大陸を越えた無線通信で、彼は夢を現実にした

数々の挫折と苦難を乗り越えてついに成功したフィールド（前回の記事「ヨーロッパとアメリカをケーブルで結び、そこから人類のコミュニケーションの歴史は変わった」参照）は人々から称賛され、大きな期待を抱いた。もし電流が海底ケーブルを通らず、海を越えて直接情報を伝達できたらどんなに素晴らしいことだろう。この新しい素晴らしいアイデアは彼だけのものではありません。しかし、考えることと実行することは異なることであり、実行することと理解することはまた別のことです。この新しい構成に関する話はさらに興味深いものです。

著者：楊偉鋒（ラジオ管理専門家）、王鋒（河北科技師範大学准教授）

無線通信の時代が到来

ドイツの物理学者ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツは、1886年から1889年にかけての実験を通じて電磁波の存在を確認しました。彼は誘導コイルを使用して放電を振動させ、金属コイルを通して火花を発生させ、室内の別の同様の金属装置の隙間に誘導電気火花を発見しました。ヘルツの発見はイタリアの若者の生涯の夢に火をつけた。彼の名前はグリエルモ・マルコーニです。

1894年、マルコーニは自宅の屋根裏部屋で電波を使って電報を送受信する実験を始め、送受信距離を徐々に広げていった。 1896年2月、彼は母親とともにイギリスのロンドンに来た。翌年、彼は家族の協力を得て、英国初の無線機器製造を専門とする会社、マルコーニ無線電信信号会社を設立しました。

1900 年には、マルコーニの名前を冠した 2 つの会社が国際資本で運営されていました。1 つはマルコーニ無線電信信号会社、もう 1 つはマルコーニ国際海運会社です。当時、新興産業システムが確立され、マルコーニの 2 つの会社はハイテクに興味を持つ顧客を引き付け、ワイヤレスネットワークの運用を維持するための収入を生み出していました。最大の注文の一つは英国海軍からのもので、マルコーニは28隻の軍艦と4つの陸上通信局に無線機器を設置した。

マルコーニの事業は繁栄し、急速に発展しているように見えたが、同社はまだ大規模な利益を達成していなかった。この映画は好評を博したものの商業的には成功しなかった理由は、主に当時の通信業界の運営環境によるものであった。初期の無線通信実験は陸上で行われましたが、無線技術の商業化は海上で始まりました。陸上と船舶、船舶同士の即時通信の需要により、無線技術が新たに登場しました。これは陸上通信に無線が必要ないという意味ではなく、当時の有線電信事業が陸上通信の運営免許権を占有しており、無線が有線事業を引き継ぐことが認められなかったためである。

海上通信事業の規模は、マルコーニの局建設と日常業務にかかる高額な費用を支えるには不十分だった。困難に直面したマルコーニは、会社の発展と運営を維持するために、より大きな機会を探さなければならなかった。

大西洋を越えたもう一つの素晴らしいアイデア

会社の収益性と長期的な発展を確実にするために、マルコーニは画期的なイベントを計画しました。 1901 年以降、マルコーニは自身のエネルギーのほぼすべてと、会社が保有するほぼすべての資金 5 万ポンド (これは会社設立後の最初の 4 年間に獲得した特許使用料の総額の 4 倍に相当) を、大西洋横断無線通信の実験に注ぐことを決意しました。これは本当に大きな賭けだ！

彼は取締役会を説得し、ロンドン大学の有名な電気工学教授であるジョン・アンブローズ・フレミングを会社の科学顧問として年俸500ポンド（マルコーニと同じ）で雇うことにした。同社はイングランド南西部のコーンウォールにあるポルデュホテルの隣に通信局を建設し、そこで大西洋横断信号を伝送するための機器の設計とテストを行った。マルコーニはさらに、信号が大西洋を無事に横断すれば、会社から支払われる固定年俸に加えて、マルコーニ無線電信会社の株式500株をフレミングに譲渡するという約束もした。「大西洋横断が成功した場合、主な功績は常にマルコーニのものとなるだろうし、そうでなければならない」という但し書きが付け加えられた。

マルコーニは電波が大西洋を越えられると確信していたが、その技術的偉業をどうやって達成するかは知らなかった。フレミングはそれを実行する方法を見つけることができた。マルコーニは同社の最大の資産であり、その象徴です。マルコーニのような組織だけが、このような危険な事業を支援できるのです。歴史家たちは、このプロジェクトの成功にフレミングが技術的に決定的な役割を果たしたことに同意しているが、主な功績は常にマルコーニに帰せられるだろう。

挫折や困難は避けられない

フレミングは、25キロワットの交流発電機、2万ボルトの変圧器、高電圧コンデンサーで構成された送信機を設計しました。この送信機は、長さ約2.5センチ、手首の太さほどの火花を発生させることができ、非常に強力でした。発電機と送信機のパワーは当時世界最高だったはずで、この機器の送信指標は他の機器をはるかに上回っていました。

風で倒れる前と倒れた後のポルドゥ通信局のアンテナ。 (Marconi Corporation, PLC のアーカイブ)

1901 年 9 月 17 日、ポルドゥ通信局は激しい嵐に見舞われました。高さ61メートルの電波塔20本すべてがほぼ破壊され、送信システムのアンテナも大きな損傷を受けた。計画の実施に影響を与えないように、マルコーニはアンテナを支えるために高さ49メートルのマストを2本一時的に設置することを決定しました。

ポルドゥ通信局が被害を受けた後に建てられた仮設アンテナ。 (Marconi Corporation, PLC のアーカイブ)

大西洋の反対側にあるニューファンドランドでは、多くの調査と場所の選択、そして総合的な検討を行った後、マルコーニは当面ケープ・レイズに正式な局を建設しないことに決定した（この局が1904年に建設された主な理由は、大西洋電信ケーブルを敷設した電信会社が1854年から1904年までニューファンドランドにおける電信通信の独占特権を享受していたためである）。代わりに、彼は別の場所を選び、固定マストの代わりに凧や風船を使って一時的に受信装置を建設しました。商業的な活動ではなく実験であるからといって、現地の規制に違反することはありません。

11月22日、マルコーニはポルドゥ通信局に信号を送信するための運用指示を発行しました。同社のロンドン事務所から電報を受信した後、グリニッジ時間の午後3時から午後6時まで、毎日午後3時から午後6時まで、「···」を意味する単純なモールス信号「S」を送信し続けるというものでした。停止通知を受信するまで、日曜日を除く毎日同じ手順が実行されます。

1901 年 11 月 26 日、マルコーニ、彼の忠実な助手ジョージ・ケンプ、そしてもう一人の助手 PW パジェットは、2 トンの鉄製チューニング機器と硫酸の入った大きな樽数個とともに、アラン社のカルタゴ号に乗り込み、リバプール港からニューファンドランド島のセントジョンズ港まで航海しました。

懲役刑：これは常識ではない

マルコーニは北大西洋を横断する航海中不安を感じていた。当時、ほとんどの物理学者は大西洋を越えて無線信号を送信することは不可能だと信じていました。電波は光のように一直線に外側に放射され、地球の曲率に沿って伝わらないと考えられています。信号がどれだけ強くても、放射された電磁波は数千メートル先に落ちるのではなく、地球の接線となって宇宙に飛び出します。

技術者は常に科学的発見の実用化に焦点を当てていますが、科学者は自然そのものの謎に焦点を当てています。ヘルツ自身も、有名な電磁波検証実験を終えた後、それが実用的ではないと信じていました。 1889年末、ドイツの電気技術の専門家でエンジニアのフーバーは、ヘルツに宛てた手紙の中で、通信に電磁波（当時は「ヘルツ波」と呼ばれていた）を使用するというアイデアについて言及しました。しかし、ヘルツの返答は彼を大いに失望させた。ヘルツは、電磁波を長距離通信に利用するには、少なくともヨーロッパ大陸ほどの大きさの巨大な凹面反射鏡が必要であり、それを非常に高い位置に吊るす必要があると考えました。この返答は実際にはホーブルの考えを否定するものでした。ヘルツの答えは計算されたものでした。この大きな鏡は、当時人工的に発生させることができた電磁波の波長を考慮して設計されました。

マルコーニは科学者のように考えるというよりはむしろ起業家精神を持っており、そのため電磁波が地球の曲率に沿って伝播すると信じていました。彼は大西洋横断無線通信の無謀な実験を行うことを主張した。結局のところ、その背後には莫大な商業的価値があったのです!おそらくマルコーニの本当の師は、大西洋横断電信ケーブルの敷設で多くの挫折を経験したアメリカの起業家、フィールドだったのだろう。

電波は大西洋を越えた

科学技術の進歩に明確な方向性があれば、それは間違いなく人々の願いによって導かれるものである。人々の願いが実現されるには、多くの場合、より多くのリソースを統合できる人々に頼らなければなりません。

マルコーニ氏（中央）、ケンプ氏（左）、パジェット氏はニューファンドランド島セントジョンズのシグナルヒルで一緒に写真を撮った。 3人の後ろにある大きな六角形の凧は、イギリスから持ち込まれたベーデン・パウエル・レビター凧です。アンテナは150メートル以上も空中に打ち上げられ、大西洋横断無線信号の受信に大きく貢献しました。写真提供：James Vey（出典：カナダ図書館・文書館）

1901 年 12 月 12 日の午後、マルコーニとその助手は凧で揚げた長さ 155 メートルのアンテナを通じてアイルランドからの無線信号を受信しました。強風の中、「ピー、ピー、ピー…」という断続的なモールス信号を聞いたとき、彼らは興奮して喜びましたが、それが本当だと信じるのは容易ではありませんでした。ポルドゥから送信された電波は、地球の曲率に沿って着実に 3218.7 キロメートル移動し、大西洋を横断して、ニューファンドランドのセントジョンズにあるシグナルヒルに到着したのです。この信号は、これまでの通信記録のほぼ10倍の距離を移動し、距離に関係なく無線通信は無制限であるというマルコーニの信念を裏付けました。

彼らが受け取った検証信号は、3 つの短い「·」が連続したもので、実に単純すぎました。刺すような北西の風が機器の騒音と混ざり合っていた。長期間にわたる集中的な監視の後、彼ら自身も、信号の音を本当に聞いたのか、それとも自分たちの幻覚に過ぎなかったのか疑問に思い始めました。そのため、翌日、より明瞭な信号が聞こえたらニュースを発表する予定だったが、翌日は天候が悪化し、信号は受信されなかった。今日では、太陽放射の影響により、大西洋横断無線信号の受信は昼間よりも夜間の方が良好であることが分かっています。マルコーニが実験を行うのに午後を選んだのは不利だった。

マルコーニは、この衝撃的なニュースが会社の株価に必然的に影響を及ぼすため、軽率に外部にそのニュースを公表しなかった。 1898年には、マルコーニの大西洋横断無線通信実験の成功のニュースにより、トランスアトランティック・ケーブル・アンド・テレグラフ・カンパニーの株価が急落した。しかし、マルコーニはニュースが発表される前に大西洋横断ケーブルを通じてロンドンの本社に状況を報告することができ、ニュースが発表される前に会社にさらなる株式チップを注入する機会を与えた。これは当時英国では合法的な行為だった。

1901 年 12 月 17 日、大西洋横断無線通信実験が成功した後、メディアは、その場面の「再現」を主催しました (左から 1 番目がマルコーニ、他の 2 人は現地の作業員です)。この演出された写真は広く流布された。写真提供：James Vey（出典：カナダ図書館・文書館）

マルコーニはロンドン本社との連絡後、12月14日に報道機関とイタリア政府にこのニュースを発表した。セントジョンズ全体が大興奮に包まれ、報道機関も大騒ぎとなり、世界中の新聞が「マルコーニは現代の情報科学における最も驚くべき発展を発表した」というニューヨークタイムズの声明に同調した。 12月15日（日曜日）、ニューヨークタイムズ紙はマルコーニの大西洋横断信号のニュースを一面で掲載し、マルコーニの伝記を掲載した。レポートをより完全なものにするために、ニューヨーク・タイムズはマーティン氏（トーマス・コマーフォード・マーティン氏）に結論の作成を依頼しました。マーティンは当時、電気業界とメディアの権威である『Electrical World』誌の編集者であり、マルコーニの業績をより広い文脈で語ることができました。

1884 年、マーティンはアメリカ電気技術者協会 (AIEE、現在世界的に有名な電気電子技術者協会 (IEEE) の前身の 1 つ) の共同設立者となり、1887 年から 1888 年まで会長を務めました。マーティンはマルコーニを若き新進の天才科学者として熱烈に称賛し、マルコーニが大西洋を横断することに成功したことに驚きと喜びを表明しました。

権威ある人物らが支援に名乗り出た

実際、学界と産業界はマルコーニの実験に懐疑的だった。彼らは信号を受信しているときに他の専門家を同席させなかったし、現場を観察するためにメディア関係者を招待することもなかった。彼と彼のアシスタントのケンプ以外に、現場で証言できる社外の第三者はいなかった。

当時、一部の専門家はマルコーニを支持した。例えば、コロンビア大学の有名な電気学教授であり、権威ある物理学者であるマイケル・ピューピンは、マルコーニの偉業を公に称賛しました。

しかし、マルコーニが最も感謝すべき人物はマーティンだ。マーティンはマルコーニを信頼できる人物だと判断したからだ。この目的のため、マーティンは1902年1月13日に開催されたアメリカ電気技術者協会（AIEE）の年次晩餐会で、この若いイタリア人を主賓にしました。AIEEの会長を務め、多くのイベントを主催していたマーティンは、協会のリーダーたちを容易に説得して、マルコーニにこの栄誉を与えました。しかし、誰もがマルコーニの主張を信じているわけではなかったため、マーティンはエンジニアリングコミュニティを夕食会に出席させることが困難であることに気付き、イベントの支援をエリヒュートムソン (米国のトムソンヒューストン社の創設者。1892 年にエジソンの会社と合併してゼネラルエレクトリックを設立) に頼らざるを得ませんでした。トムソンがマルコーニを支持したという噂が広まると、マーティンはウォルドルフ・アストリアにある300席のアスター・ギャラリーを満席にすることができた。

それにもかかわらず、マルコーニは自分自身のためにもっと十分な証拠を見つけたいと考えていました。 1902年2月、彼は無線電信システムを備えた客船「フィラデルフィア」に乗ってイギリスからアメリカへ渡った。大洋横断航海中、マルコーニは定期的にポルドゥからのモールス信号を聞き、船長と一等航海士にも聞くように勧めた。彼はまた、メッセージが聞こえた時間と場所を海図に記録しました。フィラデルフィア号の乗船者の目撃情報が記載されたこの図は、電波が大西洋を越えて送信可能であることのさらなる証拠となった。その後の繰り返しの実験と長距離通信の成功により、マルコーニが嘘をついていないことが確認された。

注: マルコーニは当時、最初の大西洋横断電波の正確な周波数をメディアに公開しませんでした。彼がポルドゥ送信システムの技術的指標を故意に避けたわけではなく、主に当時の無線周波数を正確に測定することが困難だったためです。 1903年、フレミングは演説の中で、当時の波長は1,000フィート以上であると推定したと述べた。 1904 年、フレミングは放射の周波数 (または波長) を測定する装置を発明しました。 1908 年、マルコーニは王立協会での演説で、当時の波長は 1200 フィート、つまり周波数 820 kHz になるはずだと述べました。

大西洋横断無線通信の成功はマルコーニに大きな利益と発展の機会をもたらしたが、この実験の重要性は単なる商業的価値をはるかに超えるものであった。人類の自然理解の観点から見ると、その科学的インスピレーションの価値はさらに貴重です。これにより、マルコーニとドイツの物理学者カール・フェルディナント・ブラウンは無線電信の発明と改良により1909年のノーベル物理学賞を共同受賞しただけでなく、科学の視野も広がりました。大西洋横断無線通信をめぐる科学的な疑問と通信品質の向上は、ドミノ倒しのように一連の大きな科学的発見につながる考察と確認を引き起こしました。

利益1：人類は電離層の存在を知っている

人々がそれについて考えようともせず、実行しようともせず、さらにはこれが真実だと信じようともしなかったのは、当時の人々が、地球の外側の空に電離層の層があり、電離層が電磁波を反射して巨大な球状の反射板として機能し、電磁波が地面と電離層の間で何度も反射し、それによって電磁波が地球の曲率に沿って進むことを知らなかったからです。

1902年、オリバー・ヘヴィサイドとアメリカのエンジニア、アーサー・ケネリーは同時に、電波が電離層の荷電ガス粒子の層で跳ね返るため世界中に伝播することを理論的に実証した。この電離層は後にコノルリ・ヘヴィサイド層と呼ばれるようになりました。ヘヴィサイドは独学で数学を学んだイギリスの天才物理学者でした。彼は正式な高等教育を受けなかったが、数学と工学の分野で多くの独創的な業績を残した。彼はベクトル解析を創始し、マクスウェル方程式を今日使用されている形に簡略化し、電磁気学の発展に多大な貢献をしました。

1924年、イギリスの科学者エドワード・ビクター・アップルトンは、マイルズ・バーネットの協力を得て、連続波を使用して電離層の高さを検出する実験を行いました。彼らはさまざまな周波数の電磁波を使用して電離層からのエコーを受信し、初めて電離層の存在を直接確認しました。彼らの実験により、地球の曲面を超えて電波を反射する上層大気の導電層の存在が確認され、また、反射が第2のより高次の導電層から来る場合もあることが示されました。彼らの最初の研究結果は 1925 年にネイチャー誌に掲載されました。アップルトンは、電離層の存在を裏付ける上層大気の物理的特性に関する研究により、1947 年にノーベル物理学賞を受賞しました。これにより、地球の大気に関する徹底的な研究と新たな探査が行われました。

利益2：電波天文学の時代の幕開け

1927 年、カール・グーテ・ヤンスキーという名の大学卒業生が、設立されてまだ 2 年しか経っていないベル研究所に無線技術者として入社しました。当時、大西洋を越えた無線通信システムには依然としてバックグラウンドノイズが存在していました。彼はこのバックグラウンドノイズの発生源を調査し、信号伝送に影響を与える可能性のある無線干渉を排除するよう命じられました。

ジャンスキー氏は、周波数20.5MHz（波長14.6メートル）の電波を受信するために大型の回転アンテナを設置した。数か月に渡る録音と分析を経て、彼は背景雑音を近くの雷雨、遠くの雷雨、そして原因不明の微かなヒス音の3種類に分類した。彼はこの3番目のタイプのバックグラウンドノイズを1年以上かけて調査し、その強度が日々増減していることを発見した。

ジャンスキー氏は当初、この騒音は太陽放射によって引き起こされたのではないかと推測していた。しかし、数か月後、最も強いノイズ源は太陽から離れ始めました。彼は、信号の繰り返し周期が 23 時間 56 分であると判定しました。これは、太陽日 (24 時間) ではなく、地球が宇宙に対して自転するのにかかる時間 (恒星日) とまったく同じです。ジャンスキー氏は、この電波は天の川銀河の中心から来ており、射手座の方向の電波源が最も強いと考えていた。

彼の発見は広く知られ、1933 年 5 月 5 日のニューヨークタイムズ紙に掲載されました。彼はその年に、古典的な論文「地球外宇宙からの電子干渉の明らかな発生源」を出版した。彼の発見は電波天文学の誕生を意味し、可視光を通してのみ宇宙を観測するという歴史に終止符を打ち、人類の宇宙に対する理解を広げ、天体観測の新しい時代を切り開きました。 20 世紀半ばの 4 つの重要な天文学上の発見、すなわち星間分子、クエーサー、マイクロ波背景放射、パルサーは、すべて電波天文学の手段と方法によって達成されました。

大西洋横断通信に関する 2 つの物語は終わりを迎えましたが、人類の利益のための通信の科学と工学は発展し続けています。これら 2 つの独立した、しかし相互に関連した物語は、一連の大きな科学的出来事と成果につながりました。これらの伝説は心を痛めるものであり、偉大な科学者と起業家精神は記憶に残る価値があります。

主な参考文献

[1]W.バーナード・カールソン.テスラ:電気時代の発明者[M].ニュージャージー:プリンストン大学出版局、2013:331-352

[2] マーク・ラボイ。マルコーニ：世界をネットワーク化した男[M]ニューヨーク：オックスフォード大学出版局、2016年：34-192

[3] 洪成勲.ワイヤレス：マルコーニのブラックボックスからオーディオンまで[M].ケンブリッジ、マサチューセッツ州：MITプレス、2010：20-32

[4] ブルース・J・ハント「オリバー・ヘヴィサイド一流の奇物[J] 物理学」今日65(11), 48 (2012); doi: 10.1063/PT.3.1788 オンライン閲覧: http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.1788

目次を表示:

http://www.physicstoday.org/resource/1/PHTOAD/v65/i11

[5] 銭長厳。ヘルツの電磁波発見の実験方法と過程[J]。物理実験、2005(7):vol.25

[6] 一つの家族：発見の世代参照：

https://www.otago.ac.nz/otagobulletin/news/otago740666.html

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部