はじめに
科学史上最も有名な発明家の一人であるアレクサンダー・グラハム・ベルは、永遠に電話との関わりを持ち続けます。 しかし、電話は彼の最初でも最後でもないことをご存知でしょうか。
彼の光電話とグラフホンは、音声間通信技術の進化において同様に重要なものでした。 しかし、アレクサンダー・グラハム・ベルとはどのような人物だったのだろうか。
Call Me Alexander Graham Bell
1847年3月6日、スコッツマン紙がエジンバラの住民に、イライザとアレキサンダー・メルヴィル・ベルの息子、アレキサンダー・ベルの誕生を知らせた。 偶然にも、この新聞は、ロンドンとエジンバラの間の通信を高速化する電信線の到着を間近に控えていることも伝えていた。 アレクサンダー・ベルは、父と祖父の代から続くアレクサンダー家の出身で、”アレック “という名で知られていた。 アレック・ベルの家には、彼が10歳の時、アレクサンダー・グラハムという名の若い下宿人がやってきた。 この少年は、アレクサンダー・メルヴィルの弟子で、アレックの尊敬と憧れを集めていた。 アレックは、兄たちがクリスチャン・ネームを2つ持っていて、自分は1つしか持っていないことに悩み、自分の家の若い下宿人を崇め、11歳の誕生日に新しい名前をリクエストした。 1858年3月6日、父はこの願いを聞き入れ、誕生日の少年にグラスを掲げて乾杯し、新たにアレクサンダー・グラハム・ベルと命名した。
Call to Service
1858年に、メルヴィルとイライザはエディンバラの近郊トリニティに素朴で楽しい2階建てスタッコ建築を購入した。 トリニティの隣人には、近くで製粉所を営むハードマンという活気のある一家がいた。 メルヴィルは写真に夢中だったため、この時代やアレックの他の時代の写真も数多く残っている。 10代前半の写真や記述から、アレックは背が高く、暗く、ハンサムで、長い髪を肩の上で後ろに流すのがトレードマークだったことがわかる。
この颯爽とした青年が初めて発明を奨励されたのは11歳か12歳の時で、アレックとベン・ハードマンの乱暴な振る舞いにベンの父親が苛立ち「なぜ役に立つことをしないのか」と少年たちに問いかけた。 その言葉に興味を持ったアレックは、ジョン・ハードマンに「どうしたら役に立てるか」と尋ねた。 すると、「小麦の殻を取るのを手伝ってほしい」という答えが返ってきた。 そこでアレックは、回転するパドルからなる風車のような機械と爪ブラシを組み合わせて、脱皮機を作り、稼働させ、何年間も安定的に使用した。 何年も経ってから、アレキサンダー・グラハム・ベルが、この製粉所での青春時代を書き残している。 「私の記憶では、何か役に立つことをせよというハードマン氏の命令が最初の発明への動機づけであり、小麦をきれいにする方法が最初の成果であった」
All in the Family
アレクサンダー・グラハムの祖父、アレクサンダー・ベル*は、芝居が好きであったという。 有名な俳優にはなれなかったが、エジンバラの劇場で確保した小さな役から、呼吸のコントロールや声の出し方を学んだという。 舞台で堂々とした演技をし、声もよく出るようになった彼は、雄弁術の教師として店を開くことにした。 エリザベス・ベルとの結婚が破談になったことで、アレクサンダー・ベルは2人の息子を連れてロンドンにやって来ました。 メルヴィルとデイヴィッドは父の後を継いで、雄弁術を教えようとする父を助け、自らも雄弁術を始めた。 メルヴィルは雄弁術を学ぶためにエジンバラに戻り、そこでイライザ・グレイ・シモンズと出会う。 メルヴィルは、イライザの耳の不自由さに同情し、彼女の明るい態度に感心した。 イライザは細密画の画家であり、ピアニストとしても優れていたため、出会ってから1年弱でメルヴィルと結婚した。 少年たちは、英語の両手手話や、不器用な耳かきで彼女と会話を交わした。 アレックだけは、母の額に寄り添い、低い声、抑揚のある声で話すことで、うまくコミュニケーションをとる方法を編み出しました。 アレックとメリーは、生涯を通じて、しばしばコンビを組んで科学的な発明に取り組んだ。 テッドは残念ながら兄たちの科学実験には参加せず、18歳で結核のためこの世を去った。 この戯曲は彼の息子デイヴィッドの手に渡り、デイヴィッドの息子チチェスターの手に渡り、最終的にチチェスターの親友であるジョージ・バーナード・ショーの手に渡った。 この戯曲は、後にロジャースとハマースタインによってミュージカル「マイ・フェア・レディ」に仕立てられ、成功を収めたショーの「ピグマリオン」にインスピレーションを与えることになった。 ショーの戯曲の序文には、ベル家のことが書かれており、ヒギンズ教授の研究室の舞台は、アレクサンダー・ベルが発声の指導員として働いていた通りそのものである。 アレックは父の影響で雄弁術の仕事に携わるようになり、弟とともに勉強を続けていたところ、父からスピーキングマシンの改良版を開発するように命じられた。 スピーキングマシンの最古のバージョンは18世紀にさかのぼり、1820年代にはチャールズ・ホイートストンによってより最新のバージョンが作られた。 アレクサンダー・グラハムとその弟のメリーは、人間の話し方、声帯、横隔膜を理解し、教科書を使って解剖学と発声法を学びながら、父親の挑戦に立ち向かいました。 そして、その過程で、発声器官や人間の声の生理学に関する貴重な知識を得ることができたのである。 この知識は、後にアレクサンダーが電話を開発する際に役立つことになります。
Ignorance is Bliss
19世紀の科学ルネッサンスに貢献したヘルマン・フォンヘルムホルツは、母音を生成する機械を開発しました。 音叉の振動を制御して音を出すこの装置を研究したのは、アレキサンダー・グラハム・ベルである。 ベルは母音については詳しいが、電気についてはほとんど何も知らなかった。 そのため、ベルは、ヘルムホルツの機械が実際に母音を伝達し、実際には母音を発生させただけであるという誤った考えを抱いてしまった。 しかし、ベルは、「もし、母音が電線で伝えられるのなら、子音や音も伝えられるはずだ」と考え、このアイデアを実現させた。 ベルは、この発明の発展を見守ることに専念し、やがて電話機製造の決意を固めた。 この博覧会には、当時のブラジル皇帝ドン・ペドロ2世も出席していた。 この博覧会には、ベルのライバルであったエリシャ・グレイも出品していた。 ベルは、この博覧会で最後に皇帝をはじめとする審査員たちの審査を受けることになる。 東側のギャラリーに装置を設置し、ベルは部屋の端に陣取り、皇帝は反対側の端に置かれた受話器にかがみ込んだ。 ベルは受話器に向かって歌い、ハムレットの有名な「To be, or not to be」の独白を始めた。 「
A Labor of Love
Alexander Graham の父 Melville Bell は Visible Speech という音声システムを作り、すべての音を視覚表現に還元する配列を実現しました。 彼は馬蹄形を使って舌を表現し、このイメージを操作して口の動きの違い、つまり音の違いを表現したのである。 アレクサンダー・グラハムは、父の「可視音声」のシステムを広めるためにボストンに行き、そこでガーディナー・グリーン・ハバードに出会った。 ハバードの娘の一人、メイベルは猩紅熱にかかり、聴力を失っていたが、家庭教師兼家庭教師のメアリー・トゥルーに助けられ、言葉を発することができるようになった。 メアリー・トゥルーとアレクサンダー・グラハム・ベルは、ボストンの雄弁家のサークルで知り合いになり、16歳のときにメアリー・トゥルーは若い弟子をアレクサンダー・グラハムに紹介する。 メイベルは、アレクサンダーから「君の声は自然な甘さだ」と言われ、雨の中を歩いて彼のレッスンに通ったことを報告している。 「1回1回のレッスンがとても高いのに、それを無駄にしたくなかったんです」。 1873年に出会ったとき、メイベルはまだ15歳だった。そして1877年、ふたりは結婚した。 結婚式は、7月の暖かい夜にハバード邸で、家族でささやかに行われた。 二人は、アレクサンダー・グラハムが初めてメイベルと知り合った部屋で「I do（誓います）」と言ったのである。 1877年7月には、法人格のないボランティア団体として始まったベル電話会社が設立された。 ベルは、ビジネスや科学的進歩の一方で、聴覚障害者のための活動も続けていた。 特に、アニー・サリバンと出会い、ヘレン・ケラーと一緒に仕事をした教師の一人であったことは特筆に値する。 1918年、ヘレンはベルにこう書き送っている。「あなたはいつも私の成功を父親のように喜び、物事がうまくいかないときには父親のような優しさを示してくれました」
Keeping to Himself
資料によると、フランクリン研究所の秘書とアレキサンダー・グレアム・ベルとの文書による議論があることが判明しており、秘書はエリオット・クレソン・メダル授与時のベルの発言のタイトルについて尋ねた。 ベルからの返事は、やや辛辣な調子で、「自分が楽しむために、そのような発言はしない方がいいのではないか」と問いかけている。 ベルは人目を気にしないハンサムな男だったが、常に孤独な生き物であり、年を取るにつれてますますそうなっていった。 人目を気にしないハンサムな男だったが、もともと孤独な性格で、年をとるにつれてその傾向が強くなった。 また、夜更かしの常習犯でもあり、朝早くから一人、夜道を歩き回ることが多かった。 1881年7月2日、ガーフィールド大統領はワシントン駅構内で背中を撃たれた。 当時49歳だった南北戦争の元将軍は体調も万全で、銃弾による傷も癒えた。 大統領の枕元には、英国で金属探知機の実験を行ったことで知られるアレキサンダー・グラハム・ベルが呼ばれた。 しかし、ベルが助手たちとともに必死になって完成させた金属探知機は、大統領の背中に刺さった弾丸の位置を特定することはできず、ガーフィールドは銃創の数週間後に感染症で死亡した。 大統領の早すぎる死に心を痛めたベルは、効率的な手術用プローブの開発に精力的に取り組み、1881年10月に成功モデルを完成させた。 この発明を「テレフォニック・プローブ」と名付け、ハイデルベルク大学から外科手術への貢献を称えて名誉博士号が贈られた。 7825>
呼吸を楽にする
電話以後のベルによる最も有名な発明は、彼が真空ジャケットと呼んだものであろう。 このいわゆる真空ジャケットは、後に鉄の肺として広く知られるようになり、1940年代後半に猛威を振るったポリオの流行時に、犠牲者を延命させる装置となった。 アレックがこの機械の研究を始めたのは、息子のエドワードが呼吸器系の疾患で幼少時に亡くなったことがきっかけだった。 鉄の肺は、気密性の高い鉄の筒で、胴体にぴったりと密着させる。
Good Vibrations
1876年3月7日、米国特許庁はアレクサンダー・グラハム・ベルの特許番号174,465を発行した。 この特許は「電信の改良」と題され、史上最も価値のある特許と評されるようになった。 1912年、フランクリン研究所は、ベルが明瞭な音声を電気的に伝達することに成功したことを認め、エリオット・クレソン・メダルを授与した。
ベルの電話は、渦電流、電磁石、電機子の3つの主要部品の協力により、明瞭な音声を電気的に伝達することができた。 特許の中でベルは、電気的なうねりは「単純な首振り振動による空気の密度の変化に正確に類似した強度の漸進的変化」によって生じると説明している。
ベルは、磁石がうねり電流を生成する方法を、永久磁石と電磁石の間の相互作用を説明する。 永久磁石とは、磁界から離しても磁気を失わない磁性体のことであり、一方、電磁石とは、軟鉄芯に絶縁線を巻いたもので、電流が流れたときだけ磁気を帯びる磁石と定義される。 永久磁石を電磁石の磁極に接近させると、永久磁石は電磁石のコイルに電流を誘起する。 永久磁石が後退すると、その作用で電線に逆極性の電流が新たに発生する。 その永久磁石を電磁石の前で振動させると、電磁石のコイルにうず電流が発生する。 このうねりの速さは、磁石の振動の速さに対応する。 その極性は永久磁石の運動の方向に対応し、その強さは磁石の振動の振幅に対応する。
起伏は作用を誘発することができる物体の振動または運動によって生じる。 電話の場合、音声は起伏を引き起こすことのできる物体である。 ベルは特許に添付された図面に電話回路を描いており、一つの電機子が他の電機子と交差している回路を示している。 各アーマチュアの一端は電磁石に、もう一端は伸縮する膜の中心に緩く取り付けられています。 音の振動を膜に収束させるために円錐が使用されています。 コーンに向かって音が発せられると、その運動によって膜が振動し、膜の振動によってアーマチュアがその運動に参加することになります。 アーマチュアの運動は回路上に電気的な起伏を作り出します。 この振動を図式化すると、円錐に発した音による初期振動と同じような形になる。
フォトフォーンとグラフォフォン
フォトフォーン
1880年、フランス政府は電話の発明が認められ、アレキサンダー・グレアムに5万フラン（当時約1万ドル相当）のボルタ賞を授与することになった。 ベルはこの賞金を有効に活用し、ワシントンにボルタ研究所を設立した。 この研究所で、「光電話」と「グラフォン」という2つの重要な発明がなされた。 蓄音機は、光ファイバーの前身である光線による音の伝達を可能にしたもので、ベルはこの装置を最も重要な発明と信じていた。 1880年6月3日、彼はこのフォトフォンを使って最初の無線電話メッセージを送信した。
ベルのフォトフォンは、セレン結晶の電気伝導度が光の照射強度に依存するという性質を利用していた。 透過光は、鏡、レンズ、熱放射を除去するセルのシステムによって、太陽光から作られたものである。 光線は、音の振動を拾って反応する運動感受性ミラーに照射される。 鏡が動くと光線に歪みが生じ、放物面鏡に反射され、この鏡が歪んだ光を中心にあるセレン検出器に集光する。 この鏡は、歪んだ光を中心にセレン検出器に当て、検出器はそれに対応して途切れた電気信号を発生させる。 この信号は電話の磁石に送られ、ダイヤフラムに接続された電磁石を通して、通常の方法で受話器で音に変換された
ベルの光電話の範囲は数百ヤード以上には広がらず、この装置は雲などの外部干渉から通信を保護することもできなかった。 また、雲などの外部干渉から通信を保護することもできなかった。外部干渉は、通信に必要な光線を遮ることで通信を妨害する。 光電話の原理は、グリエルモ・マルコーニが無線電信の開発に成功した際にも利用された。 1877年にトーマス・エジソンが発明し、1879年にはアレクサンダー・グラハム・ベルとその弟子のチャールズ・サムナー・テインターがエジソンの発明を改良し始めた。 ベルが蓄音機に興味を持ったのは、耳の不自由な人のための教材としてだった。 しかし、エジソンが録音・再生に使っていたアルミホイル製のレコードは、何度も使用すると劣化してしまうことが分かった。 ベルとテンターは、その原因を調査し、問題を改善することに着手した。
蓄音機とグラフホンの原理は、音声の振動をディスクに記録することだった。 テンターは、エジソンよりも軽い物質を記録ディスクに用い、ノミのような形のスタイラスでカットしたワックスレコードが、エジソンのティンホイルレコードよりも高い音を再現できることを発見した。 テインターは、蝋を横方向に切り、ジグザグ模様にすることで、再生する針の振動を制御した。 これは、エジソンの針が上下に動くのに比べて、より好ましいとされた。 テインターは、ジグザグの溝が大きすぎ、音波のエネルギーに対してピックアップが重すぎたため、横切断の試みは失敗したと結論づけた
テインターとベルは、エジソンが同じことをする前にグラフホンの改良と特許の取得をしなければならない状況にあった。 残念ながら、1881年にガーフィールド大統領が狙撃され、彼らの仕事は中断された。彼らは他の科学者とともに、弾丸の位置を特定し、それを取り除く装置を開発するために働いていた。 テインターとベルは、エジソンに知られるのを防ぐため、また、誰かが情報を漏らしたときに特許を取る権利を確保するために、グラフホンの研究成果をすべてブリキの箱に詰め、日付を入れて封をし、スミソニアン博物館の金庫に保管したのです。 このような努力もむなしく、横切断の成功は1887年、エミール・ベルリナーによって達成された。
A Matter of Principle
電話には何人かの発明者がいたが、いずれも先人の革新的な技術を基にしたものであった。 ベルの特許174,465号は、電話の発明をベルに認めたと同時に、歴史家、科学者、学者を刺激し続ける論争を引き起こした。 この論争は、ベルが特許を申請したその日に、エリシャ・グレイが同様の発明の警告を申請していたことに端を発している。 7825>
ベルの特許とグレイの特許の主な類似点は、それぞれが「可変抵抗の原理」を説明し、液体接触送信機を詳述していることである。 ベルは、アメリカ建国100年を記念して開催された1876年のフィラデルフィア万国博覧会で、このような液体発信器を用いて発明のデモンストレーションを行っている。 また、彼は特許の中で、送信機と「抵抗の変化する原理」の両方を説明している。 この発信器は、ダイヤフラムと針、そして水の入った小さなカップから構成されている。 水の入ったコップは、少量の酸を加えると電気を通すようになる。 音声は振動板に投射され、振動板を振動させる。 そのため、付属の針も音声に合わせて振動させる。 この振動によって、針は水の切れ目に入ったり出たりして、電池回路の抵抗値を変化させる。 この変化により、明瞭な音声を電気的に伝達するために必要な、うねるような電流が生み出されます。 ベルに対する最も重い罪は、彼の特許担当者がエリシャ・グレイが提出した警告文をベルに見せたことを認めた後に問われたものである。 この但し書きには、ベルがまだ独自に開発していなかった「可変抵抗の原理」が書かれていた。 ベルは、グレイの原理を自分の特許出願前に取り込んでいたことが証拠となっている。 特許番号174,465のベルによる電磁レシーバは、今日使用されている電話レシーバと本質的に同じであり、この機能は彼の特許に特有のものである。 ベルはグレイの「可変抵抗の原理」を盗んだと非難されたが、この原理は後の音声の電気伝送装置の開発に不可欠なものであった。 7825>
謝辞
フランクリン研究所は、1912年に “Electrical Transmission of Articulate Speech “でアレキサンダー・グレアム・ベルに工学分野のエリオット・クレソン・メダルを授与しました。 下のサムネイルをクリックすると、科学芸術委員会の最終報告書にアクセスできます。
フランクリン・インスティテュート賞プログラムの基金は、1848年にフィラデルフィアの慈善家エリオット・クレソンからクレソンメダル設立のために1000ドルの寄付があったことから始まりました。 Elliott Cressonについての詳細はこちら(PDF file, 3.2M) 「The Franklin Institute Donors of the Medals and Their Histories」より。
Credits
アレクサンダー・グラハム・ベルのプロジェクトはThe Barra FoundationとUnisysからの支援で実現されています。
この Web サイトは、科学学習イノベーション センターの上級副社長である Carol Parssinen とフランクリン センターの副社長である Bo Hammer の指揮のもと、フランクリン研究所の社内特別プロジェクト チームによって作成されたものです。
教育工学部門からの特別プロジェクト チーム メンバーは、
Karen Elinich、Barbara Holberg、Margaret Ennis、Natasha Fedder、Jay Treat です。
キュレーター部門の特別プロジェクトチームメンバーは、
John AlvitiとAndre Pollackです。
プロジェクトのアドバイザリーボードメンバーは、
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger, and Susan Yoonです。