缆侠”是不会轻易被击倒的。1865年,菲尔德再次出现在伦敦,带着新筹集的60万英镑,重新启动他的越洋电缆项目。此时,对于有线电报的研究已经非常成熟,世界第一巨轮“东方伟人”(Great Eastern)号也已经建成,并且恰好闲置。拥有了新的电报技术和这艘排水量两万两千吨的巨轮,让铺设任务变得简单了许多。

7月23日,“东方伟人”号出航,菲尔德开始了又一次尝试。在离北美还有两天航程的时候,电缆突然断裂,第四次尝试再次失败——这电缆咋这么“脆弱”呢?根据墨菲定律:凡是可能出错的事必定会出错,“天气”、“绞盘”、“电缆”、“人的失误”,所有可能发生的错误都发生了一遍。

1866年7月13日,“东方伟人”号再次出发,海底捞针似地找到了上次断裂的那条电缆,修复连接后,继续铺设。终于,两条电缆把欧洲和北美紧密地联系在一起。

十年多的时间,四次惨痛的失败,数十万英镑打了水漂,很多队友退缩,还有人追债,但是,菲尔德依然坚持信念,永不言弃。他缔造的第一条越洋电缆,将欧美大陆的脉搏连接到了一起。

 

二、 任督二脉大开的海底光缆

 

海底电报电缆使用了近百年之后,海底电话电缆的铺设才开始起步。原因在于,话音信号在电缆上衰减很快,如果要达到实用,海底电缆需要每隔20英里就加上一个信号放大器。直到1950年代,海底电话电缆才在技术上和经济上达到了可行。

1956年,第一条穿越大西洋的海底电话电缆TAT-1铺设成功并进入实用。这是两条单向传输的电缆,每条电缆有36路电话通道。

而如今,在海底连接几个大陆的是光缆。光缆的速度,与150年前的电报电缆相比,简直是一个在天一个在地。连接中国和美国的中美直达海底光缆 (Trans-Pacific Express,即TPE),是世界首条海底高速(跨太平洋)直达光纤电缆,全长1.7万公里,采用8对纤芯,64*10Gbps(Giga bit per second, 每秒10亿比特)光纤技术,光纤容量为5.12Tbps(Tera Bit per Second,每秒万亿比特),其中大陆地区的登陆站为上海和青岛。5.12Tbps是什么概念?假设《小多杂志》一期的文件大小是20MB(Mega Byte, 百万字节),40期的总量是800 MB。1字节=8比特,

800x8x 108/5.12x1012

=0.125 秒

只需要0.125 秒就可以把40期小多杂志从中国发送到美国。

如果时光回转,我们想通过第一条大西洋电报电缆传送这40期《小多杂志》,需要多少时间? 假设每一期杂志20万字,为了简化估算,我们假设每个中文字和3个英文字母相当(一个汉字编码的信息量要超过一个英文字母),每个英文字母需要2分钟传送,那么,

200000x40x3x2 =48000000 分钟= 91年

需要91年才能传输完毕啊!当然,实际上不需要91年,因为这91年里电报的速度也在提升。

从电报电缆到光缆,如果把这连接大陆脉搏的海底通道比做人身上的任督二脉,那么,它们在一个半世纪里,拓宽了几百亿倍!

600

第一条大西洋海底电话电缆TAT-1

海底光缆

我们来仔细看看这个容量惊人的海底光缆是什么模样的?

海底光缆的核心是一束像玻璃丝一样透明的东西,叫做光纤束。从激光二极管发出来的光信号,因为波导效应会在这个玻璃管道里传播,而不会发散出去。我们只要把《小多杂志》编码成一串“000111”的数字码,加载到光信号里,就可以利用光纤进行通信了。

光缆的基本结构通常为:聚乙烯层、聚酯树酯或沥青层、钢绞线层、铝制防水层、聚碳酸酯层、铜管或铝管、石蜡,烷烃层、光纤束等。这八、九层外壳的材料,是为了防止腐蚀、增大强度。

海底光缆铺设就是把光缆放在光缆敷设船上,然后,船慢慢开动的同时把光缆平铺沉入海底。

具体来说,光缆铺设主要包括“清路”“敷设“和“冲埋”三个阶段。先由无人挖掘机在海底挖路,它有点像耕田时使用的犁,底部有几排喷水孔,向海底喷射出高压水柱,将海底泥沙冲开,形成光缆沟。光缆沟形成之后,就是“敷设”了。最后,再用高压水泵冲起泥沙,埋好光缆。

海底光缆常常会出现故障,有时候是来自船舶、鲨鱼等不经意间的破坏,有时候是敌军的蓄意破坏,更多的时候是地震所引起的问题。

一般海底光缆故障处理会经过几个步骤。首先,使用仪器来定位大致的故障位置。之后,通过潜水机器人找到受损海底光缆的精确定位,切断故障位置,并将剩余两端拖回修理船进行修复。接下来,用备用海底光缆连接受损光缆的两个断点,经测试后再放回海底。

海底电缆的费用大概是每公里几万美金,使用期为25年。谷歌2016年敷设连接日本和美国的海底光缆Faster,长9000公里,带宽高达60Tbps,造价3亿美金。

 

光缆铺设船和挖掘犁

目前全球的海底光缆

三、结语

如果说发射卫星是“九天揽月”,那么,铺设海底电缆就是“五洋捉鳖”了。互联网中,各个大洲之间的数据传输,99%是通过海底电缆,只有1%是通过天上的卫星,这是因为海底电缆“五洋捉鳖”的性价比更高。当我们在互联网上冲浪的时候,那些感人的文字、亲切的语音和熟悉的图像,化成一个个比特,以接近光的速度,流过海底的光缆,穿越太平洋、大西洋、印度洋。虽然你听不到比特传输的声音,但是,它们在海底光缆里飞舞。正是因为有了海底光缆,我们才真正做到了“海外存知己,天涯若比邻”。《大鱼海棠》的几句歌词或许可以这样来唱:“海浪无声将夜幕深深淹没,漫过天空尽头的角落,《小多》在海底的光缆里游过,传给你共舞的脉搏”。

目前还没有任何评论
登录后才可评论.