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從沉沒的鐵達尼到肚裡的小生命,一段你不知道的聲音科技史——《我們如何走到今天》

編按:人類進入 20 世紀以後,在發明上有重大的技術躍進,有趣的是,產品本身的研發者,應該都不會預測他的發明未來將如何為人類所用,又將如何影響人類的文明。美國公共電視網 PBS 與英國 BBC 聯手邀請科普作家史蒂芬・強森(Steven Johnson)製作紀錄片,探討 6 種科技:「玻璃、製冷、聲音、乾淨、時間、光」所打造的近代歷史,並將內容整理成《我們如何走到今天》。

本文選自第三章「聲音」:人類也許很早就發現回音,並在幾世紀來熟練運用在教堂與劇場,但他們大概沒想到這些回音日後會被用來偵測海面下的武器(聲納),或判斷胎兒的性別(超音波)。戰爭與災難的教訓,無疑也在這個科技的運用上,起了最直接的作用。文末的延伸閱讀精選了更多超音波的科技運用!

從在勃艮第洞穴裡吟詠的尼安德塔人,到對著自己的語音描記器哼唱的愛德華—萊昂.斯科特.德.馬丁維爾,再到從棉花俱樂部廣播演出的艾靈頓公爵,聲音技術的故事一直繞著擴大人聲和人耳之範圍與強度在打轉。但最出人意表的轉折,出現於一百年前,人類首度了解到可利用聲音來達成別的目的之時——助人看清楚事物。

人類自古即利用光來向船員標示危險海岸線所在;亞歷山卓的燈塔,造於西元前數百年,是世上最早的七大奇觀之一。但在最需要燈塔時,燈塔反倒功效不彰:暴風雨時,燈塔所發出的光被大霧和雨遮掩。許多燈塔使用示警鐘作為額外信號,但鐘聲也可能一下子就被洶湧波濤聲蓋過。但事實表明聲波有一耐人尋味的物理特性:它們在水下的傳播速度是在空氣中的四倍,而且大體未受到海平面上的聲波混亂干擾。

亞歷山卓的燈塔,造於西元前數百年,是世上最早的七大奇觀之一。但在最需要燈塔時,燈塔反倒功效不彰:暴風雨時,燈塔所發出的光被大霧和雨遮掩。圖片來源:wikipedia

1901 年,總部設在波士頓的水下信號公司(Submarine Signal Company)開始製造一套利用水中聲波這一特性的通信工具:以固定頻率發出鐘聲的水下鐘,以及特別設計用來水下收音的麥克風,即「水下測音器」(hydrophone)。水下信號公司在世界各地特別危險的港灣或水道,設了一百多個站,裝配了該公司水下測音器的船隻,在那些危險水域航行時若太靠近岩石或淺水區,水下鐘即會向船隻示警。這個系統極具巧思,但有其局限。首先,它只在該公司安裝了示警鐘的水域運作,而且在偵測較不可預測的危險(其他船隻或冰山)上完全不管用。

1912 年四月,「鐵達尼」號在北大西洋沉沒,使冰山對海上旅行的威脅更清楚呈現於世人眼前。該船沉沒前幾天,加拿大發明家范信達(Reginald Fessenden)在某火車站遇見一名來自水下信號公司的工程師,短暫交談之後,兩人約定某日范信達到該公司辦公室觀看最新的水下信號發送技術。范信達原就是無線電先驅,完成了人類史上首次的人類語音無線電傳送與第一次跨大西洋的雙向摩斯密碼無線電傳送。他具備那一專門技術,水下信號公司於是請他幫忙設計水下測音系統,以更有效濾除水下傳聲的背景噪音。造訪水下信號公司四天後,范信達聽到「鐵達尼」號沉沒的消息,和世上其他人一樣震驚,但與其他人不同的,他對日後如何避免再發生這類悲劇,有了一個構想。

范信達聽到「鐵達尼」號沉沒的消息,和世上其他人一樣震驚,但與其他人不同的,他對日後如何避免再發生這類悲劇,有了一個構想-即世上第一個實用的聲納裝置。圖片來源:wikipedia

范信達借助他在無線電報方面的經驗,提出第一個建議:用連續不斷、電力驅動、可用來發射摩斯密碼的音調取代鐘。他摸索這一可能性,了解到這套系統的功用可以更大上許多。范信達的裝置,不是只傾聽由特別設計、安裝的示警桿發出的聲音,而是從船上自己發出聲音,然後傾聽那些新聲音在水中撞到物體後反彈的回音,手法就和海豚利用回聲定位在海中安然巡游差不多。范信達利用某些原理(即把洞穴吟詠者吸引到屈爾河畔阿爾西洞穴中回響特別強烈區段的原理),調整這一裝置,使它只回響頻譜的一小段,即 540 赫茲左右的頻段,而忽略水下環境的背景噪音。他最初替這裝置取了頗令人不安的名字:「振動器」(vibrator),但幾個月後,把它定名為「范信達振盪器」(Fessenden Oscillator)。那是個既可發送,也可接收水下電報的裝置,世上第一個實用的聲納裝置

世界性重大事件發生的時機,再一次突顯世人對范信達所發明裝置的需要。他完成第一部可運行的原型機後才一年,一次世界大戰爆發。巡行北大西洋的德國潛艇,對海上旅行的威脅更大於令「鐵達尼」號沉沒的冰山。對范信達來說,這威脅特別嚴重。身為加拿大公民,他對大英帝國懷有狂熱的愛國心。(他似乎也近似於種族主義者,後來在其回憶錄針對為何「金髮英格蘭裔男子」在現代創新上占據如此舉足輕重的地位,提出他的說法。)但美國還要兩年才會參戰,水下信號公司的高階主管未像他那樣忠於英國。面對研發兩項革命性新技術所帶來的財務風險,該公司決定把振盪器單單定位為無線電報裝置來建造和行銷。

范信達最後自掏腰包來到英格蘭的樸茨茅斯,勸皇家海軍投資他的振盪器,但他們也對這一神奇發明的功效心存懷疑。後來范信達寫道:「我懇求他們只要讓我們打開箱子,讓他們看看這是什麼樣的裝置。」但他的懇求未受理會。聲納要到第二次世界大戰才會成為海戰的標準要件。1918 年休戰時,有超過一萬人喪命於德國潛艇。英國人和美國人為了防範這些水下掠食者,嘗試了無數種攻勢、守勢措施,諷刺的是,最有用的防守武器非常簡單,即從攻擊船船身反彈回來的 540 赫茲聲波。

聲納要到第二次世界大戰才會成為海戰的標準要件,1918 年休戰時,有超過一萬人喪命於德國潛艇。圖片來源:wikipedia

二十世紀下半葉,回聲定位原理遠不只是用來偵測冰山和潛艇。漁船(和業餘漁民)使用各種大同小異的范信達振盪器來掌握魚的行蹤。科學家使用聲納來探索地球海洋最後的重大奧祕,揭露不為人知的地理景觀、天然資源、斷層線。「鐵達尼」號沉沒促使范信達想到發明第一部聲納的八十年後,一隊美、法研究人員使用聲納在大西洋海床上,距水面約三千六百公尺的深處,發現該船遺骸。但范信達的發明所具有的改變效應,在陸地上表現得最為顯著。利用聲音來查看女人子宮內部情況的超音波裝置,使產前護理產生革命性劇變,使今日的嬰兒和母親不致死於不到百年前會要人命的併發症。范信達原就希望他的構想(用聲音來查看情況)能挽救性命;他未能說服當局將它用於偵查德國潛艇,但振盪器最終在海上和醫院──范信達所從未料到的一個地方,挽救了數百萬條性命。

當然,超音波最為人熟知的用途,涉及懷孕初期胎兒性別的測定。如今我們習於從二進位制的角度來思考資訊:0 或 1,一個相連或斷掉的迴路。但在人生的種種經歷中,像胎兒性別這樣非此即彼的轉折點並不多。你想要個女孩或男孩?從那個簡單的資訊單元產生多少改變人生的後果?一如我們之中的許多人,我和妻子使用超音波獲知自己小孩的性別。如今我們有別種更精確的辦法來斷定胎兒的性別,但最初,是讓聲波從成長中的胎兒身體彈回,藉此確定胎兒性別。一如在屈爾河畔的阿爾西洞穴裡行走的尼安德塔人,回音帶人前進。

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聲納要到第二次世界大戰才會成為海戰的標準要件,1918 年休戰時,有超過一萬人喪命於德國潛艇。圖片來源:wiki

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