工业革命—正传：38.导线会说话
上文书讲到了1876年美国费城世界博览会。一时间冠盖云集，几座大型展览馆都是人头攒动。因为那个时代你要想见到最新的技术发明，只有世界博览会这一个途径。那时候的传媒远不像现在这么丰富多彩。报纸是黑白印刷，照片也不是那么清晰，所以当时留下来的报纸上刊登的图片都是用雕版印刷，色彩的浓淡全靠线条的疏密。设计者的功底子要求非常高。现在也只有在钞票上能见到这样的做法。静态的图片看上去质量不是很好，动态的你就别想了。要想看机器怎么转动，只能到跟前亲眼去看。所以当时的各种博览会都是非常引人注目的。
自由女神像的一只手臂
费城世博会上，有一只青铜大手非常引人注目，这只大手高举着火炬，矗立在广场上，一根食指就有2.4米长。别忘了，1876年是美国独立100周年大庆。法国人当年和美国人并肩战斗，打跑了英国人，美国才获得了独立。100年过去了，法国人总要表示一下吧。他们打算送给美国人一件生日礼物，一座高达46米的巨大青铜雕像，由雕塑家巴托尔迪负责设计。因为这座自由女神像非常大，内部完全是锻铁结构骨架，外边包了一层铜皮。工程设计方面，埃菲尔还出了不少力。埃菲尔就是埃菲尔铁塔的总工程师嘛。1876年，雕像只完成了一只手，其他的部分还早着呢，法国人千里迢迢送到费城，放在世博会上展览。自由女神像全身建成要等到10年以后的1886年了。现在这座雕像成了纽约甚至是美国的标志。
1876年费城世博会的明星当然就是电话。现在公认亚历山大·贝尔是电话的发明人。但是同时代还有很多人都在做着同样的事儿。在工业技术领域，很多人的思路想法相似是很正常的事情。贝尔一开始并没有多少头绪，因为谁都不知道如何让导线说话。那时候的电报机只能发送通和断两种信号，要么有电要么没电。这样的信号是无法表达丰富的音频振动的。
语音描写器（phonautograph）
当时贝尔使用一种语音描记器，能够把人说话的声音刻画成波形。是法国人斯科特发明的，1858年申请专利。原理也很简单。一个小木桶，底部装一个振膜，振膜通过杠杆装置带动一根针。人对着木桶说话，振膜会前后振动，经过杠杆装置变成了指针的左右振动，而且幅度放大了很多。在后边放一个玻璃圆筒，中间有一根轴，轴上有细螺纹。摇动手柄，玻璃圆筒会一边转一边向左边移动。表面上用油烟把玻璃桶熏黑。靠在指针上。这样一边转动玻璃圆筒，一边对着木桶说话。振动就被刻画到了被烟熏黑的玻璃桶表面。划出一条白色的振动波形。你要是高兴呢，找张白纸。把这个烟熏的筒子往纸上一滚。声波的波形就全都印在纸上了。
1859年留下的一小段波形图
这种仪器理论上是可以记录人的声音信息的，但是没有办法回放，只能当做示波器使用。有一些烟熏桶波形保留到了现在。有加拿大的科学家对这些波形非常感兴趣，他们用计算机把波形还原成了声音。声音模模糊糊的，噪音也很大。当时记录这段声音的人恐怕想不到158年过去了，这段声音居然能被回放出来。贝尔当时就是用这样的办法来分析人的嗓音的。他认为这样的波形可以引起某些音叉的共鸣，这样就把人的声音分解成了无数单独的频率，然后用电来驱动音叉振动，还原声音。对于这些，贝尔只是动了动念头，有个模模糊糊的想法，但是没有付诸行动。因为他没钱，而且还有繁重的工作。毕竟他的主要职业是教授聋人说话，而不是搞发明创造。贝尔不得不动用所有的业余时间来学习电学知识，来做各种实验。
后来，贝尔下决心要走发明家的道路，放弃了波士顿大学教授的职位。他只保留了两个学生，一个是6岁的乔治·桑德斯和15岁的梅布尔，她就是哈伯德先生的女儿。贝尔1847年出生，梅布尔1857年出生，比贝尔小10岁。她很聪明，从小学会了读唇术，但是发音困难。他父亲送她到贝尔这里，就是为了训练她说话发音。1877年，梅布尔和贝尔结了婚，成了贝尔的贤内助，所以贝尔也是典型的师生恋。哈伯德当然也就成了贝尔的岳父。不过他们早就是好朋友，而且是合作者。要不然，贝尔放弃了原本的职业，一心想在电讯方面做出成绩，经济来源靠什么呢？都是这位未来的岳父在资助他。
贝尔夫妇
贝尔另一个学生乔治的父亲汤姆斯也是个富商。他给贝尔提供了教学场地以及试验场地。贝尔就在他家的地下室里做实验，搞研究。他们很熟，经常在一起聊天。当时西部联合公司是非常强大的垄断公司。他们掌握着一根电线线上发送4路电报的技术，仅仅这一项技术，每年就能为公司节省50万美元的基础设施建设开支。在当时，自动电报机已经开始流行，用事先穿孔的纸带来控制发送电报，要比人按键快得多。
贝尔觉得，用共振原理，理论上一根电线发送多少路电报都没问题。前提是电报线不止能发送按键信号，还要能传送音调。用电磁铁驱动音叉共振吗？恐怕音叉驱动太困难了，只能用簧片。簧片更容易驱动，这样电报机就变得像口琴了。你别说，“口琴”和“谐波”这两个词在英语只差末尾的一个“a”。用电磁铁来驱动簧片是个不错的办法。别看一大堆电磁铁都接在一个电报线路上，但是某个频率的电信号到来的时候，只有对应频率的簧片会产生比较强的震动。这样就能区分谁是谁了。
桑德斯和哈伯德一拍即合，决定资助贝尔搞研究。万一成了就可以打破西部联合公司的垄断地位。这家西部联合电报公司其实主营业务是汇款服务，1871年他们就在干这一行了，一直干到现在。现在这个公司还在呢，已经有167年历史了，现在一般简称叫“西联汇款”。1982年，他们成了世界上唯一拥有5颗人造卫星的公司，可见人家是很厉害的。2006年他们的电报业务才停止，毕竟已经是互联网时代了，电报作为基础电信服务，已经寿终正寝。19世纪的70年代，他们还是一家非常强势的公司，到处在投资新技术。
格雷的电报专利
研究谐波电报技术的不止贝尔一个人，还有一个家伙叫格雷，他也拥有70多项专利。他和合伙人巴顿一起创建了格雷巴顿公司，就是这二位的名字命名的。后来在西部联合公司占了他们三分之一的股份，可见当时西部联合公司是无处不在的，背后的金主就是范德比尔特家族和J·P·摩根。
1874年5月6号，格雷展示了在一根线上传递16路电报的技术，但是他认为传递6路还马马虎虎，路数多了，信号会不稳定。到年底，12月29号格雷在一座教堂展示了如何用电线来传递音乐。
1874年12月29日，格雷在长老会教堂音乐会上做演示
他按下不同的按钮，对面就响起不同的音调。所以，伊利沙·格雷也被认为是现代合成器之父。后来到了1877年，他甚至在纽约斯坦威钢琴公司公开展示了远程弹奏钢琴。钢琴家弗雷德里克在费城按动对应的开关，纽约这边斯坦威大厅里这边安装在钢琴上的电磁铁就开始有动作。钢琴也就跟着出声。可想而知，在场的听众是什么样的表情。这些只是多路电报的扩展应用罢了。多路电报才是当时最热门的前沿技术。
当时大部分人都把注意力集中在多路电报上。贝尔也在往这个方面努力，要是挣不到钱，怎么娶梅布尔啊。他招聘了一个助手叫做沃森来做一些辅助工作。贝尔始终放不下一个念头，就是要让导线传递语音。1875年的6月份，贝尔正在测试他的电磁装置，恰好有个簧片卡住了。沃森为了拔出簧片，用了很大的力气。结果贝尔这边的簧片跟着也振动了。
贝尔的谐波电报收发装置模型
那时候的谐波电报机原理和今天的汽车喇叭的原理差不多。当电源接通，电磁铁吸动簧片，簧片下弯，和触点脱离，于是电流就断了。电磁铁失去磁性，簧片弹回，接通电路，开始下一个循环，簧片就振动起来了。到现在，有的汽车喇叭还是依靠这个原理，通电就响。整个电路实际上电流并不连续接通的，而是以一个频率不断的通断交替，接在这个电路里的所有电磁铁都会跟着动起来。只有簧片产生共鸣，才会有反应。
因此贝尔这边的簧片振动并不意外的事情，但是振动的声音却不是共鸣产生的悦耳的单一音调，很像人的声音。很可能是沃森那边簧片和触点接触太紧了，一直是接触在一起的，但是因为接触有松紧，导致电阻忽大忽小。这边的簧片振动也就不是单纯的共振，而是“嗯”的一声。难道连续电流才是关键吗？
贝尔的草图之一
贝尔后续做了很多实验，但是效果都不是太理想。我看他的笔记上有过很多草图。他试图把音叉浸泡到液体里，当音叉振动的时候，会断断续续的接触水面，产生电路通断的效果。这样发射端不需要用电磁铁蜂鸣器。贝尔把自己的研究成果做了个汇总，打算去申报专利。
格雷也在研究电话，虽然他并没有贝尔那么积极。他的办法大同小异，用一个装液体的金属杯子，下面接上电线。上边放个振膜，接上一根针。小心调节针和水面的接触，最好是刚刚好碰到。振膜一震动，接触电阻就会有比较明显的变化。贝尔前后也有好多年一直在试验用液体来作为发送端，这种思维的撞车其实很常见。但是话筒用到液体总是非常的不方便。贝尔后来没有用这个办法。他还是利用电磁感应原理，当钢质簧片被磁化，簧片振动的时候，电磁线圈会感应出电流。这点电流虽然非常微弱，但是已经能够传递音频信号了。只是音量过低，音频失真很大，听清楚比较困难。
贝尔的申请材料中的一页
虽然技术不完善，但是申请专利是一刻也不能等了。1876年2月14日，贝尔的律师向美国专利局申请了专利，主要是有关谐波电报的内容，其中也有电话的部分。几个小时后，格雷也向专利局提了申请，但是并不是专利申请，而是冻结申请，格雷的意思是向专利局申请要求在一年内停止审批关于电话机的专利，他希望争取时间把已经研制成功的电话机再作进一步的改进，他提出在三个月内，他一定会申请这项专利。这在当时是允许的，只要你交钱。
格雷提交的材料
于是，2月19号，贝尔有关电话的专利被冻结3个月。2月24号，贝尔赶紧往华盛顿跑啊，这是怎么说的，怎么还要冻结3个月啊。3月7号，他回了波士顿。这一天，他的专利发布了。3月8号，贝尔画的实验记录图和格雷递交的申请材料很相似。这几天，他在加紧做测试。这回他用的方案也是液体话筒方案。沃森不得不楼上楼下跑个不停。贝尔喊一嗓子，沃森听到了，马上就要跑下来告诉贝尔音质怎么样，音量大小。据说3月10号这一天。贝尔不小心把硫酸弄撒了。他大叫：“沃森快来啊”。沃森从电话里听到了这句话，马上跑下来向贝尔祝贺，他终于成功了。
这个语音发送装置和贝尔和沃森用的实验装置类似，但不是他们用过的那一只
关键元件是中间这个液体槽。
顺便插一句，沃森后来干的事业上也不错，创建了福尔河造船厂，后来卖给了伯利恒钢铁公司。又转到伯利恒造船公司名下。给美国政府造了大量的军舰，就连莱克星顿号和萨拉托加号航母也是出自这个船厂。1963年出售给了通用动力公司。1915年，第一条贯通大陆的电话线开通。远在纽约的贝尔在AT&T公司的总部和远在旧金山的沃森通了电话。贝尔重复了当年的那句话：“沃森，快过来，我需要你”。沃森的回答是：“给我5天时间”。
贝尔和沃森发明电话的故事很多人都听过，但是大家可能没想到，这事儿发生在在电话专利申请之后。而且他用的是和格雷一样的技术。多年以后的1885年，有专利局的人签名授权发表一份文件，说当时他违反规定向贝尔透露了格雷申请书的内容。当然，后来他又说自己是个酒鬼，喝醉的情况下，让人欺骗签下了这份文书，这事儿不算数。后来这事儿闹得挺大。报纸上的舆论也比较混乱。
格雷的申请材料和贝尔的草图对比
我们今天看来，有些技术方面的解决方案很相似是正常现象，格雷和贝尔本来就没什么交集，大家也不认识。贝尔1873年就开始研究液体的作用。1874年，邻居看到过他用水银做实验。至于3月8号那张与格雷档案很相似的，很可能是巧合，因为贝尔自己在3年前已经画过类似的东西。
这都是事后的争吵了，格雷申请冻结电话专利的时候。其实他并没那么在意，因为没人认为电话有多少竞争力。格雷后来设计了一种远程签名的机器，你在这边操纵一支笔写字，远方的电磁装置就能一模一样的把笔迹写下来。这样签合同就不用寄过来了。格雷也是非常优秀的发明家。但是在远见这一点上比贝尔要差得多。
再提一句，有关贝尔的发明权一直受到挑战，官司打了无数，甚至5次闹到最高法院。2002年美国议会通过269号议案，承认意大利的安东尼奥·穆齐是电话的真正发明者，他在1856年就已经做出了可以用的电话。但是他没钱缴纳专利费，专利费要200美元。他只能一年交10美元，获得临时专利。实际上，纠缠谁是第一个没多大意义，这个世界不缺聪明人，但是缺幸运儿。后来加拿大议会通过决议为贝尔翻案，贝尔长年生活在加拿大，可以算是加拿大人……
贝尔后来没碰过液体发送装置。他的主要精力都放在了电磁发送装置上。1876年，贝尔刚好赶上了费城世博会，因此名声大噪。贝尔1877年创建贝尔电话公司，专营电话业务。西部联合公司不插手这一块业务。这一年晚些时候，他和梅布尔完婚，去老家英国度蜜月，还见到了维多利亚女王陛下，并且认识了开尔文勋爵。电话这个东西也就开始逐渐传开了。
电话这东西传输速度比电报快得多，而且不需要训练，一个像爱迪生和卡内基那样的优秀发报员可遇而不可求。但是当时通讯还是以电报为主，电报也在不断的改进。有了使用穿孔纸带的电报机，电报员的技术含量大大降低。后来，穿孔纸带和打字机结合起来，直接敲打键盘上的字母，就可以完成穿孔工作。再后来，打字机和谐波电报机结合起来，就是电传打字机。能传递钢琴的弹奏，当然也就能传递打字嘛。
但是在电话刚刚发明的时代，打电话绝不是一个优雅的行为。因为你必须声嘶力竭的高声喊叫，否则对面听不见。一句话不喊个3~4遍，对方是不会完全听懂的。于是，贝尔的发明成了肺活量的最佳锻炼工具。有一个人笑而不语，因为那个让电话真正变得实用的发明正掌握在他的手里，下回再说。