月刊ポピュラーサイエンス/第56巻/1899年11月/無線電信


ハーバード大学の物理学研究室にある歴史的な物理装置のコレクションを訪れると、 かつては電気のおもちゃと考えられていた古くて時代遅れの装置が驚くほど活用されていることに驚かされる。そこには、最初の電池、発電機の模型、電気モーターを見ることができる。このようなコレクションは、ある意味でウェストミンスター寺院のようなもので、死んだ機械が新しい用途と偉大な未来に向かって生まれている。

このコレクションの中には、電話や無線電信がこれなしにはありえないような、単純な装置が1つある。物理学者が、明らかに安らかで廃虚となった装置の安置場所を記したとしたら、これは最も高い響きと示唆に富んだ銘文に値する。これは変圧器と呼ばれ、単に2つのコイルが互いに近くに置かれているだけのものである。一方のコイルは電流を受けるように作られており、もう一方のコイルは最初のコイルとは全く独立して、コイルを隔てる空間を横切る共感、いわゆる誘導によって反応する。もし人間がこの単純な装置の能力をすべて知っていたら、間違いなく中国と話をしたり、対極からのメッセージを受け取ったりすることができただろう。彼は今、この装置を使って、遠い太陽の光を分析し、人体を透視できる特異なX線を発生させている。彼はすでにこの装置を使って、何千マイルも離れた基地間で自分の考えを伝えており、私はこの無線電信に関する論文を理解しやすくするために、この装置を使うことを希望している。私の小論は、この埋もれた形の賛歌、つまりその新しい生命と限りない可能性の歴史とみなすことができる。

便宜上、トランスのコイルの一方を他方のコイルの中に入れ、その組み合わせをルムコルフコイルと呼んでいる。図1に示すように、内側のコイルには電池が接続され、外側のコイルには2つのボールが接続されており、電池の回路が切れるとこのボールの間で電気火花が飛び火する。電池の回路が弱くなったり、強くなったり、切れたりしても、その変化が急激であれば、隣の回路にも同じような変化が起こる。このように、1つのコイルは、両者を隔てる空気の間隔を越えて、何らかの不思議な方法でもう1つのコイルに反応する。通常、コイルは互いに非常に接近して配置され、写真のように一方が他方を包み込むように配置される。

しかし、コイルを十分に大きくし、適切に配置し、一方のコイルに強力な電流を流せば、数マイル離れていても、互いに反応し合うようになる。このように、ワイヤのコイル間の距離を変えるだけで、ワイヤで接続されていないステーション間で、空気を通してメッセージを送ることができるのです。しかし、この方法は、マルコーニの無線電信システムを構成するものではありません。マルコーニは、電線で結ばれていない地点間で40マイル以上ものメッセージを伝送することに成功したが、彼はコイルの配置をわずかに変えるだけでこの偉業を達成し、不思議な変圧器の新たな可能性を明らかにしたのである。読者は次の図(図2)と写真(図1)を比べてみれば、マルコーニの送信装置がいかに単純であるかがわかるだろう。

コイルCを流れる電池Bからの電流がDで遮断されるたびに、コイルC'に電気的な脈動が生じ、それが地面からかなり高い位置にある電線Wを上下に移動するのである。この脈動は、目では見ることができない。電線は動かず、完全に静止して死んでいるように見え、ただの電線であり、それ以上のものには見えない。夜、好条件のもとでは、強力な電池Bによって、特にメッセージを送信している端の部分で、電線に光輝を見ることができる。

コイルの端子S間に火花が飛ぶと、このような電線のあらゆる部分から放射される電線を検出することは非常に容易である。感光フィルムに線材を通し、現像すればよいのである。添付の写真(図3)は、このような電線の先端を、私の手元にある非常に強力な装置で撮影したものである。この写真を顕微鏡で見ると、電線から放射される樹枝状電線が、まるで星の光線のように、美しいシダのような構造をしているのがわかる。しかし、この電線は、電気パルスを宇宙空間に伝達するために、主に役立っているのではない。

図1.送信器における電池とコイルの配置。縦線と火花空隙の配置を示す。

これは、ちょうど平穏な水面が石の落下によって乱されたときに波紋が広がるように、垂直な電線Wのあらゆる部分から発せられる磁力線と呼ばれる別の線がある。この磁気の波紋は、空間のエーテルを伝わって、隣の電線やコイルを抱くと、同じような波紋を作り、それが遠くの電線に旋回して、不思議な方法で電線に電流を発生させるのである。このような磁気の脈動は、長距離を移動することができる。

この磁気渦の写真で、図4は電池B(図2)によって回路C'に生じた渦で、図5は隣の電線に電気的共鳴、または誘導と呼ばれるものによって生じた渦である。これらの写真は、回路を感光膜に垂直に通し、その表面に非常に細かい鉄粉をまぶして光を当てることによって得られたものである。この写真を得るために、非常に強力な電流でコイルC(図2)を励起し、隣の回路W'(図5)を回路Wのごく近くに配置した。

受信線が送信線から数マイル離れている場合、上記の方法で磁気の波紋や渦を検出することは不可能である。しかし、この磁力線が受信線に引き起こす電流は検出できる。このことから、マルコーニの無線電信のシステムを可能にした驚くべき現象の発見を語ることにする。電流が金属の粒子の塊、例えば鉄粉の塊の中を流れるためには、それらを圧縮するか、粒子の間に微小な火花や放電を起こさせる必要がある。この鉄粉をガラス管に入れ、電池につながる電線の間に配置したものをコヒーラーという。小型軽量化が可能である。図6は、非常に高感度であることが判明しているものを原寸大で示したものである。これは、2本の銀線と、その両端の間にあるガラス管に入った数個の鉄粉から構成されている。電気回路が作られた後、鉄粉が非導電性の状態に戻るか、または一緒に凝集しなくなり、次の信号に反応できるようにするために、この小さなチューブを常に揺すっておく必要がある。私の同僚である サビーン教授は、非常に小さな電気モーターを使ってガラス管を回転させ、信号を受信している間、鉄粉を動かし続けるようにした。図7は、この受信装置の配置を示したものである。

コヒーラーとモーターは2つの電池の間にあり、一方はモーターを駆動し、もう一方は電線が鉄粉を励起したときにベルまたはサウンダーを作動させる役割を果たす。図2には、この受信装置を図式的に示している。Bは電池で、送線Wから出た磁気の渦が受線W'にかかると、サウンダーMとコヒーラーNに電流を流すものである。

図2.-受信器における電線と電池の配置図。

無線電信という言葉は誤用で、電線なしではこの方法は成り立たないからだ。この現象は、電信や電話回線でよく知られているものを拡大したものに過ぎず、電磁誘導と呼ばれるものである。ある電線に電流が急に流れたり、急に流れなくなったりすると、隣の電線に誘導されて電流が発生する。マルコーニが採用した受信機は、この誘導によって生じる微妙な火花がブリッジを形成し、リレー電池からの電流が通過して磁気機器に影響を与えるというものである。

マルコーニ以前にも多くの研究者が、電線で直接結ばれていない2地点間で、空気やエーテルを通して数マイルの電信を送ることに成功していた。マルコーニは、送信側でより大きな起電力を用い、遠距離での微弱な誘導効果を利用して、局地的な電池を作動させることにより、距離を伸ばしたのである。送信側では磁界や電界を発生させるための電線が必要であり、受信側ではその電線を写真にあるように、いわば包み込むような形で使用することが必要である。この波が受信機で微細な火花を発生させ、その火花が発生した回路に局部電池の電流を流すと、突然引いた水門のように作用して、電信機のクリック音が発生するのである。

マルコーニが実験する以前から、無線電信と呼ばれるものでメッセージを送っていたことは、すでに述べた。この電信も誘導によって送られ、ある電線の信号は遠く離れた平行した電線で受信されていた。マルコーニは、この方法を垂直の電線を使って大幅に拡張した功績がある。しかし、コヒーラーを使って電気パルスを検出する方法は、マルコーニによるものではありません。ブランリー(Branly)の功績とされている。

図2aは、受信回路のより完全な電気的配置を表している。縦線W'はコヒーラーLの一方の線に接続され、コヒーラーのもう一方の線はグランドGに導かれている。コヒーラーLの線は細かい金属粒子で分離されている。Bは電池を表す。Eは電磁石で、鉄片A(アーマチュア)を引きつけ、局部電池Bを閉じ、サウンダー(電磁石)Sをクリックさせる。電線W'を包む磁気波(図5)はこの電線に脈動を引き起こし、図3に示したのと同様の電気障害をコヒーラーの中に生じさせ、それによって電流が電磁石Eを通過することを可能にさせる。

しかし、「コヒーラー」に似た作用を持つマイクロホンの発明者であるヒューズを始めとする先人たちによって、「コヒーラー」は採用されていた。マイクロホンの場合、人の声の波がマイクロホン発信器の中の炭素の粒子を揺り動かすので、炭素の粒子の微細な接点を介して電流が流れやすくなるのである。電池の端子が浸された微小な導電性粒子からなる電話発信器や、類似のコヒーラーの作用は微小であり、電流に対する抵抗の変化を説明する理論は数多く存在する。電気力が粒子間の無限に薄い空気層の絶縁効果を破壊し、電流を流すと考えるのは、大きく間違ってはいないと思う。この作用は、間違いなく電気火花の性質を持っている。電気火花は、無線電信の場合、空間に磁力線と電気力線を発生させ、これが凝集器を含む回路に伸びて抱きつき、今度は微細な火花を発生させるのである。シミリア・シミリバス・・・1つの作用は、もう1つの作用に完全に対応する。

従って、マルコーニ方式の無線電信は、原理的には新しいものではなく、実用化されただけのものである。それまでは、講義室の中で電波の現象を見せるために使われていた。マルコーニは、これを60〜100フィートの距離から50〜60マイルに拡張し、送信線の火花を高いポールに持ち上げ、受信局のガラス管内の金属片の感度を向上させることによってこれを実現したのである。

図3 送信側で電線の端から発せられ、受信側でコヒーラーの金属粉の中に再現されるであろう電線の写真

彼は、凝集作用によって形成された微細なブリッジを破壊するために、凝集器を継続的に叩く機械的配置を採用し、次の磁気パルスのためにフィリングを準備するようにしました。無線電信のシステムは、フラッシュライト信号と奇妙に類似した火花システムであり、網膜の杆体と錐体を持つ人間の目が凝集器として働き、神経系が局所電池となって脳で信号や感覚を作り出すシステムであることが強調される。

ここで、火花を飛ばすということについて、もう少し詳しく見てみよう。電気火花は、おそらく電気で最も興味深い現象である。何が原因で、空気は火花に対してどのような挙動を示すのか、空気中を流れているのは何なのか、光や熱の波、そして磁気や電気の波を発しているように見えるのか。これらの疑問に答えることができれば、電気とは何かということがわかるはずである。電気火花を批判的に研究することは、科学的な側面だけでなく、実用的な側面も持っている。後者の場合、空気を抜いた管の中で放電が起こりますが、これは電気火花の特殊なケースです。無線電信の能力を理解するためには、電気火花の科学的研究に目を向けなければならない。その実用的な用途は、その強度、周波数、位置、空気を電気の導体にする力に大きく依存するからである。これらの点はすべて無線電信に関係している。では、電気火花をどのように研究すればよいのだろうか。目には、一瞬の閃光が、巧妙な経路をたどっているように見えるだけである。火花がどの方向に飛んでいくのか(例えば稲妻)、あるいは方向があるのかどうかを知ることはできない。雷や電気火花の方向が目で確認できると信じることほど、人類に共通する誤りはないだろう--つまり、空から地へ、あるいは地から空への方向である。

図4.-送信電線に巻きつく磁力線の渦巻き。

私はこの問題に関して何人もの学生を繰り返しテストし、長さ4~6フィートの火花を使い、充電池の極に充電する方向を隠すように注意したが、方向に関して意見の一致を見たことがない。普通の写真でも、目に見えるもの、つまり、鮮やかで邪悪な線や炎のような放電は、それ以上見えないのだ。

街頭のアーク灯に見られる炎のような放電から、無線電信に使われるパチパチという火花、さらに雷放電によく似た長さ6フィート以上の強力な放電まで、この現象の全範囲を調べることができるからである。この範囲を批判的に研究すると、秘密の無線電信の可能性という問題にかなりの光を当てることができる。この問題は、このシステムを実用化するためには解決することが最も重要である。

図5.-受信電線に巻き起こる磁力線の渦

電気エネルギーを変換して、周囲の媒体に適切な速度と強度の打撃を与えることができる方法がいくつかある。火花の中に不思議な振動があり、それが電気エネルギーを効果的に空間に伝達するのに役立っているということはないだろうか。もし火花が1秒間に16回以上の速さで振動したら、人間の目はその振動を検出できないだろう。火花が振動しているかどうか、あるいは目に見えるような1つの火花ではなく、行ったり来たりする多数のインパルスであるかどうかを確認する唯一の方法は、高速回転する鏡で撮影することである。原理はバイオグラフやビトスコープに似ていて、火花の素早い往復運動を、高速で運動する感応フィルムに受光させる。スパークギャップの一方の端子、いわゆるプラス端子は、常に他方より明るく光っている。この点は、放電が振動していることを示している。つまり、1つの放電(目には1つに見える)が10万分の1秒の間に何度も跳ね上がっているのである。実際には、フィルムを動かす代わりに、火花のイメージを感光膜の上を移動させる方が良いことが分かっている。これは、少年が鏡を使って太陽光を点滅させるのと同じ方法である。鏡が速く動けば動くほど、光の像も速く動く。この方法では、100万分の1秒の速度を達成することができる。この場合、フィルム上の点間の距離は10分の1インチになり、目で見て分離するのに十分である。電気火花の写真(図8)は、この方法で撮影されたものである。写真画像の軌跡の中の任意の2つの明るい点の間の距離は、電気振動の時間、または火花から送り出される磁気パルスまたは波の時間を表し、この時間によって離れた回路が同様の振動で反応することになる。

図7.モーター(コヒーラーを撹拌する)とメッセージを受信するサウンダーの電池の配置

現在、この方法で撮影できる最短の時間は、いわば200万分の1秒程度である。これは、長さ200メートル以上の磁気の波が伝搬する時間である。無線電信に使われる波の長さは、4フィート(約3m)以下であり、我々が撮影できる波の長さの約100分の1である。このように、写真撮影の方法は、目には全く見えない火花のメカニズムを明らかにし、今後も人間の目には見えないであろう。写真(図9)に写っている最初の放電は、端子から端子まで無傷で伸びており、1秒間に18万マイルという驚異的な速度を持っているのだ。この放電の謎を解明するには、我々のどんな実験装置も十分ではない。40〜50マイルに達するほど強力な磁気パルスや波を送り出すのに主に役立っているのは、このパイロット火花である。このパイロット火花の影響力の強さは、その後の手術や振動のための道を見つけるので、パイロット火花と呼ばれ、無線電信を秘密にする努力の障害になっている。写真で見ると、その強さは、端子の明るさによって示される後続の放電の強さよりもずっと大きいことがわかる。デリケートなコヒーラーは、このパイロット放電の影響を受けてすぐに反応し、その後の放電の振動はほとんど影響を与えない。それでは、受信回路が1つの送信局だけに反応するように、効果的に時間を計るにはどうしたらよいのだろうか。火花の振動性に頼るのではなく、火花の振動速度を採用し、同じ速度のコヒーラーを形成することができる。

そのためには、高い振動数で火花を飛ばす方法と、強力な磁気脈動にのみ反応するコヒーラーを使う方法を考案する必要があるようだ。機械的な手段で強力な電気外科手術を行う試みはいろいろ行われているが、成功したとはいえない。高い起電力と電流の強さの両方が必要である。これらは、多数の蓄電池を使用することによって得られる。しかし、多数の蓄電池からの放電は、高い起電力と電流の強さの両方を備えてはいても、無線電信の目的には適さない。

エーテルに素早く打撃を与えることができる唯一の装置は、ルムコルフ・コイルである。このコイルは、50年前から私たちの物理的なキャビネットの中にあると言ってきた。その中には、現在まで認識されていない電話送信機と無電線電信の方法の芽が含まれていたのです。その要素は、これまで見てきたように、互いに近くに置かれた、まったく接続されていない2つの電気回路で構成されている。この回路の一方に電池が接続されており、電流の強さが変わると、2つの回路の間のエーテルまたは媒体に打撃が与えられる。電流をすばやく止めると、エーテルに最も強い衝撃を与え、隣の回路がそれを受け止める。過去50年間、空間の媒質に強い電気的な衝撃を与える方法はほとんど進歩がなかった。それは、単に、適当な突起のついた回転輪か、振動する点によって、電池への接続を機械的に断つことによって達成される。機械的遮断の様々な形態はすべて非効率的である。迅速かつ均一な遮断ができないのである。最近になって、図1に示すワイネルト遮断器と呼ばれる化学的な遮断器が発見され、期待が高まっている。希硫酸の容器を通過する電流が、白金の点から鉛の円板に流れるとき、気体の泡が発生し、それが障壁となって突然破壊され、この作用が高速で進行し、隣の回路に火花の奔流を発生させるのである。このようにして、2つの回路の間にある媒体は、急速で比較的強力な衝撃を受けることになる。このような化学的あるいは分子的な遮断の発見は、電気変圧器の歴史に一時代を画するものであり、この方法による更なる進歩への期待は、機械的遮断の方向よりはるかに大きいものである。

しかし、無線電信を大規模かつ広範囲に利用するために、十分に強力で十分にタイミングのよい電気インパルスを発生させることは、まだできないのである。無線電信の現在の弱いインパルスを、何らかの方法で中継または反復して強化することは望めないのだろうか。電話という類似のテーマでも、このサービスを秘密にし、中継によって長距離に拡張しようとする多くの努力がなされてきた。これらの努力は、現在に至るまで成功していない。私たちは今でも隣人の呼び鈴を持ち、もし私たちがその呼び鈴の音を聞くことができれば、そのメッセージを聞くことができる。

図8.-電気パルスの写真。パルスとパルスの間隔は100万分の1秒である
図9.無線電信の方式で主要な要素であるパイロットスパークの写真

しかし,無線電信を大規模かつ広範囲に利用するために,十分に強力で十分にタイミングのよい電気インパルスを発生させることはまだできない。無線電信の現在の弱いインパルスを、何らかの方法で中継または反復して強化することは望めないのだろうか。電話という類似のテーマでも、このサービスを秘密にし、中継によって長距離に拡張しようとする多くの努力がなされてきた。これらの努力は、現在に至るまで成功していない。私たちは今でも隣人の呼び鈴を持ち、噂話に花を咲かせれば、そのメッセージを聞くことができる。電話サービスは,ボストンからオマハまでというように,リレーによってではなく, 送信回路と受信回路の間の媒体にかかる打撃を強化することによって,長距離に拡張されてきた。電話通信の個別通話が成功しないのは、無線電信の場合とほぼ同じ理由である。完全に明確で強力な振動を、ある特定の装置だけが反応するような電線を使って、点から点へ送ることはできない。電流のエネルギーが電線の上や呼び出しベルを通過する際に散逸する方法は非常に多く、波の形やその強さが減衰してしまうのです。電線のない自由空間や磁性体のないところでは、電波の形はよく保たれる。無線電信で個々の通話を得ることの難しさは、十分に速く強力な電気インパルスと、そのようなインパルスの一定数に適切に応答する受信機を得ることが現在不可能であることにある。

中継の問題は、電話の場合と同様、解決不可能と思われる。音声の特性は、数多くの繊細な抑揚やハーモニーに左右されます。例えば、母音 a を伝達する波の形は、その音を認識できるように保存されなければならない。電話における中継は、伝言ゲームにおける隣人のようなもので、多少なりとも不明瞭に繰り返される文章が、ある人から別の人へ渡った後、歪んで意味のないものになってしまうのである。最初の発話の形式を維持する電話中継は発明されておらず、母音aはその繊細な特徴を失い、単なる無意味なノイズと化してしまう。このようなリレーは発明できない、人間の声の繊細な抑揚を、ある回路から別の回路へ、たとえ無限の空隙やエーテル空間を通過しても維持することは不可能だ、と主張する権威者がいる。しかし、ホセア・ビグローの「知らなければ予言するな」という賢明な忠告を思い起こすのは良いことである。電話の初期には、音声は電線や磁気装置を経由して伝送される過程で多くの特性を失い、理解できなくなると主張されていた。現在のところ、音声の長距離伝送は、より強力な送信機を使用し、銅線を伝送に適したものにすることでしか達成できないことは確かです。これは、あちこちに素早く移動するためには、地球を飛び出し、宇宙を飛行するのではなく、より強力なエンジンの獲得と路盤の改良によって達成されたのと同じです。

無線電信の中継を得る望みは、電話通信の場合と同様に小さいように思われる。現在の方法は、実質的に50マイルか60マイルの距離に限られており、晴天時にサーチライトで到達できる距離をはるかに超えることはない。実際、サーチライトとマルコーニの実験に使われた火花の間には密接な類似性がある。両者とも長さだけが異なる波を発信しているのだ。サーチライトの波長は1インチの4万分の1の長さだが、火花の磁気の波は目には見えないが、3〜4フィートと光の波長の100万倍以上の長さがある。この非常に長い波が、短い光の波より優れている点は、霧や砂山や石造物さえも透過することができる点である。霧や砂山、石造物も透過する。囚人は外の世界と交信し、窮地の守備隊は助けを求め、故障した灯船は助けを呼び、ある汽船は霧の中の他の汽船に進路を知らせることができるかもしれない。

無線電信は、私たちの知性に与えられたテレパシーに最も近いもので、私たちの想像力を刺激し、期待されることは、正確に期待される方法ではないにしても、常に到達することができると思わせてくれるものである。いわば全世界の神経が結合して、ある国で触れたことが瞬時に遠い国へ伝わるのです。やがて地球を通して対極に話すことができるようになるのではあるまいか。磁気の波がレンガや石の壁や砂の丘を通り抜けることができるのであれば、いわば我々のトランペットは地平線の上をかすめるのではなく、地球に向けて発信すべきではないだろうか。この提案に関して、我々は実験室の経験から一つの事実を確かに知っている。それは、これらの磁気の波が、鉄鉱石の層のように電気を通す物質の層に出会うと、反射して戻ってしまい、浸透しないことだ。このように、地球の質量を完全に貫通することに成功する前に、地球の謎を探るための手段が、このような波動を用いて発見されるかもしれないのです。

脚注編集


 

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