У истоков цифровой революции
«Во времена Белла и Голубицкого, – пишет М. С. Самарин, – телефон создавался по принципу: чем чувствительнее прибор, чем более естественно воспроизводится голос человека, тем лучше. О каких-либо других критериях тогда просто не думали». И лишь потом стало известно «более десятка параметров», от которых зависит телефонная связь[394].
По мере развития телефонизации на этом пути возникли те же самые проблемы, как и в телеграфии. Прежде всего, это касалось использования телефонных кабелей. Многое из того, что к этому времени было накоплено в телеграфии, затем использовалось в телефонной связи.
Однако очень быстро обнаружилось, что телефонная и телеграфная связь имеют не только много общего, но и существенные различия. Чтобы понять это, зададимся вопросом: почему первая телеграфная линия соединила Европу и Америку примерно через 34 года после изобретения электромагнитного телеграфа, а первая трансатлантическая телефонная линия появилась через 80 лет после создания телефона? И это несмотря на то, что в первом случае все приходилось начинать с чистого листа, во втором – можно было использовать опыт, накопленный в телеграфии.
В связи с этим следует обратить внимание, что, преодолевая сопро-тивление, электрические сигналы постепенно теряют первоначальную энергию и, если можно так сказать, угасают. Как совершенно верно отмечал Аннабел Додд, передачу электрических сигналов «можно сравнить с пропусканием воды через трубу. По мере того как водный поток несется по трубе все дальше, он все больше теряет свою силу»[395].
Это касается и телеграфа, и телефона.
Столкнувшийся с этой проблемой при прокладке первого трансатлан-тического телеграфного кабеля, В. Томсон (Кельвин) вывел формулу, кото-рая гласит: «Скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорцио-нальна квадрату его длины. Другими словами, если увеличить длину кабеля, например, в 10 раз, то скорость передачи уменьшится в 100 раз»[396].
В прохождении телеграфных и телефонных сигналов по кабелю существует принципиальное различие. Если телеграф может работать на частоте в 100–200 Гц[397], то для передачи речи требуется от 300 до 3400 Гц[398], т. е. почти в 20 раз больше.
Между тем «высочастотные сигналы затухают быстрее низкочастот-ных». Неслучайно, «когда мы слышим духовой оркестр на большом рас-стоянии, то до нас доносятся, прежде всего, звуки барабана, а не флейты»[399]. Следовательно, затухание телефонных сигналов во много раз выше телеграфных. А значит, для телефонной связи требуется в несколько раз больше электрической энергии, чем для телеграфной, и осуществление телефонной связи на дальнее расстояние связано с большими трудностями.
В книге уже упоминавшегося Артура Кларка приводится следующий пример: «Если бы для передачи по первому трансатлантическому телефонному кабелю использовали энергию всех существовавших на земле электростанций, то все равно уже через 370 км по длине кабеля, т. е. на расстоянии всего лишь одной десятой пути через Атлантику, передаваемую энергию трудно было бы обнаружить даже с помощью самых чувствитель-ных приборов»[400].
И хотя в данном случае мы, по всей видимости, имеем дело с преувеличением, главное заключается в том, что особенности телефонной связи первоначально делали невозможной прокладку телефонных линий на дальние расстояния.
Выход из этого положения открылся только после того, как в начале XX века американский физик – серб по национальности Михаил Пупин и датчанин Э. Краруп предложили использовать для увеличения дальности передачи повышение индуктивности телефонного кабеля и этой целью устанавливать на телефонных линиях специальные индуктивные катушки, способные усиливать проходящие по проводам электрические сигналы. Это позволило увеличить дальность передачи в несколько раз[401].
Однако, как установил английский физик Оливер Хэвисайд, индуктив-ность кабеля и его емкость (т. е. пропускная способность) находятся в обратной пропорциональной зависимости. Иначе говоря, повышение индуктивности сопровождается сокращением пропускной способности телефонного кабеля и наоборот[402].
В связи с этим начались поиски замены индуктивных катушек другими видами усилительных устройств.
Так в поле зрения специалистов по телефонии оказались электронные лампы, на основании которых в 1912–1913 гг. был создан так называемый регенератор (подробнее гл. 5). Возможности регенераторных усилителей удалось продемонстрировать в 1915 г., когда с их помощью была установ-лена трансконтинентальная телефонная связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско[403].
В том же году русский ученый В.И. Коваленков (1884–1960) продемонстрировал возможность использования в качестве усилителей специального устройства – реле[404].
«Реле (от франц. relais) – аппарат, приводимый в действие мало-мощным импульсом (телеграфный сигнал, параметр контролируемого процесса) и приводящий в действие, за счет энергии местного источника, более мощное устройство (приемник телеграфного аппарата, сигнальное устройство, орган управления, регулятор)»[405].
Несмотря на то, что подобные усилители появились в 1915 г., практическое их использование началось только в 20-е гг. после окончания Первой мировой войны[406]. И тогда же появилась идея сооружения телефонной линии между Европой и Америкой. Однако начавшийся в 1929 г. экономический кризис[407], а затем вспыхнувшая в 1939 г. Вторая мировая война отвлекли внимание от решения этой проблемы.
Между тем в это время произошло еще одно важное событие.
Если до 1930-х гг. использовали низкочастотные симметричные кабели, то в 1930-е гг. началось внедрение высокочастотных коаксиальных кабелей[408]. «Коаксиальный кабель (от лат. «сo» – совместно и «axil» – ось) – кабель, состоящий из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки»[409].
По некоторым данным, его еще в 1912 г. придумал профессор Электротехнического института П. Д. Войнаровский[410], а впервые решил использовать в 1934 г. русский ученый С. А. Щелкунов, эмигрировавший после гражданской войны в США[411].
Первой страной, которая воспользовалась возможностями, открывши-мися в области дальней телефонной связи, стал Советский Союз. В 1939 г. здесь вступила в строй на тот момент самая протяженная телефонная линия Москва–Хабаровск длиной 8500 км[412].
Только после этого был возрожден проект создании трансатлантичес-кой телефонной линии. В 1952 г. приступили к ее проектированию, в 1954 – к изготовлению кабеля. Основная работа по прокладке двух кабельных линий, получивших название ТАТ-1, была выполнена за время навигаций 1955 и 1956 гг. Длина ТАТ-1 превысила 3500 км. Официально трансатлантическая телефонная линия вступила в действие 25 сентября 1956 г.[413].
Вслед за этим был разработан проект создания глобальной телефонной линии, которая должна была иметь протяженность не менее 50 тыс. км. Цель названного проекта заключалась в том, чтобы объединить телефонные линии отдельных стран и компаний в общую глобальную систему. Его реализация началась в 1961 г. К середине 60-х гг. на планете было уже более 80 тыс. км телефонных линий[414].
Использование усилителей, хотя и открыло широкие перспективы для развития телефонной связи, в то же время породило новые проблемы. Дело в том, что усиление затухающих электрических сигналов сопровождалось одновременным усилением возникавших на телефонной линии помех.
Подобные помехи существуют и в телеграфных линиях, но они не влияют на содержание передаваемой информации, т. е. на сам набор электрических импульсов, с помощью которых кодируется телеграмма.
В связи с этим возникла идея после преобразования звуковых сигналов в электрические колебания передавать по телефонным линиям не сами эти колебания, а закодированную определенным образом информацию о них, с тем, чтобы на приемном пункте ее можно было раскодировать и преобразовать в первоначальные электрические колебания, а их – в звуковые сигналы[415]. Первым эту идею сформулировал сотрудник ИТТ Алек Ривс (A. H. Reeves) (1902–1971). В 1938 г. он взял патент на преобразование аналоговых телефонных сигналов в набор цифр, которое получило название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ)[416].
В конце 1940-х – начале 1950-х гг. независимо друг от друга во Франции, СССР и США был изобретен другой способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые, получивший название дельта-модуляции (ДМ)[417].
Несмотря на то, что идея ИКМ была запатентована в 1938 г., до ее практического осуществления прошло не одно десятилетие. Причина этого в том, что процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а затем цифровых в аналоговые требует особой точности, которой удалось добиться только благодаря математике.
Основу для математического решения данной проблемы заложил американский ученый Гарри Найквист (1889–1976), который в 1924 г. опубликовал статью, посвященную определению ширины частотного диапазона, требуемого для передачи информации, а в 1928 г. статью «Определенные проблемы теории телеграфной передачи», в которых математически доказал, что «число независимых импульсов, переданных в единицу времени без искажений, ограничено двойной шириной частотного диапазона канала связи»[418].
Независимо от Г. Найквиста к подобным же выводам пришел советский физик Владимир Александрович Котельников (1908–2005), доказавший, что «любой сигнал может быть восстановлен на приемной стороне, если частота тактовых импульсов вдвое и больше превышает высшую частоту передаваемого сигнала»[419]. Первая его публикация на эту тему появилась в 1933 г.[420].
Следующий шаг на этом пути сделал американский ученый Клод Эльвуд Шеннон (1916–2001). В 1945 г. он опубликовал работу «Теория связи в секретных системах», а в 1948 г. статью «Математическая теория связи». В этих и последующих своих работах К. Э. Шеннон заложил основу для создания технологии хранения, обработки и передачи информации. Окончательно свою теорему кодирования информации К. Э. Шеннон сформулировал в работах 1957–1961 гг. Согласно этой теореме, любой канал имеет свою предельную скорость передачи информации, получившую название «предел Шеннона»[421].
Однако, как отмечают специалисты, «в работах К. Шеннона не было предложено конкретных инженерных решений»[422]. Поэтому своими работами он заложил лишь основание для дальнейших поисков, которые велись одновременно в разных странах.
Раньше всего практические результаты в решении данной проблемы удалось получить во Франции, где, по одним данным, в 1970 г.[423], по другим – в 1974 г. была открыта первая опытная цифровая АТС[424].
Так был дан старт «цифровой революции», которая сначала захватила телефонную, а затем другие средства связи.
Оптико-волоконная связь
Тогда же, в 70-е гг., новые возможности в развитии средств связи открыло изобретение лазера.
Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER) – это усилитель света посредством индуцированного излучения, «устройство, в котором энергия, например, тепловая, химическая, электри-ческая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерного луча»[425].
Возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн А. Эйнштейн предсказал еще в 1916 г. в статье «Квантовая теория излучения»[426].
Опираясь на работы своих предшественников, советские ученые Николай Геннадиевич Басов (1922–2001)[427] и Александр Михайлович Прохоров (1916–2002)[428], а также американский ученый Чарльз Хард Таунс (1915–1995)[429] заложили основы для практической реализации этой идеи.
В 1957 г. выпускник Колумбийского университета Гордон Голд сформулировал принципы работы интенсивного источника света[430], а в 1960 г. американский физик Теодор Мейман (1927–2007) создал первый подобный прибор, получивший название лазер[431].
Почти сразу же обнаружилось, что лазер может быть использован в самых разных сферах человеческой жизни, в том числе как носитель информации. Но хотя «возможности лазерного излучения для передачи информации в 10 тыс. раз превышают возможности радиочастотного излучения», обнаружилось, пишет Д. Д. Стерлинг, что он «не вполне пригоден» «для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу такого рода линии существенно влияют туман, смог и дождь, равно как и состояние атмосферы. Лазерному лучу гораздо проще преодолеть расстояние между Землей и Луной, чем между противоположными границами Манхеттена»[432].
В связи с этим особое значение имело сделанное в 1966 г. пред-ложение двух исследователей Чарльза Као и Чарльза Хокхэма из английской лаборатории телекоммуникационных стандартов использовать для защиты лазерного луча стеклянные волокна, которые к тому времени уже нашли применение в эндоскопии[433].
Чтобы понять смысл этого предложения, необходимо учесть сле-дующее обстоятельство. Обычно свет распространяется по прямой линии. Однако если мы проследим путь солнечного луча, уходящего в воду, то заметим, что при переходе из одной среды в другую, он отклоняется от первоначального направления. А если поместить источник света в воде, обнаружится, что на границе воды и воздуха луч света раздвоится, один выйдет наружу, другой, отразившись от верхнего слоя воды, вернется опять вглубь.
Используя это явление, французские физики Жак Бабине (Jacques Babinet) (1794–1872) и Даниэль Коллодон (Daniel Collodon) проде-монстрировали в 1840 г. фонтан, в котором лучи света, направленные внутрь фонтанных струй, изгибались вместе с ними, придавая им светящийся характер[434].
Используя этот эффект, английский физик Джон Тиндалл (1820–1893) в 1854 г. продемонстрировал возможность управления светом[435], а в 1870 г. доложил о результатах своих опытов на собрании Королевского обще-ства[436].
В 1920 г. два английских ученых Джон Бэйрд (John Baird) и Кларенс Ханселл (Clarence Hansell) предложили использовать прозрачные стержни для передачи изображений[437]. Такую возможность через несколько лет продемонстрировал студент-медик из Мюнхена Генрих Ламм (Lamm)[438]. А в 1934 г. инженер АТТ Норман Френч запатентовал проект передачи по стеклянному волокну сигналов связи[439].
Однако эта проблема привлекла к себе внимание только после того, как в 1954 г. преподаватель Технического университета голладского города Дельфт Абрахам ван Хеел (Abraham van Heel) и два сотрудника Лондон-ского Королевского научно-технического колледжа Гарольд Хопкинс (Harold Hopkins) и Нариндер Капани (Narinder Kapany) независимо друг от друга поделились на страницах английского журнала «Nature» своим опытом передачи изображений с помощью оптического волокна[440]. Именно Н. Капани в 1956 г. ввел в употребление термин «волоконная оптика»[441].
Через некоторое время А. ван Хеел усовершенствовал это изобре-тение. Он покрыл стеклянные волокна прозрачной оболочкой с более низким коэффициентом преломления и тем самым сделал почти невозможным рассеивание света за пределами световода[442]. Но создаваемое таким образом оптическое волокно имело очень высокий коэффициент затухания[443].
Ситуация стала меняться после того, как в 1966 г. два уже упоминав-шихся ученых Чарльз Као и Чарльз Хокхэм установили, что коэффициент затухания зависит от степени прозрачности стекла и что для использования оптического волокна в средствах связи необходимо, чтобы коэффициент затухания передаваемых сигналов был ниже 20 дБ/км[444].
Одновременно, как уже отмечалось, именно Чарльз Као и Чарльз Хокхэм предложили использовать оптическое волокно для передачи информации с помощью лазера.
Первоначально коэффициент затухания достигал 1000 дБ/км[445].
Но уже «в 1970 г., – пишет Д. Стерлинг, – Роберт Маурер со своими коллегами из Corning Glass Works получил первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км. К 1972 г. в лабораторных условиях был достигнут уровень в 4 дБ/км», «в настоящее время лучшие волокна имеют уровень потерь в 0,2 дБ/км»[446].
Таким образом, в 70-е гг. открылась возможность использования оптического волокна для передачи информации на большие расстояния. Первыми обратили на это внимание военные. Уже в 1973 г. Пентагон стал использовать оптико-волоконную связь на борту корабля Little Rock., а в 1976 г. – в авиации[447].
Тогда же, в 1976–1977 гг., в США и Великобритании были построены первые опытные линии оптико-волокнной связи[448]. Как отмечает Д. Стер-линг, они сразу же «превзошли по своим характеристикам считавшиеся ранее незыблемыми стандарты производительности, что привело к их бурному распространению в конце 70-х и начале 80-х гг. В 1980 г. AT&T объявила об амбициозном проекте волоконно-оптической системы, связы-вающей между собой Бостон и Ричмонд», который вскоре был реализован и продемонстрировал преимущества нового вида связи[449].
«К 1980 г., – пишет Д. Л. Шарле, – в области проводниковой связи произошла подлинная техническая революция. Классический проводнико-вый материал – медь – начал уступать место столь же классическому изоля-ционному материалу – стеклу»[450]. На самом деле правильнее будет сказать, что с 1980 г. революция в этой сфере средств связи только началась.
В 1985 г. были проложены две первые морские коммерческие линии из оптического кабеля длиной 120 и 420 км[451]. 14 декабря 1988 г. начал действовать первый трансатлантический телефонный кабель с использова-нием волоконной оптики. «Этот кабель позволил вести телефонные перего-воры 40 тыс. абонентов одновременно, что в 3 раза превышает объем трех существующих медных кабелей. В апреле 1989 г. начал функционировать волоконно-оптический кабель, проложенный через Тихий океан, связавший США с Японией»[452].
К 1990 г. протяженность каналов волоконно-оптической связи только в США достигла 5 млн миль[453].
«В настоящее время, – констатировали на рубеже XX–XXI вв. Д. Нэсбитт и П. Эбурдин, – с помощью волоконной оптики установлена связь между Северной Америкой, Европой, Азией и Австралией. Общая протяженность волоконно-оптических кабелей составляет более 16 млн миль»[454].
Глава 5. Радио
Изобретение радио
В 1995 г. мировая научная общественность отметила 100-летие радио,[455] создателем которого считается русский ученый Александр Степанович Попов[456].
Между тем в зарубежной литературе распространено мнение, будто радио изобрел итальянский инженер Гульельмо Маркони (1874–1937)[457]. Это мнение можно встретить и на страницах нашей печати[458].
Кто же прав?
Прежде всего, следует отметить, что появление радио было подготов-лено усилиями многих ученых XIX в.
Особое значение в этом отношении имело открытие электрического поля и электромагнитной индукции. Исходя из этого, М. Фарадей (1791–1867) высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн[459], а Джеймс Максвелл (1831–1879), экспериментально доказал, что постоянный электрический ток создает постоянное электрическое поле, а переменный ток – переменное[460] и теоретически обосновал гипотезу М. Фарадея о существовании электромагнитных волн или же электромагнитного излучения[461].
Согласно его теории, электромагнитные волны – это «распространяю-щееся во все стороны возмущение электромагнитного поля», происходящее под влиянием переменного тока[462]: «переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое в свою очередь создает переменное магнитное поле и т. д.». В результате этого возникает «цепочка переменных полей», которая и «представляет собою электромагнитную волну»[463].
Для экспериментальной проверки этой теории немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) создал устройство, состоявшее из двух элементов: вибратора и резонатора. Вибратор, игравший роль «возмутителя» электрического поля, состоял из двух проводников, расположенных друг против друга почти встык таким образом, что между ними оставался лишь небольшой зазор. На ближних концах проводников находились небольшие шарики, на дальних – большие металлические шары или же распо-ложенные перпендикулярно к проводникам металлические пластины. К вибратору был подключен трансформатор, в качестве которого исполь-зовалась индукционная «катушка Румкорфа»[464].
Трансформатор – это аппарат, позволяющий преобразовывать пере-менный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения[465]. Созданная в 1851 г. «катушка» немецкого физика Генриха Даниэля Румкорфа (1803–1877)[466] – это «повышающий трансформатор с большим коэффициентом трансформации и прерывателем в первичной цепи, позво-ляющий, питая первичную обмотку постоянным током низкого напря-жения, получать во вторичной обмотке очень высокое напряжение»[467].
Когда замыкалась электрическая цепь, напряжение в ней начинало расти и в зазоре между проводниками возникал разряд. А поскольку электрический разряд имел прерывистый характер, то вокруг вибратора возникало переменное электрическое поле. Задача, которую поставил перед собою Г. Герц, заключалась в том, чтобы установить, как колебания этого поля распространяются в пространстве и действительно ли они имеют волновой характер.
Чтобы уловить эти изменения Г. Герц установил рядом с вибратором резонатор – небольшую металлическую петлю с просветом. Как только вибратор начинал искрить, искрение возникало и в резонаторе: и в том случае, если резонатор был связан электрической цепью с вибратором, и в том случае, если он никак не был связан с ним.
Перемещая резонатор в пространстве в разные стороны, Г. Герц уста-новил, что а) изменения магнитного поля распространяются от вибратора по всем направлениям, б) если в одном и том же режиме использовать несколько вибраторов, резонатор начинает искрить сильнее, в) если между вибратором и резонатором поставить металлическую преграду, исходящие от вибратора электромагнитные импульсы будут отражаться от нее. На основании этого и некоторых других наблюдений был сделан вывод, что от вибратора исходят электромагнитные импульсы, имеющие волновой харак-тер, и что скорость их распространения равна скорости света[468].
Получив такой результат, Г. Герц начал отодвигать резонатор от вибратора. Когда резонатор переставал действовать, исследователь пред-принимал меры, чтобы усилить действие вибратора или повысить чув-ствительность резонатора.
В результате, если до этого влияние магнитного поля устанавливалось опытами на расстоянии нескольких сантиметров от проводника, Г. Герцу удалось добиться, чтобы его резонатор мог работать на удалении в несколько метров от вибратора[469].
И хотя максимальное расстояние, на котором ему удалось зафик-сировать распространение электромагнитных волн не превышало 20 м[470], уже в конце 80-х – начале 90-х гг. XIX в. была высказана мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи информации на расстояние[471].
В связи с этим начались эксперименты, цель которых заключалась в том, чтобы увеличить дальность регистрации электромагнитных волн.
Исходя из давно установленного факта, что воздействие магнита находится в обратной пропорциональной зависимости от размера находя-щегося в магнитном поле предмета, французский медик Эдуард Бранли (1846–1940), занимавшийся электротерапией, решил использовать для обнаружения электромагнитных волн металлические опилки[472].
При этом он опирался на опыты, уже проведенные к тому времени итальянским ученым Ф. Кальцески-Онести[473].
Сконструированный Э. Бранли в 1890 г. резонатор представлял собою стеклянную трубку, в которую были впаяны два металлических стержня, внешние концы, которых были соединены между собой, а внутренние – разъединены. Воспринимая электромагнитные волны с внешней стороны, оба стержня накапливали электрические заряды до тех пор, пока внутри трубки не возникал электрический разряд. Для обнаружения его использовались находившиеся между двумя стержнями металлические опилки, которые при прохождении через них электрического заряда начинали искрить[474].
Однако «трубка Бранли» имела два важных недостатка.
Хотя с помощью железных опилок изобретатель смог улавливать более слабые электромагнитные волны, чем резонатор Г. Герца, однако добиться сколько-нибудь значительного увеличения расстояния ему не удалось.
Другой недостаток заключался в том, что после возникновения электрического разряда опилки намагничивались, между двумя электро-дами устанавливалась постоянная связь, и прибор переставал искрить, т. е. выходил из строя как индикатор электромагнитного излучения. Чтобы он продолжал действовать в таком качестве, его необходимо было периодически встряхивать.
В начале 90-х гг. подобными опытами занимались и другие исследователи, из которых наибольших успехов добился английский физик Оливер Джозеф Лодж (1851–1940), усовершенствовавший в 1894 г. «трубку Бранли» и назвавший ее когерером [475].
Во-первых, О. Лодж подключил к когереру звонок, в результате чего о приеме электромагнитной волны можно было судить не только по искрению опилок, но по звуковому сигналу[476].
Во-вторых, О. Лодж создал устройство, которое через определенный интервал времени, регулируемый часовым механизмом, приводило в движение молоточек, периодически ударявший по когереру и встряхивав-ший его. Но поскольку действие часового механизма не зависело от про-хождения тока, это хотя и давало возможность восстанавливать работу ко-герера, но не позволяло сделать процесс улавливания электромагнитных волн непрерывным или постоянным[477].
Впервые эту проблему решил русский ученый А. С. Попов.
Александр Степанович Попов (1859–1905) родился 4/16 марта 1859 г. на Урале в семье священника в Верхотурском уезде Пермской губернии[478].
Закончив Екатеринбургское духовное училище и Пермскую духовную семинарию, он в 1877 г. сдал экзамены за курс гимназии и поступил на физико-математический факультет Петербургского университета. Здесь его внимание привлекла совершенно новая отрасль – электротехника. Закончив в 1883 г. университет, он защитил диссертацию на тему «О принципах магнито- и динамоэлектрических машин» и стал преподавателем первого в России электротехнического учебного заведения – Кронштадтского минного офицерского класса[479].
25 апреля/7 мая 1895 г. на заседании Русского Физико-химического общества А. С. Попов сделал доклад и продемонстрировал устройство, по-хожее на устройство О. Лоджа, но имеющее одно очень важное допол-нение[480]. А. С. Попов не просто подключил к когереру звонок, но и «при-вязал» его к общей электрической цепи таким образом, что, приходя в действие во время намагничивания опилок, молоточек звонка встряхивал когерер. Это позволило сделать процесс улавливания электромагнитных волн непрерывным или постоянным. В результате открылась возможность практического использования электромагнитных волн для передачи информации на расстояние[481].
Летом того же 1895 г. А. С. Попов использовал для приема электромаг-нитных волн специальное устройство – антенну[482].
«Антенна – …часть радиоустановки, излучающая (передающая) или извлекающая энергию из поля радиоволн (приемная…)… В приемной антенне под действием радиоволн возникает электрический ток, подводи-мый к радиоприемнику»[483].
Итак, антенна – это проводник, который излучает или воспринимает электромагнитные волны.
Вопрос о том, кто изобрел антенну, является открытым.
Если исходить из приведенного определения, то вибратор Г. Герца представлял собой передающую антенну, а резонатор – принимающую. Но и Г. Герц в этом отношении не был первым. Еще в 1700 г. английский исследователь Уолл высказал догадку об электрическом характере грозы [484], а в 1750 г. американский физик Б. Франклин создал для улавливания грозовых разрядов молниеотвод[485], по существу представлявший принимающую антенну.
Первыми, кто осознанно поставили вопрос об использовании антенны как специального устройства для трансляции и приема электромагнитных волн, были Э. Бранли (1891)[486] и Н. Тесла (1893)[487].
Таким образом, используя антенну, А. С. Попов шел по пути, намеченному его предшественниками.
Летом 1895 г. он дополнил свое устройство приемным механизмом телеграфного аппарата С. Морзе, позволившим фиксировать момент прохождения электрического разряда через когерер (а значит, момент замыкания электрической цепи) на телеграфной ленте в виде «штрихов»[488].
Так был сделан первый шаг на пути радиотелеграфирования.
Для того чтобы сделать второй шаг, необходимо было включить в передающее устройство телеграфный ключ, с помощью которого можно было бы управлять излучаемыми в пространство электромагнитными вол-нами. Одним из первых такую идею высказал О. Лодж[489]. Однако найти техническое решение этой проблемы ему не удалось.
Первую радиотелеграмму сумел передать А.С. Попов. По одним дан-ным, это произошло 12/24 марта 1896 г.[490], по другим – в 1897 г.[491]
Так завершилось создание радиотелеграфа.
Г. Маркони узнал об открытии электромагнитных волн в 1894 г., когда еще был студентом. Оно настолько увлекло его, что, получив консультацию итальянского ученого А. Риги, он, воспользовавшись вибратором Г. Герца и «трубкой Бранли», начал конструировать собственный аппарат, с помощью которого смог передать на расстояние сигнал, позволивший ему, как и А. С. Попову, включить электрический звонок[492].
«Удивительно, – пишет М. П. Бронштейн, – до чего были похожи эти первые опыты Маркони на те опыты, которые одновременно с ним делал профессор Попов. Попов не знал ничего о Маркони, Маркони ничего не знал о Попове, но оба они – русский профессор, и итальянский студент – в одно и то же время одним и тем же способом решали одну и ту же задачу. Попов заставил электромагнитные волны звонить, – то же самое сделал и Маркони. У Попова молоточек звонка встряхивал стеклянную трубку с опилками – и той же работой был занят молоточек звонка в приборе Маркони. Попов соединил свой приемник с вертикальным проводом – антенной, и Маркони тоже додумался до антенны. Все, что в лаборатории Кронштадтского Минного класса изобрел профессор Попов – все это независимо от Попова в далекой Италии, в деревне Понтеккио, в усадьбе Вилла Граффона, изобрел и молодой итальянский студент»[493].
Однако, что представлял собою аппарат Г. Марконипервоначально, мы не знаем. Отсутствуют документальные данные и о том, когда он начал свои опыты, и каковы были их результаты. Все, что нам известно на этот счет, исходит из уст самого изобретателя, его помощника и слуги. Причем их свидетельства на этот счет были сделаны по прошествии многих лет после описываемых событий[494].
Но даже, согласно этим свидетельствам, к своим опытам Г. Маркони приступил лишь весной 1895 г.[495]. К лету того же года, по свидетельству изобретателя, он дополнил свой аппарат антенной и смог передать сигнал на расстояние в 1,5 мили[496].
Между тем подобный аппарат А. С. Попова существовал уже к весне 1895 г., когда он публично поделился первыми результатами его испытания. Позднее профессор А. Риги сообщил, что его ученику в 1895 г. были известны опыты А.С. Попова.
Признал данный факт и сам Г. Маркони, который лишь 2 июня 1896 г. в Англии подал заявку на изобретение под названием «Улучшения в передаче электрических импульсов и сигналов, а также в устройстве для этого предназначенном», 2 марта 1897 г. он внес в нее уточнения и 2 июля 1897 г. получил английский патент[497]. Уже одно название заявки Г. Маркони говорит о том, что его изобретение заключалось не в создании, а в усовершенствовании радиопередающего и радиоприемного устройств[498]. Что же касается первой радиотелеграммы, то ее Г. Маркони сумел передать не ранее 1901 г.[499]
Поэтому предпринимавшиеся и предпринимающиеся попытки объявить его изобретателем радио не имеют под собою оснований[500].
Неслучайно поэтому 100-летие радио мировая научная общест-венность отмечала в 1995 г. и чествовала в качестве его создателя не Г. Маркони, а А. С. Попова.
Освоение радиоэфира
После того как появилось радио, началось освоение эфира.
В 1896 г. Г. Маркони передал радиосигнал на расстояние более 3 км[501]. В 1897 г. А. С. Попову удалось увеличить этот показатель до 5 км[502], а Г. Маркони до 27 км[503]. В 1899 г. А.С. Попов осуществил радиосвязь на расстоянии 28 км, в 1900 г. – 47 км.[504]
Если А.С. Попов использовал для своих опытов поддержку государства, то Г. Маркони – частного капитала. Уже в 1897 г. возникла английская фирма «Маркони и К»[505].
Сумев привлечь к своему делу большие средства, Г. Маркони 27 марта 1899 г. осуществил радиопередачу через Ла-Манш (около 50 км)[506], а в 1900 г. увеличил дальность передачи до 250 км[507].
Одна из причин успеха Г. Маркони была связана с использованием им антенных устройств. Достаточно сказать, что Ла-Манш он штурмовал с помощью целой группы антенн высотой почти в 50 м[508].
Но дело заключалось не только в их количестве и высоте.
Г. Маркони обратил внимание на изобретения немецкого физика, будущего лауреата Нобелевской премии Фердинанда Брауна и сразу же взял их на вооружение[509].
Если до этого антенна непосредственно включалась в электрическую цепь, Ф. Браун поставил между антенной и генератором электромагнитных волн трансформатор, позволивший увеличивать напряжение. Именно он включил в цепь еще одно важное устройство – конденсатор, который с тех пор стал обязательным элементом всех радиопередающих устройств [510].
Кроме того, Ф. Браун предложил использовать «направленный пере-датчик» и «направленный приемник», чтобы период колебаний передаю-щего устройства совпадал с периодом колебаний приемного устройства: когда передающая станция и приемное устройство настроены на одну частоту, резонанс колебания передающей станции способен вызывать в приемном устройстве максимальный эффект[511].
Наконец, Ф. Браун едва ли не впервые вместо когерера использовал кристаллический детектор (предшественник транзистора)[512].
Таким образом, пока А. С. Попов еще делал первые опыты, радиотехника быстрыми шагами шла дальше.
В 1903 г. состоялась Первая международная конференция по «беспро-водной телеграфии». На этой конференции было принято решение называть этот вид электросвязи «радиотелеграфом»[513]. В том же году Международный союз электросвязи принял первый «Регламент радиосвязи (РР)»[514].
Для понимания того, как происходило освоение радиоэфира, необхо-димо учитывать, что существует довольно большой спектр радиоволн, характеризующихся такими понятиями, как длина и частота. Что такое частота, уже говорилось ранее. Длина волны – это «расстояние, на которое распространяется энергия за время одного колебания»[515] или «расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах»[516]. Из этого вытекает, что длина волны находится в обратной пропорциональной зависимости от частоты. Иначе говоря, чем ниже частота, тем длиннее волна. И наоборот: чем выше частота, тем короче волна (табл. 1).
Таблица 1
Спектр радиочастот
| Частота | Наименование | Длина волны | Наименование |
| 3–30 кГц | Очень низкая | 10–100 км | Очень длинные |
| 30–300 кГц | Низкая | 1–10 км | Длинные |
| 300–3000 кГц | Средняя | 100–1000 м | Средние |
| 3–30 МГц | Высокая | 10–100 м | Короткие |
| 30–300 МГц | Очень высокая | 1–10 м | Очень короткие |
| 300–3000 МГц | Ультравысокая | 10–100 см | Ультракороткие |
| 3000–30000 МГц | Сверхвысокая | 1–10 см | Сверхкороткие |
| Более 30000 МГц | Крайне высокая | Менее 1 см | Крайне короткие |
Источник. Косиков К. М. Развитие знаний в области распространения и применения радиоволн // Очерки истории радиотехники. С. 303.
Освоение радиоэфира происходило следующим образом: «…Если Герц проводил свои опыты на метровых волнах, то первая транс-атлантическая связь была установлена (Маркони, 1901) на волне 366 м. В 1902 г. для устойчивой радиотелеграфной связи использовалась длина волны 1100 м, в первой коммерческой линии связи Ирландия–Нью-Фаунленд, открывшейся в 1907 г., длина волны равнялась 3560 м. К концу Первой мировой войны длина волновой разности возросла до 20–25 км»[517].
Первоначально считалось, что дальность распространения радиоволн находится в прямой зависимости от их длины. В связи с этим, как конста-тируют авторы «Очерков истории радиотехники», получило «применение более длинных волн и тем самым более высоких и сложных антенн, а также более мощных передатчиков»[518]. По этой же причине в «первые 20 лет развития радио ученые и инженеры полагали, что радиоволны с частотой выше 200 кГц непригодны для радиовещания, и до 1922 г. их было разрешено использовать для любителей связи»[519].
Между тем к концу Первой мировой войны почти весь спектр сверхдлинных, длинных и даже средних волн оказался заполненным, что стало создавать взаимные помехи[520].
И тут обнаружилось, что радиолюбители, работавшие на коротких волнах, могут связываться между собою, несмотря на сотни и тысячи кило-етров, которые их разделяли. Особый резонанс получил сеанс радиосвязи шотландских и американских радиолюбителей в 1921 г.[521]
Изучение этих фактов привело к выводу, что характер распростране-ния волн вдоль поверхности Земли и волн, направленных в пространство, различен. Если первые очень быстро затухают, то вторые, отражаясь от верхних слоев атмосферы, а затем от земной поверхности (причем неодно-ратно), могут распространяться на более значительные расстояния[522].
В 1922 г. советский физик М. В. Шулейкин создал теорию дисперсии коротких волн в однородной ионизированной среде[523]. Дисперсия волн – от лат. dispersio, рассеивание – зависимость показателя преломления, т. е. скорости распространения волн в веществе, от длины волны (частоты)[524].
Изучение этого явления открыло возможность для использования коротких и ультракоротких волн, которое началось в середине 20-х гг.[525]
Но чем больше становилась дальность радиопередач, тем сильнее ощущалось такое явление, как затухание радиоволн по мере удаления их от передающего устройства.
В связи с этим усилия ученых были направлены на решение двух проблем: а) создание более сильных генераторов тока; б) совершенство-вание передающих и приемных устройств.
«Переход к использованию незатухающих колебаний произошел в радиотехнике постепенно и занял около десятилетия (1905–1915). За это время было разработано несколько методов генерирования незатухающих колебаний с помощью уже известных в технике устройств: электрической дуги, электрических машин повышенной частоты и посредством нового прибора – электронной лампы»[526].
Особую известность получил дуговой генератор датского инженера, изобретателя магнитофона Вальдемара Паульсена (1869–1942), созданный в 1902 г.[527]. Одновременно начали использоваться машинные генераторы переменного тока. В этом отношении больших успехов добился русский ученый В. П. Вологдин[528]. Подобные генераторы имели мощность в сотни киловатт и весили десятки тонн.
Долгое время важным препятствием на пути развития радиосвязи была малая чувствительность радиоприемников. Эту проблему удалось решить с помощью радиоламп.
С незапамятных времен человеку был известен факт превращения электричества в свет (грозовые молнии, северное сияние), но долгое время он не понимал природы этих явлений. Впервые на связь электричества и света было обращено внимание в конце XVII в. Производя опыты, О. Герике обнаружил, что наэлектризованный им шар из серы в темноте начинает светиться[529]. В 1698 г. англичанин Уолл сумел получить электрическую искру[530] и в 1708 г. поведал об этом в печати[531].
В XVIII в., особенно после того, как был создан конденсатор и изобретен дисковый генератор статического электричества, получение искры стало обычным явлением. С ее помощью удалось зажечь нефть, порох, спирт, фосфор[532].
Экспериментируя с электричеством, живший в XVIII в. американский изобретатель Э. Киннерски (р. 1712) заметил, что под влиянием электричества проводник может не только нагреваться, но и раскаляться[533], а в начале XIX в. А. Вольта обратил внимание, что при сильном токе тонкая медная проволока не только раскаляется, но и перегорает[534].
На основе этих и других наблюдений была создана первая электрическая лампа накаливания и началось ее совершенствование. В 1838 г. бельгиец Аброус-Марселин Жобар (Jean-Baptiste-Ambroise-Marcellin Jobard) (1792–1861) предложил использовать для нити накаливания уголь. Это позволило значительно удешевить лампу, но она очень быстро перегорала[535].
В 1878 г. продлением срока службы этих электрических ламп занялся
Т. А. Эдисон. В связи с этим он обратил внимание, что во время их работы стекло изнутри начинает чернеть за исключением той его части, которая находится возле нити накаливания, соединенной с положительным элек-тродом. Сделав из этого вывод, что почернение происходит в результате выделения мельчайших частиц угля, из которого была изготовлена нить накаливания, Т. А. Эдисон ввел внутрь еще один электрод. При этом он за-метил, что если этот электрод соединить «с положительным концом нити» накаливания, то возникал электрический ток, если «электрод был соединен с отрицательным концом, то никакого тока не было». Так в 1883 г. было открыто явление, которое получило название «эффекта Эдисона»[536].
Этот эффект сразу же привлек к себе внимание других ученых. Одним из них был английский физик Джон Амброуз Флеминг (1849–1945), который с 1882 по 1895 гг. работал консультантом в фирме Т.А. Эдисона, а с 1899 г. в фирме Г. Маркони. Уже в 1883 г. он выступил с докладом на тему «Явление молекулярной радиации в светящихся лампах»[537].
Изменяя форму нити накаливания и вводимого электрода, а также их расположение внутри лампы и соотношение между собой, Д. А. Флеминг обнаружил, что таким образом можно регулировать то, что он называл «молекулярной радиацией» (на самом деле выделение электронов) и оказывать влияние на протекание тока в электродах, с которыми была связана нить накаливания.
В результате Д. А. Флемингу удалось использовать «лампу Эдисона» и для приема радиоволн вместо когерера, и для выпрямления переменного тока, и для преобразования высокочастотных электрических колебаний в низкочастотные, т. е. в качестве демодулятора или же детектора. 16 ноября 1904 г. Д. А. Флеминг подал заявку на свое изобретение, получившее название диода, т. е. двухэлектродной лампы, и в следующем году получил патент[538].
Продолжая эти опыты, американский физик Ли де Форест (1873–1961) обернул лампу фольгой и обнаружил, что приемник стал чувствительнее к радиоволнам. Тогда он решил поместить «фольгу» внутрь лампы и с этой целью ввел в нее еще один электрод, который изготовил в виде сеточки и установил над диодом. Чувствительность радиоприемника стала еще боль-ше. Так был создан новый вид электронной лампы, получивший название триода. Заявка на него была подана в 1906 г., патент получен в 1907 г.[539].
Триод открыл новые возможности не только для приема, но и для генерирования радиоволн. Правда, хотя он и был способен генерировать колебания электромагнитных волн, он не мог устранить их затухающего характера. В связи было предложено усовершенствовать его таким образом, чтобы электрический сигнал с выхода усилительной лампы возвращался обратно на вход, увеличивая тем самым до определенного предела ее мощность. Это явление получило название регенерации, а усовершенствованный триод – регенератора[540].
В литературе можно встретить разные мнения относительно авторства этого изобретения, но, по всей видимости, правы те, кто считает, что регенеративную схему триода в 1912–1913 гг. независимо друг от друга предложили сразу же несколько человек (Эдвин Говард Армстронг, Ирвинг Лэнгмюр, Александр Мейснер, Ли де Форест и др.)[541].
В 1913 г. сотрудник немецкой фирмы Телефункен Александр Мейснер (Meissner) создал первый ламповый радиопередатчик[542], открывший начало новой эпохи – эпохи электроники.
Значение электронной лампы заключалось не только в том, что она позволила улучшить прием радиосигналов, не только в том, что она представляла собою более дешевый генератор электромагнитных волн, но и в том, что позволила генерировать и принимать короткие и ультракороткие волны.
С середины 20-х гг. начался переход от сверхдлинных, длинных и средних волн к коротким и ультракоротким волнам.
Радиолокация
Еще Г. Герц установил, что электромагнитные волны отражаются от встречающихся на их пути металлических предметов. С этим же фактом в 1897 г. во время своих экспериментов столкнулся А. С. Попов. Но ни тот ни другой не придали этому явлению особого значения[543].
Первым, кто сделал это, был Н.Тесла. В 1900 г. он не только указал на возможность с помощью радиоволн определять местоположение объектов, а также скорость и направление их перемещения, но и предложил методику этого[544]. Тем самым был заложен первый камень в основание того, что позднее получило название радиолокации.
Локация (от лат. locatio – размещение, распределение) – это «опреде-ление местонахождения целей (объектов) по сигналам (например, звуковым и электромагнитным волнам), излучаемым целями (пассивная локация) или отраженным от них сигналам(активная локация)»[545].
«Расстояние до объекта измеряется путем определения t (времени – А.О.), необходимого для прохождения радиоволнами расстояния от пункта наблюдения до объекта (прямая волна) и обратно (отраженная волна)»[546].
Первым попытался реализовать эти идеи на практике немецкий инженер Христиан Хюльсмайер. В 1904 г. он запатентовал устройство «для предотвращения столкновения морских судов с помощью радиосвязи»[547], в 1905 г. получил патент на «способ обнаружения металлических предметов по отражаемым ими радиоволнам», а в 1906 г. – патент на «способ определения расстояния до отражающего объекта»[548].
И хотя газеты с восторгом сообщили об этом изобретении, спроса на него не последовало. Во многом это объясняется тем, что «лучшее отражение происходит при условии, что длина волны равна или (что еще лучше) меньше размеров отражающего объекта». Между тем, как мы уже знаем, в начале XX в. использовались главным образом средние, длинные и сверхдлинные, волны[549].
Была и другая причина. Она заключалась в том, что современники не видели возможности практического применения этого открытия. Говорят, когда Х. Хюльсмайер предложил использовать свое устройство для повы-шения безопасности пароходного движения во время тумана, ему ответили, что пароходные гудки не менее эффективны и к тому же намного дешевле.
Не привлекло к себе внимание деловых кругов подобное же устройство Х. Лёви и Т. Леймбаха, запатентованное в 1912 г. и предназ-наченное для геологоразведок с помощью радиоволн[550], а также эксперименты, проведенные в 1922 г. в целях демонстрации возможностей радиолокации американскими инженерами Э. Тейлором и Л. Юнгом[551].
И только после того, как в 1924 г. будущий лауреат Нобелевской премии Эдуард Эпплтон (1892–1965) и его аспирант и М. Барнет с помощью радиоволн смогли экспериментально доказать существование ионосферы и измерить ее высоту (слой Хэвисайда)[552], на радиолокацию обратили серьезное внимание.
К этому времени спрос на радиолокацию стала предъявлять армия. Он был связан с бурным развитием военной авиации, которая вызвала к жизни противовоздушную оборону.
Первоначально для этого использовались посты визуального наблюде-ния, оснащенные телефонами. В связи с тем, что к 1930 г. скорость бомбар-дировщиков составляла 150–200 км/ч, подобные посты располагались вокруг наиболее крупных городов в радиусе около 150 км [553].
При таком радиусе протяженность только одного кольца ПВО достигала 1000 км и на каждое из них приходились десятки наблюдательных пунктов. Если принять во внимание хотя бы три кольца ПВО на один город и взять только крупнейшие города ведущих стран мира, окажется, что для создания защищающей их системы ПВО требовались тысячи наблюдательных пунктов, много людей и большие денежные расходы.
Между тем 30-е гг. характеризовались не только бурным развитием авиационной промышленности, но и совершенствованием авиации. Доста-точно отметить, что к 1940 г. скорость бомбардировщиков увеличилась до 400 км/ч[554]. В связи с этим и возник спрос на радиолокацию. Раньше всех, уже в 1931 г. к разработке радиолокационной системы ПВО приступили США[555]. Однако, хотя американские инженеры Э. Тейлор и Л. Юнг взяли патент на подобное устройство, получившее название радар (RADAR – Radio Detection аnd Ranging) в 1933 г.[556], а английский инженер, потомок знаменитого Джеймса Уатта – Роберт Александр Ватсон-Ватт (Robert Alexander Watson-Watt) (1892–1973) в 1934 и 1935 гг.[557], первая радио-локационная станция (РЛС) в 1935 г. была построена в Великобритании. «Она, – пишет К. Рыжов, – работала в диапазоне волн 10–13 м и имела дальность действия 140 км при высоте полета самолета 4,5 км. В 1937 г. на восточном побережье Англии было установлено уже 20 таких станций. В 1938 г. все они приступили к круглосуточному дежурству, продолжавше-муся до конца войны»[558].
В самом общем виде работа РЛС сводится к следующему.
Периодически она посылает в пространство электромагнитные волны, которые, встретив на своем пути препятствие в виде определенного объекта, отражаются от него и возвращаются обратно. Зная скорость распространения радиоволн, можно определить расстояние между РЛС и наблюдаемым объектом[559].
Первые радары были несовершенны: они имели большие размеры, работали на волнах длиной 10–15 м, распространявшихся в довольно узком диапазоне, и могли обнаруживать самолеты не ниже 100 м[560]. Несмотря на это, уже в 1940 г. радиолокация продемонстрировала свое значение. Когда Германия начала массированные бомбардировки Британских островов, то за четыре месяца она потеряла более 3000 самолетов, из которых 2500 были сбиты после обнаружения их РЛС[561].
Поскольку после Второй мировой войны началась «холодная война», военная радиолокация продолжала совершенствоваться. Со временем удалось перейти на волны длиной 1–2 м, а затем и сантиметровые волны, уменьшить размеры РЛС, заменить стационарные антенны вращающимися, отказаться от разделения РЛС на две части: передающую и приемную, замкнув передатчик и приемник на одну антенну, которые включались бы поочередно. Значительно увеличилась дальность охвата РЛС. Первые РЛС посылал импульсы со скоростью 25 раз/с, сейчас она составляет миллионы раз[562].
После того как в XIX в. была установлена электромагнитная природа света, появилась гипотеза о существовании электромагнитного излучения солнца, а значит, и других небесных тел. Однако первые попытки ее экспериментальной проверки, оказались неудачными, так как это излучение имеет высокочастотный характер, и существовавшая первона-чально приемная аппаратура не могла его улавливать[563].
Положение дел изменилось, когда была создана радиоэлектронная аппаратура, позволившая американскому ученому Карлу Янскому (1905–1950) обнаружить в 1932 г. радиоизлучение Млечного пути, а его соотечественнику Гроте Реберу (1911–2002) создать в 1937–1938 гг. первый радиотелескоп. Так было положено начало новому научному направлению – радиоастрономии[564].
В радиоастрономии сразу же возникли два направления: пассивное и активное. «Пассивное» направление характеризуется приемом и изучением тех радиосигналов, которые излучают сами космические тела. «Активное» направление использует для изучения космических явлений радиоволны, направляемые в космическое пространство с Земли.
Уже в 1942–1943 гг. было открыто радиоизлучение Солнца. В 1945–1946 гг. началось радиолокационное изучение Луны. За этим последовали другие небесные тела. После Второй мировой войны с помощью радиотелескопов удалось произвести измерение отдельных планет, их расстояния от Земли, установить орбиты их движения и скорость вращения. Радиотелескопы позволили выйти за пределы Солнечной системы и раздвинуть границы «видимой» нами части Вселенной[565].
Развитие радиоастрономии сыграло важную роль в освоении космического пространства, которое началось после того, как в 1957 г. наша страна запустила первый космический спутник Земли, а в 1961 г. космический корабль с человеком на борту. Им был летчик-испытатель Ю. А. Гагарин. За 43 года, т. е. к 2000 г. на орбиту было выведено около 20 тыс. космических объектов[566].
Особое значение спутниковая связь приобрела в системе ракетно-ядерных сил, которые в 1958 г. были выделены в особый род войск[567].
Вторая половина XX в. была временем бурного развития гражданской авиации. Сейчас воздушные просторы ежедневно бороздят десятки тысяч самолетов и вертолетов. Это привело к необходимости регулирования полетов сначала в границах отдельных стран, затем в масштабах всей планеты. Главным средством управления полетами и контроля за ними стала радиолокация.
Развитие авиации и мореходства потребовали совершенствования метеорологии, которая все больше и больше зависит от успехов радиотехники.
В 1941 г. в Великобритании впервые с помощью радиолокаторов были обнаружены осадки. С 1943 г. в США начались регулярные радионаблюде-ния за ливнями и грозами. В СССР радиолокация была использована для измерения скорости и направления ветра в верхних слоях атмосферы[568]. С этого времени радиолокация постепенно превратилась в один из важнейших инструментов современной метеорологии[569].
Радиовещание
Вскоре после того, как появился телефон, Т. Пушкаш предложил знакомить абонентов по телефону с музыкой и текущими новостями[570].
Чтобы продемонстрировать возможность этого, в 1881 г. на Между-народной выставке в Париже он соединил один из павильонов с оперным театром[571]. А в 1882 г. его брат Ференц организовал подобную же транс-ляцию из Национального театра на балу журналистов в Будапеште[572].
Возглавив после смерти брата будапештскую телефонную станцию,
Т. Пушкаш организовал 15 февраля 1893 г. трансляцию «говорящей» или телефонной газеты, т. е. стал знакомить абонентов с текущими новостями[573].
Между тем появилось радио. Первоначально его использовали только как «беспроволочный телеграф»[574]. И сразу, уже в конце 90-х гг. в XIX в., было обнаружено следующее явление. «Пытаясь найти неисправность в радиоприемнике «прозвонкой» электрических цепей с помощью обыкно-венной телефонной трубки», помощники А. С. Попова, П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий услышали «радиосигналы азбуки Морзе ближайшей радио-станции»[575].
Это означало, что с помощью радиоволн можно передавать звуковые сигналы и что маломощные электрические сигналы, передаваемые с помощью азбуки Морзе, человек способен воспринимать на слух. В 1899 г. А. С. Попов получил российскую привилегию, а также патенты в Англии и Франции на «Телефонный приемник депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн по системе Морзе»[576].
Примерно тогда же профессор Питсбургского университета и консуль-тант Метеорологического бюро Реджинальд Обри Фессенден (Fessenden Reginald Aubrey)» (1866–1932) сделал попытку использовать радиоволны для звуковой трансляции. Позднее он утверждал, что в 1900 г. ему удалось передать человеческую речь на расстояние мили, т. е. примерно полутора километров[577].
Однако это утверждение вызывает сомнения, так как для осуществления такой передачи требовалось предварительное решение двух очень важных проблем.
Вот что говорится о первой из них на страницах школьного учебника физики: «При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать на антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим»[578].
Дело в том, что человек способен произносить звуки в диапазоне от 80 до 12000 Гц. Но на 90% наша речь не выходит за пределы 2000 Гц. Ухо человека может воспринимать звуковые колебания от 20 до 20000 Гц, но обыкновенный слух улавливает колебания от 200 до 5000 Гц, поэтому Международный стандарт для телефона определяет этот диапазон в пределах от 300 до 3400 Гц[579].
Между тем, как было показано выше, даже для сверхдлинных радиоволн характерна частота от 3 до 30000 Гц. Поэтому, чтобы передать низкочастотные звуковые колебания на расстояние с помощью электромагнитных волн, звуковые колебания необходимо предварительно преобразовать в высокочастотные. Этот процесс получил название модуляции. «Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать работает станция или молчит»[580].
Но высокочастотные электрические сигналы способны придать мембране приемного устройства только высокочастотные колебания, которые не воспринимает ухо человека, поэтому их требуется преобразовать в низкочастотные, для чего необходимо специальное устройство, получившее название детектора[581].
Насколько удалось Р. О. Фессендену решить эти две проблемы к 1900 г., мы не знаем. Но детекторное устройство, получившее название «бареттера Фессендена», он запатентовал только в 1903 г.[582]
Что же касается модуляции, то эта проблема была решена еще позже. Для ее решения Р. О. Фессенеден обратился за помощью к известному электротехнику Чарлзу Протеусу Штейнмецу, работавшему тогда в фирме General Electric Company. Ч. П. Штейнмец порекомендовал ему своего помощника Эрнста Александерсона (Ernst Frederic Werner Alexanderson (1878–1975)[583].
Только после этого в 1906 г. Р. Фессенден снова повторил свой опыт. Из небольшого американского городка Брант Рок в штате Мэриленд он связался по радиотелефону с Плимутом, находившимся на расстоянии 11 миль или же 16 км. Опыт оказался удачным. 26 января и 2 февраля 1907 г. сообщения о нем появились в печать[584]. В июле 1907 г. Р. Фессендену удалось связаться по радиотелефону с Ямайкой и Лонг Айлендом, удаленными от его лаборатории примерно на 300 км[585].
Правительство США сразу же взяло это изобретение на вооружение и начало оснащать радиотелефонами военные корабли. По утверждению Ли де Фореста, в 1907–1908 гг. он «оборудовал головной корабль флота США «Огайо» и некоторые другие корабли дуговыми передатчиками и фонографами для трансляции во время плавания»[586].
В 1908 г. был организована первая в истории музыкальная передача с Эйфелевой башни в Париже[587].
В 1909 г. американский радиолюбитель Чарлз Дэвид Хэролд (Герольд) (Charles David Herrold) (1875–1948) с помощью любительского радиопере-датчика создал в городе Сан-Хосе (Калифорния) первую известную нам радиовещательную станцию и начал регулярно выходить в эфир с музыкальными программами, предназначенными для таких же, как он, радиолюбителей[588].
Однако радиус действия первых радиовещательных станций был невелик. Новые возможности на этом пути открыло изобретение радиолампы. Ее использование позволило в 1915 г. установить не только трансконтинентальную телефонную связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско[589], но и провести сеанс трансатлантической радиотелефонной связи между Арлингтоном (штат Виргиния) и Парижем[590].
«В 1916, – вспоминал Ли де Форест, – после того как мы научились изготавливать колебательные электронные лампы мощностью от 50 до 100 Вт я начал регулярные ночные радиовещательные передачи с моей станции в «High Bridge» (Нью-Йорк)»[591], «а в ноябре 1916 г. была воплощена идея передачи процедуры подсчета голосов во время президентских выборов. Газеты писали: «Семь тысяч «радиотелефонных операторов» в радиусе 200 миль от Нью-Йорка принимали выборные сводки»[592].
Когда весной 1917 г. США вступили в Первую мировую войну, все частные радиостанции были закрыты. И только после того, как летом 1919 г. был подписан Версальский мирный договор, запрет был снят. Уже в декабре этого года радиостанция Ли де Фореста снова вышла в эфир[593].
Осенью 1920 г. в американском городе Питтсбурге начала работать радиостанция, созданная известной электротехнической фирмой Вестингауз. Впервые она вещала не для десятков и сотен, а для тысяч радиоприемников[594].
К началу 1923 г. в США было выдано около 600 лицензий на радиовещание, в 1930 г. – более 6 тыс.[595]. Особую роль в развитии американского радиовещания сыграл выходец из России, уроженец Минска Давид Абрамович Сарнов (1891–1971)», возглавивший созданную в 1919 г. известной электротехнической фирмой Дженерал электрик – Радио-корпорацию Америки (RCA)[596]. В 1926 г. под его руководством была создана Национальная вещательная компания (NBC). В 1927 г. возникла вторая крупная сеть коммерческих станций – Колумбийская вещательная система (CBS)[597].
В первой половине 1920-х гг. радиовещание началось в Велико-британии[598], Германии, Франции и других европейских странах[599].
К 1922 г. относится экспериментальное радиовещание во многих странах Азии: в Японии, Китае, Индонезии, на Филиппинах и т. д. В том же году Япония первой из азиатских стран перешла к регулярному радиовещанию. В 1926 г. здесь была создана Национальная вещательная корпорация (NHK), с 1928 г. организовано централизованное общенациональное вещание по всей стране[600].
В те же годы регулярное радиовещание появилось в Аргентине, Бразилии, на Кубе, в Мексике, Перу, Уругвае. В 1926 г. оно существовало во всех латиноамериканских странах[601].
В 1920-е гг. началось радиовещание в Австралии и Африке[602].
Если в 1921 г. в мире насчитывалось около 50 тыс. любительских радиоприемников, то в 1922 г. их было 600 тыс., в 1925 г. – 4 млн, в 1927 г. – 6 млн[603].
Наиболее быстро этот процесс развивался в США. В 1923 г. здесь имелось около 0,5 млн радиоприемников, в 1926 г. – 5 млн, в 1930 г. – 12 млн, накануне Второй мировой войны – более 25 млн[604]. В 1920 г. население США составляло 106 млн чел., в 1940 г. – 132[605]. Если в 1920 г. радиоприемники представляли собою большую редкость, то в 1940 г. их имело подавляющее большинство семей: 90% в городе и около 70% в сельской местности[606].
До середины 20-х гг. развитие частного радиовещания в Германии сдерживалось существовавшим законодательством. После того, как в 1926 г. оно было пересмотрено, Германия тоже встала на путь радиофикации. В 1929 г. в ней было более 2,5 млн радиоприемников, к 1933 г. – 4 млн, через десять лет – 16 млн[607].
В Японии к концу 1941 г., когда страна вступила во Вторую мировую войну, имелось около 6,5 млн радиоприемников[608].
Аудитория первых радиостанций была невелика. Между тем обнаружилось, что радио позволяет оперативно передавать информацию за сотни и тысячи километров. Стало очевидно и то, что со временем оно может стать конкурентом периодической печати.
В связи с этим, не дожидаясь, когда радиоприемник получит такое же распространение, как журнал и газета, правительства некоторых стран становятся на путь использования так называемого проводного или кабельного радио.
По сути дела, речь шла о подключении радиовещательных станций к телефонным линиям и организации с их помощью передачи информации для более широкого круга лиц, чем владельцы радиоприемников.
В 1960 г. на 750 млн семей приходилось 350 млн радиоприемников[609]. К середине 1970-х численность семей увеличилась примерно до 1 млрд, а количество радиоприемников до 850 млн[610]. Из этого явствует, что в 60-е гг. радио стало обычным явлением. К 2000 г. на 6 млрд человек населения планеты приходится 1,5 млрд радиоприемников[611].
Вторая половина XX в. характеризовалась не только завершением радиофикации, но и крупными переменами в радиотрансляции, связанными с совершенствованием модуляции.
Модуляция – это изменение амплитуды, частоты и фазы электро-магнитных колебаний высокой, несущей частоты под влиянием колебаний более низкой частоты[612].
«Начиная с первых опытов Герца и Попова вплоть до середины 30-х годов, управление колебательными движениями при передаче сигналов было основано на изменении интенсивности колебаний, т. е. применя