夏普誕辰｜科學史上的今天：12/25

1839年，惠斯登（Charles Wheatstone）和庫克（William F. Cooke）在英國建造了世界上第一條商用電報線路；約莫同時，美國的摩斯（Samuel Morse）也和維爾（Alfred Vail）發表其電報系統。自此以後，歐洲與美國各地紛紛沿著現成的鐵路，在城市與城市間架起線路。陸上的電報網迅速成形，但海洋卻是一大阻礙。

約過了十年，「盎格魯－法國電報公司」（Anglo-French Telegraph Company）總算在1850年8月拉了一條電線橫越英吉利海峽。不過這不算是第一條海底電纜，因為他們想得太天真了，竟然只用一般的漆包線，完全沒有外殼保護，因此沒幾天就損壞了。1851年11月13日，世界第一條海底電纜才終於鋪設完成，穿越英吉利海峽將英國與法國連接起來。兩年後更多海纜從英國拉往愛爾蘭、比利時與荷蘭。

橫越大西洋的洲際海底電纜則困難許多。1858年的第一條海纜也是不到一個月就毀損，直到1866年才克服技術問題，成功鋪設連接倫敦與紐約的電纜。至於台灣的第一條海底電纜，是劉銘傳以「孤懸海外，往來文報，屢阻風濤」為由，奏請清廷鋪設獲准，而於1887年鋪設了淡水至福州的海底電纜，這也成了中國第一條海底電纜。

電報內容力求簡短，因此不過是兩條銅線的電纜已足以應付，但要拿來講電話卻不適合，因為一人佔線，其他人就不能用了。第一條電話專用的洲際海底電纜直到1956年才完工，連接蘇格蘭與加拿大，可同時容納36通電話。自1980年代實用的光纖發明以後，海底光纜逐漸取代海底電纜，提供更大的國際頻寬，也才有如今網際網路的普及。

海底電纜從最初的發送電報之用，只能傳送文字；到讓地球兩端的人可以講國際電話；再進化到現在，各種型態的資訊內容經由海底光纜串起世界各個角落，每個階段都發揮了大幅縮短世界距離的功能。如今海底光纜已經是全球網路不可或缺的重要骨幹，默默的隱藏在大海底下，繼續盡責的撐起這個網路時代。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

十九世紀初，倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒，他握著剛領到的工資，興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打（Alessandro Volta）所作電學實驗的書給吸引住，但他身上的錢不夠，而且這是本法文書，他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金，並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後，他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池，但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃，根本不用買，就拿手上的便士銅板取代就行啦！這就是惠斯登（Charles Wheatstone, 1802－1875），從小就努力追求新知，並展露發明的天份。

1834 年的今天，就在他受聘至倫敦國王學院講授實驗物理沒多久後，惠斯登發表論文，這是史上首度有人想出測量電流速度的方法，距離萊頓瓶發明已八十八年，伏打堆問世也已三十四年。這麼久的時間，沒有人知道電流的速度，因為它實在太快了！

惠斯登將八百公尺長的電線從中切開，一端接上萊頓瓶（奇怪為什麼不是用伏打堆？莫非惠斯登仍拮据到買不起銅片？），再用快速旋轉的鏡子觀測跳過電線缺口的火花相較於電線兩端的火花有多少延遲，而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度快了 50%，但在方法學上卻是正確無誤的。他所發明的旋轉鏡後來也成為物理學家測量光速所用的關鍵工具。

惠斯登繼續在電磁學上做出貢獻。1837 年，他和庫克（William F. Cooke）共同發明電報，不但成為最早的發明者之一，並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。1843 年，他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」（Wheatstone bridge）至今仍被廣泛用來測量電阻。他還是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵，而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登的發明與發現橫跨不同領域。除了在自己的老本行上發明六角形手風琴、研究聲波，他還是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45度角的反射鏡，而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花，透過稜鏡會呈現各自特有的光譜，為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法（Playfair cipher），廣被軍隊採用，直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

憑藉著熱情與努力，惠斯登從一個樂器行的學徒成為英國皇家學會的一員，如願成為科學家與發明家，可說是事在人為的最佳例證。

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最早的「遠距傳送訊息」如烽煙、旗語等，有天候與視線的限制，能傳達的訊息又相當有限，除了軍事上也別無它用。到了十八世紀中期，可以貯存靜電的萊頓瓶發明以後，不少人開始試圖用電線來傳遞訊息到遠方。方法五花八門：振動掛在玻璃瓶裡的金箔或蓪草球、電解水產生氣泡、電火花產生硝酸讓石蕊試紙變色、……等等，不過這些都只能在實驗室玩玩，仍不具實用價值。

直到 1820 年，丹麥物理學家奧斯特（Hans Ørsted）發現電流會使磁針轉動，並經安培提出安培定律後，才終於出現可以使電報成真的技術，而吸引各國發明家競相投入發明。這是完全公開的原理，所需的材料也都拿得到，關鍵就在於如何克服電流長距離衰減的問題，並找出訊息最有效率的轉換方式。誰都沒想到，最後勝出的竟是一位美國畫家──摩斯。

1832 年，從歐洲返回美國的船上，摩斯從同船的一位物理學家處得知了安培的實驗，而觸發他發明電報的靈感。七年前他受委託到華盛頓特區作畫時，收到家中來信告知妻子病危，等他趕回家鄉，妻子已經下葬。或許因為想起這個椎心之痛，他竟決定中止畫家的工作，全心研究可以立即收發訊息的電報系統。

摩斯對於電學知識與相關的器材一無所知，因此毫無罣礙的他反而能看到最抽象、也是最基本的關鍵所在：符號系統。在他眼中，電路很單純的就只分為 on 與 off，將 on 分成長短兩種，再用 off 代表間隔就能建構一套符號系統，而這僅需要一條電線就夠了。這就成為摩斯與其他競爭者最大的差別。

摩斯原先只打算定義出代表 0 到 9 的符號，再建立數字與字詞的對照表；而他原先設計的電報接收機也太複雜，還用到紙帶、滾筒、擺錘和筆。後來他找到熟悉機械製造的維爾（Alfred Vail）將發報機與接收器簡化，並由維爾將符號系統擴充到英文字母，成為後來通行全球的摩斯電碼的前身。而電流衰減的問題，也在蓋爾教授建議他採用科學家亨利（Joseph Henry）剛發明的繼電器後獲得解決，摩斯與維爾終於完成他們的電報系統，並在 1838 年公開展示。

雖然惠斯登和庫克比他們早一步發明電報，但終究是更簡易、效率更高的摩斯電報系統通行全世界。事實上重點不在於硬體；即使技術演進，無線電取代了電線，摩斯電碼仍然不死，繼續以各種形式（聲、光、電）在各種裝置間傳遞訊息，直到 21 世紀網路普及後才逐漸不再被採用。雖然摩斯電碼算是功成身退，但它肯定不會被遺忘，甚至仍會在意想不到的情境下發揮功用吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。