海底电缆通信理论

汤姆生结识焦耳以后，就把大部分精力放到了热力学的研究上。转眼之间，几年过去了。在这几年里，他在格拉斯哥大学创建了英国第一所物理实验室，吸引了不少学生。后来，这所实验室成了他的基地。同时，他的家庭生活也发生了很大变化。1849 年，他父亲患病去世了。这位老教授在世的时候对儿子要求很严格，亲眼看见爱子成器，临死的时候内心是满意的。老汤姆生对英国教育也有贡献。在他去世以后，苏格兰的学校仍旧采用他编的教科书。据说，他编的有些教科书再版了将近一百次。父亲去世三年以后，汤姆生成了家。妻子体弱多病，汤姆生一直对她体贴入微，细心照料，花了不少时间。

1853 年，二十九岁的汤姆生在热力学研究方面取得了成就以后，才回过头来再一次对电磁学进行探索性的研究。他用很精确的实验，证明了莱顿瓶放电具有振荡性质。实际上这是发现电磁波的前兆，真理就在眼前，只不过汤姆生没有充分意识到这一点罢了。汤姆生还用数学方法推导出电振荡过程的方程和振荡频率的公式。

同年，他发表了《瞬间电流》这篇论文。这不但是汤姆生一生中最出色的一篇论文，而且也是电磁学史上光采夺目的篇章。在这篇论文里，他指出带电体的放电有两种，一种是连续放电，一种是振荡放电。如果是振荡放电， 就会形成这样一种情况：“主要导体最先失去它的电荷，然后得到比起初稍小而正负相反的电荷，这样循环下去一直到无限，而后达到平衡。”

他还认为，如果放电频率太高（电火花爆发太快），肉眼不能判断，就可以用惠斯登的“转镜法”来观测（六年以后，另一位科学家证实了这点）。但是，汤姆生没有继续研究下去。第二年，他收到剑桥大学年轻的毕业生麦克斯韦向他求教怎样研究电磁的来信。汤姆生毫无保留地把自己研究的成果告诉了他。后来，麦克斯韦沿着汤姆生开辟的道路一直走下去，终于完成了汤姆生没有完成的事业。

汤姆生为什么没有坚持到底，有种种原因。最主要的，是当时有项举世瞩目的工程——铺设第一条大西洋海底电缆，把他吸引住了。汤姆生不是法拉第那样的实验科学家，由于各人的经历、性格、受到的教育和所处的环境不同，因此，他身上更多地具有工程师的气质，对于实际的应用工程更有兴趣。这种倾向，在他三十岁以后更加明显。他的“三十而立”，可以说完全立在工程界了，尽管他一直是格拉斯哥大学的教授。

从莫尔斯发明电报以后，不到二十年，电报这种新型通信方式已经在世

界上流行起来。当时无线电还没有发明，莫尔斯电报只能进行有线传送，只能在陆地上使用，称做陆地电报。随着资本主义的发展，英国和欧洲大陆以及欧美两地之间传统的利用邮船通信的方式，已经远远不能满足需要，于是制造和铺设海底电缆成了最迫切的任务。1850 年，在英法之间的多佛尔海峡铺设了最早的海底电缆，但是，它比较短。要制造和铺设几千公里长的海底电缆，工程就艰巨多了，因为有很多理论上和技术上的问题需要解决。

1854 年，也就是汤姆生发表《瞬间电流》的第二年，一个叫克拉克的科技人员发现了信号延迟现象，也就是信号通过海底电缆的时候，收报比发报要滞后一定时间。他不能解释这种现象。

汤姆生知道这件事情以后，怀着极大的兴趣进行了研究。他意识到这个问题是铺设长距离海底电缆成败的关键。因为电缆越长，信号延迟时间也越长，而且衰减和失真（从脉冲波变成钟形波）也就越厉害。甚至会不能正常传递电报。经过整整一年的系统研究，汤姆生提出了关于海底电缆信号传递衰减的理论，解决了铺设长距离海底电缆的重大理论问题。这使他在还没有肩负铺设大西洋海底电缆重任以前，就已经成了这个工程的奠基人。那时， 他刚三十一岁。一个有趣的巧合是，后来麦克斯韦提出电磁理论是三十一岁， 赫兹（1857－1894）证实电磁波的存在也是三十一岁。

1855 年，汤姆生发表了信号传输理论的论文。它系统地分析了海底电缆信号的衰减原因，并且指出，由于海水是导体，包着绝缘层的海底电缆同海水组成了一个电容器，这就使信号传递有个充放电的过渡过程。如果增大铜线截面面积来减小电阻，加厚绝缘层来减小分布电容，而且使用小电流，就能够使信号的延滞降低到最小限度。这个理论成了后来设计海底电缆通信工程的重要理论根据。

1856 年，大西洋海底电缆公司正式组成，资本总额是三十五万英镑。按照公司章程的规定，公司董事由各个地区的股东选定，在股东还没有分到百分之十的红利以前，董事没有薪金。苏格兰的股东选聘汤姆生当董事，汤姆生高兴地同意了。一个人把工作当成了事业，他是不会计较报酬的。青年电学家盼望的是把自已的理论拿到实际中去应用，在第一条大西洋海底电缆的工程中显示威力。