鯨豚的水下聊天室，與鐵達尼號最後的求救──《茶杯裡的風暴》

在墨西哥西北方的海岸與太平洋之間，有一個長達一千多公里的加利福尼亞灣，向南連接太平洋。海灣內的海域受到兩側高聳山脈的保護，而這些山區大多仍維持原始的狀態。

許多海洋生物在遷徙的過程中，都會進入這個區域休息與覓食。這裡的海象較為安穩，漁夫也可以乘著小船悠閒地捕魚。白天的陽光讓藍色的海面波光瀲灩，漁船受到海浪的搖晃而吱吱作響，這是平靜大海上唯一的聲音。忽然，一隻海豚從一望無際的海面一躍而出，然後伴隨飛濺的水花回到海中，水面上的世界很快地恢復如常的平靜，但實際上，海面下卻一直是個喧鬧的生態系統。

每隻海豚都可以透過前額的組織發出尖銳的聲音。圖／Pixabay

鯨豚的水中廣播聊天室

海豚潛入水中時，會開始發出高頻的口哨聲（whistle）來識別身分，並利用脈衝式的聲音（clicks）與海豚群交談。每隻海豚都可以透過前額的組織發出尖銳的聲音，這些聲音會藉由海水傳遞到其他海豚的身上，而海豚的下顎骨則會收集聲音，然後傳到內部的中耳產生聽覺。

海豚不斷發出的口哨聲、脈衝式的聲音和啁啾聲（chirps），會形成一個吵雜的環境，但是這些聲音不只幫助海豚溝通，還可以用來感測周圍的環境。海豚群時常在海面附近玩耍與呼吸，但是往往在忽然之間，牠們就會整群開始下潛，進入海洋更深更藍之處，因為牠們要執行一項重要的任務：狩獵。

海面上充斥的陽光到了海下會迅速被吸收，因此光可以傳達的訊息非常有限；換句話說，視覺在海面下越深的地方就越沒有用處。雖然海豚擁有視覺，可以在淺層的海水中和跳出海面時使用，但對於光線的感知能力卻相當有限，無法區分顏色。這是因為在海中，顏色幾乎沒有變化，因此牠們的眼睛在演化上就不會出現對應的需求。雖然鯨魚身處在一個湛藍的世界中，不過牠們無法感受到藍色，海水對他們而言相當灰暗。可是鯨魚仍能看到魚身上反射的閃爍光點，這也證明動物之所以看到什麼，完全是依照牠們的需求演化而來。

海水的表面就像一面《愛麗絲夢遊仙境》的鏡子，雖然我們要穿過它不難，但是對於波來說，它卻隔開了兩個世界。海面上的聲波大部分不會進入海水裡，會從表面反彈回空氣中，至於海洋中的聲音也會留在海裡。空氣中的光波傳遞，往往有效而快速，但是光波到了海中就很容易被吸收；因此如果你在海中要獲得關於周圍環境的訊息，聲音是比光更好的選擇，除非是在海面附近，並且是觀察近距離的東西。

雖然海豚擁有視覺，可以在淺層的海水中和跳出海面時使用，但對於光線的感知能力卻相當有限，無法區分顏色。圖／Pixabay

海洋當中的聲音非常豐富。海豚能夠發出人耳聽不見的超音波，頻率是我們聽覺極限的 10 倍，而發出與接收這些短波長（高頻率）的聲波，意味著海豚可以利用回聲來獲得精確的定位，並感知到物體的細節。但是高頻率的聲音無法傳遞太遠，因此在一段距離之外，就不會聽到海豚群喋喋不休的聲音。不過若是頻率較低的聲音，就能傳遞得比較遠，例如一艘遠洋漁船引擎發出的轟轟聲，或是槍蝦（snapping shrimp）發出的衝擊聲，以及深海中一些低頻聲音，只是這些對於海豚來說都是聽不見的。

鬚鯨需要與遠距離的鯨魚溝通，衰減緩慢的低頻聲音是更好的選擇。圖／Roderick Eime@Flickr

低頻而遠播的鯨魚頻道

不過也有另外一群海洋動物會使用較低頻的頻道來溝通，牠們就是鯨魚，發出的聲音可以傳到數十公里外。此外，因為鯨魚不需要使用回音定位（echolocation），也就不會像海豚一樣發出高頻的聲音。於是，例如鬚鯨（baleen whales）需要與遠距離的鯨魚溝通，衰減緩慢的低頻聲音是更好的選擇。鯨魚聽不到海豚的高頻聲音，海豚聽不到低頻的鯨歌，但這些都發生在海洋當中，因此海洋生物透過選擇不同的頻段，發出或接收屬於自己族群的豐富訊息，可以生活在相近的區域，卻又不會彼此干擾。

即使海洋中有光波也有聲波，但是不同於海面上或陸地上的世界，聲音是在海中傳遞訊息最重要的方式，因此鯨魚與海豚都是色盲，畢竟在海裡的光線已經缺乏細節，深一點的地方甚至是漆黑一片。

然而海洋內的聲波與大氣中的光波，還是有相似之處。一如波長越長的聲波可以長途傳遞訊息，波長較長的光波也可以在大氣內傳遞相當遠的距離，不會快速衰減。就在一百多年前，人類開始利用波長非常長的無線電波通訊，因為我們生活在大氣中，光波傳遞的效率遠比聲波來得好。無線電波最早用於橫跨大洋的通訊，當年的鐵達尼號要是可以善用這套系統，接收並重視另外一艘船發出的警告訊息，也許就不會沉沒了。

圖／WikimediaCommons

曾經的海上巨人，成為最有名的船難悲劇

1912 年 4 月15 日的凌晨，就在鐵達尼號撞擊冰山後一個小時內，北大西洋的海面上有少數無線電波的圓形脈衝，間歇性地往外擴張，越往外就越弱，並逐漸消失。有些波紋抵達遠處的接收天線，訊息就成功地傳遞到遠方。其中最強烈的波紋，是位於加拿大紐芬蘭南方650 公里處，來自電報員傑克．菲利浦（Jack Phillips）的求救訊號。

傑克利用當時最強大的海上無線電發報機，不斷向周邊的船隻發送訊息，告訴他們世界上最大的船－－鐵達尼號正在下沉，並且請求救援。傑克藉由發報機送出的電子脈衝訊號，從甲板上的漏斗狀電線引導到上方的天線，而高高橫掛在空中的天線藉由振盪的電流放出強烈的無線電波，因此在廣大區域內的船隻，藉由船上的天線都能收到訊號，並且解讀訊號中的訊息。

電報之所以能夠發送出去，是因為無線電在天線上產生後，會朝四面八方擴散出去， 因此你不需要知道接收者所在的位置，所有在周邊的天線都能接收到無線電訊號。鐵達尼號發出的無線電波，可以傳達數百公里遠，在這範圍內的許多船隻，例如卡柏西亞號（Carpathia）、波羅的號（Baltic）、奧林匹克號（Olympic）等等，接收到求救訊號之後即刻前往救援。雖然電報所能夠傳達的訊息相當有限，以今日的角度看起來非常原始，但這是人類最早的海上通訊方式。如果鐵達尼號的悲劇提早二十年發生，那麼這場災難將會無聲無息地沒入冰冷的海水內，而在一週之後，人們才知道這艘船消失了。

沉沒的鐵達尼號。圖／Wikipedia

事實上，鐵達尼號航行的前十年，人類才第一次將無線電應用在橫跨海洋的通訊。只是那個發生在凌晨的恐怖船難，即使附近的船隻盡力救援，但現場黑暗而混亂，許多救援的船也只能無奈地看著悲劇發生。

這些像鋼琴斷音彈奏的電報，並不是隨機的訊號，而是先藉由固定模式編排，以此代表一連串的訊息。當電報員將安排過的訊息，藉由一些裝置讓天線產生無線電波後，它就會以光速往外傳播出去。人類從此進入大量無線電通訊的時代。

迴響天空的求救電波

鐵達尼號的嚴重船難之所以有名，有一部分是因為它發生在一個新時代的開端，顯示出無線電波的巨大通訊潛力，能夠發出求救訊號，讓卡柏西亞號在兩個小時後趕來救援，及時挽救許多人的性命，但同時也暴露出當時的無線電系統有著巨大的瑕疵。電報傳遞的訊息往往會互相干擾，鐵達尼號在出事之前曾經收到另外一艘船的冰山警告，當時鐵達尼號正在與另一方通訊，使得同時間還有其他訊號混雜在其中，造成聽報、發報混淆的狀況，因此有些訊息的片段就會遺失，或是根本沒聽到。

在當時，發送電報必須要透過其他方式通知對方打開收報機，而且船上發報的系統實際上只是一個開關，藉由開開關關的方式傳遞訊息，再者所有船上的無線電報系統都共用一個頻道。鐵達尼號並非只有透過無線電求救，同時也發射求救照明彈（distress flares），當時鄰近的加州人號（Californian）曾試圖以摩斯信號燈（Morse lamps）與其聯繫。

無線電通訊還有一個方式可以讓它傳遞更遠－－當無線電進入大氣層上方（電離層的位置）時，會像遇到鏡子一般地反射回來，因此鐵達尼號的求救訊號不只在海面上向外擴散、掠過，還會藉由反射而傳遞到更遠的地方（因為地球的表面是曲面，如果不經由大氣層的反射，那麼直線傳播的無線電波，將使得在水平線的另外一方無法接收到訊息），達成無線電跨越大洋的通訊。藉由電離層這片「鏡子」，無線電波得以從高空反射到地平線的另外一端，但是對於波長較短的可見光而言，電離層不再是一面鏡子，因此傳遞的距離相當有限。

夜空中充滿電報員傑克發送的無線電波，試圖向所有正打開收報機的船隻傳達求救訊號與鐵達尼號的位置，直到最後，海水淹入電報室、而他也隨之殉職為止。由於無線電的通訊，趕來救援的船隻得以讓載滿 2223 人的鐵達尼號在沉沒時，能有 706 人倖存，這些因為無線電而獲救的人，也見證了往後無線電通訊的發展，從沉默無聲到滿天喧囂，透過這些看不見的波，讓人類的通訊發生史無前例的變革。如今，無線電訊號覆蓋地球所有的角落，人類彼此的通訊達到歷史上從未有過的便利。

本文摘自泛科學2017年8月《茶杯裡的風暴：丟掉公式，從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕》，三采文化出版。