На пути к электрическому телеграфу
Еще в древности человек обратил внимание на такой минерал, как магнетит или магнитный железняк. Это рудная порода, содержащая до 72% железа (Fe) и отличающаяся способностью притягивать к себе другие металлы[206].
В древности было замечено также, что если потереть янтарь (окаменевшая сосновая смола)[207], он тоже начинает притягивать к себе другие, правда, только легкие предметы, например, волосы, соломинки.
Несмотря на то, что эти явления были известны людям с незапамятных времен, долгое время они не видели возможности их практического использования.
Едва ли не первыми такую возможность обнаружили китайцы.
В Научном центре Онтарио в Торонто хранится прибор, напоминающий ложку с короткой ручкой. Центр ее тяжести размещен так, что «ложка» касается пластины, на которой находится, лишь одной точкой, поэтому может свободно вращаться вокруг оси. Однако как бы вы не поворачивали ее, она всегда возвращается в одно и то же положение. Это изготовленный из магнетита древнейший китайский компас – синан, т. е. указатель юга. Первое упоминание синана в источниках относится к 80 г. н. э.[208].
Имел ли этот «компас» практическое применение, мы не знаем.
В письменных источниках XI в. упоминается другое такое же устройство – «плавающая» в воде на пробковой основе намагниченная иголка, которая одним концом показывала на север, другим – на юг. К тому же времени относится подобная же «плавающая» в воде рыба[209].
В XII-XIII вв. был изобретен «сухой компас». Он представлял собою модель черепахи, внутри которой помещался магнит. Черепаха одной точкой под туловищем опиралась на стержень, поэтому могла свободно вращаться, занимая при этом в состоянии покоя одно и тоже положение – головой на север[210].
В 1269 г. французский рыцарь Пьер де Марикур, получивший известность под фамилией Перегрин, направил другу «Послание о магнитах», в котором поделился своими опытами в области магнетизма[211]. Имеются сведения, что он ввел понятия северного и южного полюса и придал компасу современный вид[212].
К XVI в. относится первая известная нам попытка использовать магнит для передачи информации. Об этом в 1576 г. поведал французский изобретатель Блазиус де Видженер (Blasius дe Bigenere)[213]. Разделив окружность компаса на 26 частей, соответствующих 26 буквам латинского алфавита, он попытался с помощью магнита поворачивать через стену стрелку компаса таким образом, чтобы можно было читать передаваемое им сообщение[214].
И хотя опыт прошел удачно, предложенный им проект не получил практического использования, так как позволял передавать информацию на очень небольшое расстояние и с такой скоростью, при которой ее гораздо проще было передать из одной комнаты в другую обычным способом.
Но главное заключалось в том, что Б. Видженер впервые продемонстрировал возможность передачи информации на расстояние с помощью магнитных свойств и тем самым положил начало поискам, которые через полтора века привели к созданию электрического телеграфа.
Особое значение в этом отношении имели исследования английского придворного врача Вильяма Гильберта (Джильберта) (Gilberti) (1540–1603). В 1600 г. он издал книгу «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земля. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов», в которой поделился своими наблюдениями в этой области [215].
В. Гильберт ввел понятие «электричество» (от греческого слова «янтарь» – электрон)[216]. Исходя из того, что магнит обладает своими качествами от природы, а янтарь приобретает их только под влиянием воздействия на него, В. Гильберт считал, что магнетизм и электричество – это разные явления[217]. Он установил, что «электрическими» качествами обладает не только янтарь, но и другие вещества, например, алмаз, сера, стекло, сургуч, хрусталь. Для обнаружения электрических явлений В. Гильберт использовал специальное устройство, названное им «версор»[218].
Отталкиваясь от этих идей, немецкий физик Отто фон Герике (Guericke) (1602–1686), бывший бургомистром Магдебурга, вошедший в историю как изобретатель воздушного насоса, водяного барометра и знаменитых «магдебургских полушарий», пришел к следующему принципиально важному выводу: если некоторые минералы в отличие от магнита приобретают способность притягивать к себе другие предметы под влиянием механического воздействия на них, значит, таким образом можно генерироватьэлектричество[219].
О. Герике изготовил из серы шар диаметром около 15 см, закрепил его на вращающемся стержне и обнаружил, что если одной рукой приводить шар в движение, а другую прижать к нему, шар приобретает способность притягивать к себе легкие предметы[220].
В этом не было ничего нового. Новое заключалось в другом. Оказалось, что отмеченная способность находилась в зависимости от длительности и скорости вращения шара: чем быстрее и дольше вращался шар, чем сильнее он притягивал к себе другие предметы. Это означало, что в результате трения действительно происходит генерирование электричества.
Так была создана первая электростатическая машина.
Еще в древности было замечено, что магнит способен передавать свои магнитные качества другим металлическим предметам. Этот факт нашел отражение в трактате римского философа Лукреция Кара «О природе вещей» и в упоминавшемся послании Пьера де Марикура (Перегрина)[221].
В. Гильберт показал, что подобная способность характерна и для электричества[222].
Англичанин Стивен Грей (1670–1736) не только подтвердил это, но и разделил все материалы на две группы, которые затем получили название проводников и диэлектриков (изоляторов)[223]. Более того, натирая шелковой тряпочкой стеклянную трубку и используя прикрепленную к ней пеньковую бечевку, он сумел передать электрический заряд на расстояние около 200 м[224].
Но если электрические заряды можно генерировать и передавать на расстояние, нельзя ли их накапливать? Впервые этот вопрос поставил профессор Георг Маттиас Бозе (1710–1761) из Виттенберга, который по сути дела сформулировал идею аккумулятора или же конденсатора[225].
Интерес к электричеству привел к тому, что в середине XVIII в. стали делать опыты его использования в медицине. В 1745 г. немецкий монах Э. Ю. фон Клейст (1700–1748) решил получить для себя наэлектри-зированную воду. Он взял стеклянную банку с водой, опустил в нее обыкновенный гвоздь и подключил его к источнику электричества, а когда через некоторое время отключил контакт и голой рукой взялся за гвоздь, то вздрогнул от электрического разряда[226].
В следующем году подобный же эффект обнаружил и описал лейденский физик Питер ван Мушенбрук (1692–1761)[227].
Так был создан первый конденсатор, получивший название лей-денской банки. Он представлял собою наполненную водой стеклянную банку, оклеенную металлической фольгой. Внутри банки находился метал-лический стержень. Подключение его к источнику электричества позволя-ло накапливать электричество[228].
Идя по этому пути, немецкий физик Иоганн Винклер (1703–1770) и американский физик Бенджамин Франклин (1706–1790) почти одновремен-но предложили объединить несколько конденсаторов и создать таким образом электрическую батарею[229].
Используя такую батарею, И. Винклер сумел вызвать настолько сильный электрический разряд, что его звук был слышен за 200 м. Тогда же было доказано, что электрическим зарядом можно убить живое существо[230].
Одновременно с созданием и совершенствованием конденсатора продолжалось совершенствование электростатической машины. Сначала шар из серы заменили стеклянным шаром. Потом для генерирования электрических зарядов стали использовать не руку, а подушечку из шерсти и кожи. Затем на смену стеклянному шару пришел стеклянный диск и подушечка тоже приобрела форму диска, что позволило увеличить площадь их касания. А чтобы увеличить силу трения, диски стали вращать в разные стороны[231].
Успехи опытов с электричеством привели к тому, что в 1746–1747 гг. французский ученый Луи Гийом Лемонье начал экспериментировать с целью создания основанного на использовании электричества устройства для «сигнализации на расстоянии»[232].
Некто Ч. М. 1 февраля 1752 г. опубликовал на страницах шотландского журнала «The Scot`s Magazine» проект электрического телеграфа, который во многом напоминал проект Б. Видженера. Разница заключалась только в том, что в публикации предлагалось использовать для передачи информации не магнит, а электричество, а также воздействовать с его помощью не на стрелку компаса, а на 26 подсоединенных к источнику питания шариков из бузины, которые должны были притягивать листочки бумаги с написанными на них буквами[233].
Во второй половине XVIII в. появилось более десятка проектов электрического телеграфа[234]. Однако для того чтобы они получили практическое осуществление, необходим был другой, более мощный источник электричества.
И вскоре он появился.
От Шиллинга до Юза
Изучая влияние электричества на живые организмы, итальянский физиолог Луиджи Гальвани (1737–1798) предпринял попытку выяснить воздействие на них так называемого атмосферного электричества. С этой целью он взял лапки лягушки, вживил в них медные крючкообразное электроды и подвесил к железной решетке. Несмотря на то, что стояла ясная погода, и не было никаких признаков приближающейся грозы, мышцы лягушки неожиданно сократились. Повторив этот опыт в помещении, Л. Гальвани получил тот же самый результат[235].
К тому времени, ему, по всей видимости, уже было известно открытие, которое незадолго перед тем сделали англичане Джон Уолш и Генри Кавендиш. Они доказали, что некоторые виды рыб (скаты, сомы, угри) способны, защищаясь, производить сильный электрический разряд[236]. В связи с этим Г. Гальвани сделал вывод, что его опыт свидетельствует о существовании «животного электричества» у лягушек, которые при соприкосновении с металлом разряжаются как конденсатор.
Свои мысли на этот счет Л. Гальвани изложил в 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении»[237]. «Трактат» сразу же привлек к себе внимание. Ознакомившись с ним, другой итальянский физиолог Алессандро Вольта (1745–1827) пришел к выводу, что лягушка является не «конденсатором», а индикатором, улавливающим электрические заряды, которые возникают при взаимодействии двух разных металлов. Желая проверить это, А. Вольта создал в 1800 г. прибор, получивший название «вольтова столба»[238].
Он представлял собою столбик, составленный «из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, которые разделялись суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой». По существу это была первая гальваническая батарея – источник непрерывного постоянного электрического тока, прибор, в котором химическая энергия превращается в электрическую[239].
Так был создан новый, более мощный генератор электричества.
Используя «вольтов столб», английские ученые Энтони Карлайль (1768–1840) и Уильям Николсон (1753–1815) в том же 1800 г. открыли явление, получившее название электролиз. Опустив в воду два конца провода и замкнув электрическую цепь, они обнаружили, что между концами проводов возникло взаимодействие, под влиянием которого начали выделяться пузырьки воздуха – кислород.
Узнав об этом открытии, немецкий физиолог Самуэл Томас Зёммеринг (Samuel Thomas von Soemmering) (1755–1830) создал в 1809 г. первый электрический телеграф[240]. Передающий аппарат представлял собою клавиатуру из 26 клавиш, а принимающий – наполненный водой стеклянный сосуд, в который было погружено 26 металлических пластинок. Нажимая определенную клавишу передающего устройства, «телеграфист» замыкал электрическую цепь, к которой была подсоединена соответствующая пластинка принимающего устройства. В результате она начинала выделять из воды пузырьки воздуха. А поскольку на каждой пластинке была выгравирована соответствующая буква латинского алфавита, таким образом можно было передавать информацию[241].
Так был создан первый электрический телеграф.
Более практичным оказался электрический телеграф, созданный русским инженером немецкого происхождения Павлом Львовичем Шиллингом (1786–1837). Закончив кадетский корпус, он в 1803 г. оказался в Мюнхене на должности переводчика в русском посольстве. Здесь познакомился с С. Т. Зёммерингом, который являлся домашним врачом в семье русского посланника. В результате П. Л. Шиллинг не только подружился с немецким изобретателем, но и увлекся идеей создания электрического телеграфирования. Вернувшись в Россию, он тоже начал заниматься опытами с электричеством, в результате которых создал новую модель телеграфного аппарата[242].
Если изобретение С. Т. Зёммеринга было связано с открытием электролиза, то изобретение П. Л. Шиллинга с открытием электро-магнитного поля. Существует мнение, будто бы это открытие в 1820 г. сделал во время опытов профессора Копенгагенского университета Ханса Кристиана Эрстеда (1777–1851) один из его студентов, заметивший, что при замыкании электрической цепи находящаяся рядом стрелка компаса приходит в движение[243].
Однако на самом деле возникновение электрического поля вокруг проводника, по которому идет электрический ток, обнаружил в 1802 г. итальянский физик Джованни Доминико Романьози. Уже в 1804 г. этот факт получил отражение в печати.[244].
В 1820 г. немецкий физик И. Х. Швейгер обратил внимание, что, если магнитную стрелку поместить внутри рамки, представляющей собой провод, по которому идет электрический ток, действие тока на стрелку будет усиливаться в зависимости от увеличения витков провода. Это устройство получило название мультипликатора[245].
Исходя из этого в 1825 г. американский изобретатель В. Стерджен создал электромагнит [246].
Считается, что, используя это изобретение, П. Л. Шиллинг в 1832 г. сконструировал на его основе и продемонстрировал у себя на квартире первый электромагнитный телеграфный аппарат[247].
Однако на самом деле П. Л. Шиллинг создал свой аппарат еще в 1828 г. Он представлял собой Г-образную штангу, на которой была подвешена металлическая стрелка. Стрелка находилась между проводниками, которые были соединены с клавиатурой. Нажимая клавиши, можно было замыкать или размыкать одну из этих цепей. В зависимости от того, по какому проводнику шел ток, стрелка поворачивалась направо или налево. Набор этих движений соответствовал определенным буквам и цифрам[248].
Позднее П. Л. Шиллинг вносил в этот аппарат изменения, но принцип его работы остался прежним [249].
И хотя его телеграфный аппарат в отличие от аппарата С. Т. Зём-меринга получил практическое применение, он имел свои недостатки.
Главный из них заключался в том, что передаваемые движущейся стрелкой сигналы можно было воспринимать только с помощью зрения. Поэтому от телеграфиста требовалось очень внимательно следить за колебаниями стрелки и моментально расшифровывать передаваемый текст. В таких условиях передаваемое сообщение должно было быть предельно кратким. Но и это не застраховывало от ошибок.
Поэтому возникли две проблемы: или, идя по пути, намеченному еще Б. Видженером, сделать так, чтобы аппарат сразу показывал определенные буквы, или же чтобы он записывал передаваемые сигналы, которые потом можно было бы расшифровывать.
Первое решение в 1837 г. предложили Уильям Кук и Чарльз Уитсон[250]. Они создали аппарат, принимающее устройство которого представляло собой диск. В центре диска находилась стрелка, а вокруг нее, как на часах, – буквы и цифры. Нажимая на определенную клавишу передающего устройства, телеграфист посылал сигнал, который включал электромагнит и приводил стрелку в движение, она поворачивалась на определенное количество градусов и указывала соответствующую букву или цифру[251].
В том же 1837 г. появился аппарат американского художника Самуэля Морзе[252]. Первая его модель оказалась неудачной[253]. Но в следующем году с помощью Джозефа Генри удалось устранить ее недостатки[254].
Телеграф С. Морзе передавал информацию с помощью замыкания и размыкания электрической цепи, в результате чего на приемной станции электромагнит то притягивал к себе, то отпускал контакт, который при этом касался бумажной ленты и оставлял на ней в зависимости от длительности замыкания цепи точку или тире. С помощью сочетания этих двух знаков обозначались определенные буквы и цифры[255].
Простота и дешевизна этого аппарата привела к тому, что он получили широкое распространение не только в США, но и в других странах.
Однако азбука С. Морзе требовала не только опытного телеграфиста для передачи информации, но и времени для последующей расшифровки полученного текста. Выход из этого положения был найден, когда в 1855 г. изобретатель Дэвид Эдуард Юз сконструировал буквопечатающий телеграф[256].
В основе его изобретения лежал аппарат У. Кука и Ч. Уитсона с той лишь разницей, что у них на диске под действием электромагнита поворачивалась стрелка, а Д. Э. Юз заставил поворачиваться сам диск, на ребре которого были выгравированы буквы и цифры. Сделав поворот на определенное количество градусов, диск останавливался и, как в аппарате С. Морзе, под действием другого элзектромагнита прикасалось к бумажной ленте, оставляя на ней отпечаток соответствующей буквы или же цифры[257].
По мнению некоторых авторов, «изобретением аппарата Юза завершился начальный период развития телеграфии, период становления ее как самостоятельной отрасли техники»[258].
Распространение телеграфии
Даже после появления гальванической батареи было много скептиков, которые продолжали считать, что возможности практического исполь-зования электрического телеграфа невелики. Так, в 1824 г. английский физик П. Барлоу (1776–1862) констатировал, что гальваническая батарея позволяет передавать ток на расстояние лишь около 200 футов, т. е. около 60 м. Дальше ток ослабевает настолько, что его дальнейшее использование становится невозможно, а увеличение размеров батареи делает электри-ческое телеграфирование слишком дорогостоящим [259].
Положение дел изменилось, когда был найден более дешевый способ генерирования электрического тока. Этим мы обязаны английскому физику Майклу Фарадею (1791–1867), который в 1831 г. открыл явление электро-магнитной индукции[260].
Индукция – это «процесс возбуждения электродвижущей силы в проводнике при его движении в магнитном поле или при изменении окружающего его магнитного поля (электромагнитная индукция)», «процесс наведения электрических зарядов в проводниках и диэлектриках под действием электрического поля (электростатическая или статическая индукция) и намагниченности под действием магнитного поля в телах, способных намагничиваться (магнитная индукция)»[261].
После того как было установлено, что электрический ток создает электромагнитное поле, под влиянием которого попадающие в него металлические предметы приобретают магнитные свойства, М. Фарадей, поместил между двумя проводниками магнит и обнаружил, что если привести его в движение, в проводниках возникнет обратное явление – электрический ток.
Сделанное таким образом открытие позволило создать генератор переменного электрического тока[262].
Когда в 1837 г. английский изобретатель В. Александер предложил правительству проект сооружения телеграфной линии протяженностью в 4 мили или около 6 км[263], это казалось огромным достижением. Через 18 лет, в 1855 г., общая протяженность телеграфных линий достигла 40 тыс. км (длина экватора).
Распространение телеграфии поставило перед учеными две важные проблемы.
Первая из них заключалась в выборе материала для телеграфных проводов. После ряда экспериментов было установлено, что лучшим проводником электрического тока является медь[264].
Оголенные провода можно подвешивать на столбах. Но воздушная проводка не застрахована от гроз, ураганов и других природных явлений, а прокладка кабеля в земле или же через водоемы требует изоляции.
Первоначально для изоляции использовали каучук, пеньку и шелк[265].
В 1839 г. американский изобретатель Чарльз Гудьир (1800–1860) создал, а в 1844 г. запатентовал технологию вулканизации каучука, которая открыла возможность для производства более дешевого изоляционного материала – резины[266].
В 1843 г. в Европе появилась гуттаперча[267]. Гуттаперча «изготавлива-лась из латекса – млечного сока некоторых растений, распространенных в основном на островах Юго-Восточной Азии (Суматра, Ява, Калимантан и др.). Достаточно малоэластичный кожеподобный материал сероватого или коричневатого цвета оказался устойчивым к воздействию морской и грунтовой воды, причем, будучи нагретым, становился пластичным и легко наносился на медный провод»[268].
Резину стали использоваться для изоляции наземного кабеля, гуттаперчу – для подземных и подводных линий. Использование этих изоляционных материалов получило широкое распространение после того, как удалось найти способ бесшовного покрытия кабеля гуттаперчевой или резиновой изоляцией[269].
В 1850 г. медный кабель в гуттаперчевой изоляции был использован при прокладке телеграфной линии через пролив Па-де-Кале[270]. Тогда же была сделана первая, неудачная попытка проложить кабель через Ла Манш[271]. В следующем году он все-таки соединил Англию с континентом[272] и в ноябре 1852 г. начала действовать телеграфная связь между Лондоном и Парижем[273].
Вслед за этим возникла идея связать телеграфом Европу и Америку. Штурм Атлантического океана начался в августе 1857 г. Первая попытка проложить кабель между двумя материками потерпела неудачу, неудачной была и вторая попытка в июне 1858 г. Только с третьей попытки в июле – августе 1858 г. удалось проложить 3800-км телеграфную линию, соеди-нившую Ирландию и Ньюфаундленд. Однако уже в сентябре эта линия вышла из строя.[274].
23 июля 1865 г. начался четвертый штурм Атлантического океана. Для этого был использован самый крупный пароход того времени легендарный «Грейт Истерн», т. е. «Великий Восток», названной Жюль Верном «плавучим городом»[275]. Эта попытка тоже завершилась неудачей, кабель порвался и ушел на дно[276]. И только после пятой попытки 27 июля 1866 г. между Старым и Новым светом была установлена постоянная телеграфная связь[277].
С самого начала этой работой занимался американский предпринима-тель Сайрус Уэст Филд[278]. Видную роль играл также английский ученый Уильям Томсон, который получил за это дворянское звание, а затем и титул лорда Кельвина[279]. Соединение двух материков вызвало у современников такую реакцию, которую можно сравнить с полетом первого человека в космос. Позднее Стефан Цвейг посвятил этому целую книгу «Первое слово через океан»[280]. Яркое описание этого штурма можно найти в книге Артура Кларка «Голос через океан»[281].
В 1869 г. телеграфная линия связала США и Францию, в 1870 г. Британию с Индией[282]. В 1871 г. начала действовать телеграфная линия: Москва – Владивосток[283]. В 1871 г. телеграф соединил Британию с Сингапуром и Австралией, в 1874 г. – Европу с Бразилией[284].
В 1902 г. телеграфная линия пересекла Тихий океан от Канады до Австралии[285].
В 1908 г. общая протяженность телеграфных линий превысила 460 тыс. км, а общая протяженность телеграфных проводов – 6 млн км. Ежедневно по ним передавалось более одного миллиона телеграмм.
Еще совсем недавно для путешествия из Европы в Америку требовалось несколько месяцев. Пароход позволил сократить это время до двух недель. Теперь оба материка получили возможность обмениваться информацией в течение нескольких минут. За час телеграмма могла обойти вокруг земного шара.
Совершенствование телеграфа
Когда прокладывали первые телеграфные линии, главной задачей было соединить телеграфом один пункт с другим. Когда эта задача была решена, возник другой вопрос – об эффективности использования кабеля.
Первоначально эта задача решалась за счет повышения интенсивности работы телеграфиста. Скорость работы на аппарате С. Морзе составляла около 100 зн./мин, на аппарате Д. Юза до 200 знаков. Опытным телеграфистам удавалось повысить скорость до 240–300 знаков[286].
Когда возможности повышения интенсивности работы телеграфиста были исчерпаны, начались поиски по другим направлениям.
В связи с этим было обращено внимание, что рука обычного телегра-фиста тратила на передачу знака 0,3 с, замыкание контакта составляло менее 0,1 с, скорость передачи электрического сигнала является почти мгновенной[287]. Это означает, что большую часть времени телеграфный кабель был свободным.
Стремясь устранить этот недостаток, английский изобретатель Г. Фармор предложил в 1853 г. включать в «провод не один, а два или больше передатчиков, предоставляя этот единственный провод каждому передатчику по очереди при помощи специального устройства – распорядителя»[288]. И хотя это позволило более полно использовать телеграфный кабель, однако подключенный к определенной линии телеграфист прежде чем начать передачу телеграммы, должен был ждать, когда до него дойдет очередь.
«Это обстоятельство, – пишет А. В. Яроцкий, – породило идею отделить ручную работу телеграфиста от непосредственного процесса передачи сигналов в линию. Многочисленные попытки осуществить эту идею свелись к разработке двух типов устройств: передатчиков с механизмом для предварительного накопления кодовых комбинаций; передатчиков, работа которых управлялась не рукой телеграфиста, а с помощью заранее подготовленной им перфорированной ленты»[289].
Одну из первых попыток решить эту проблему сделал в 1858 г. Ч. Уитсон[290]. Созданный им аппарат использовал код Морзе, но телеграмма первоначально пробивалась на перфорированной ленте в виде отверстий. В таком виде она сохранялась до тех пор, пока до нее не доходила очередь. После этого специальное устройство преобразовывало комбинацию отверстий на перфоленте в электрические сигналы, которые записывались на приемной станции в виде точек и тире[291].
Телеграфисты получили возможность отбивать телеграммы одна за другой, а в очередь теперь выстраивались отправленные ими телеграммы.
Позднее, после того как Ф. Крид (Creed) (1871–1957) объединил «перфоратор с клавиатурой пишущей машинки, специальный передатчик, так называемый трансмиттер, ленточный рекордер для приема на перфорированную ленту и дешифратор, обеспечивавший воспроизведение буквенного текста»[292], скорость передачи телеграмм увеличилась до 1500 знаков в минуту. Появилось понятие «машинное телеграфирование»[293]. «Разработка буквопечатающей аппаратуры с предварительной перфо-рацией ленты на основе равномерного пятизначного кода была впервые успешно осуществлена в 1912 г.»[294].
Первоначально использовалась симплексная телеграфная связь, на смену ей пришла дуплексная.
Симплексная телеграфная связь характеризовалась поочередной передачей телеграмм между двумя телеграфными станциями: то в одну сторону, то в другую. Причем на каждом из этих пунктов один и тот же телеграфный аппарат использовался как для передачи, так и для приема.
Для дуплексной связи характерна одновременная передача информация между двумя станциями в одну и другую сторону. С этой целью на каждой станции использовались или два разных аппарата (одного передающего, другого – работающего на прием) или же один аппарат «с электрически разделенными цепями приема и передачи»[295].
Идея дуплексной связи была сформулирована русским изобретателем Зиновием Яковлевичем Слонимским (1810–1904) в 1859 г.[296] Однако ее практическое осуществление связано с именем французского изобретателя Жана Мориса Эмиля Бодо (1845–1903). В 1874 и 1876 гг. он получил два патента на многократное телеграфирование[297]. В 1877 г. его телеграфные аппараты были установлены на линии Париж–Бордо»[298], затем получили распространение в других странах.
Передающий аппарат Э. Бодо состоял из пяти клавиш, с помощью которых замыкание и размыкание цепи производилось не одной, а двумя руками. Вначале передаваемая таким образом информация поступала на распределитель, который представлял собой диск с двумя закрепленными на нем металлическими кольцами. Внешнее кольцо было разрезано на десять изолированных друг от друга контактов, разделенных на две группы. Первые пять контактов были соединены с клавишами, пять вторых подключены к электромагнитам. На приемной станции находился такой же распределитель с той лишь разницей, что первые пять контактов были подключены к электромагнитам, а пять вторых к клавишам. Через внутренне кольцо оба распределителя были присоединены к линии связи[299].
На передающей и приемной станциях синхронно и синфазно с скоростью 200 об./мин вращались специальные «щетки», которые скользили по контактам внешнего кольца распределителя. Когда они делали пол-оборота и таким образом замыкали первые пять контактов, происходила передача информации, когда «щетки» делали еще пол-оборота и замыкали пять других контактов, производился прием информации[300]. Запись информации производилась с помощью буквопечатающего «колеса Юза». Если разделить распределительное кольцо на 20 контактов, то к телеграфной линии можно было подключить четыре телеграфных аппарата: два с одной стороны, два с другой[301].
Первоначально пропускная способность двукратного аппарата Бодо составляла до 400 букв/мин (200 с одной стороны и 200 – с другой). Обращаю ваше внимание – букв, а не знаков. Увеличение количества контактов до 20 позволило увеличить пропускную способность до 800 букв[302].
«Усовершенствованные многократные телефонные аппараты Бодо, – отмечается в БСЭ, – применялись до середины ХХ в. В 30-х гг. ХХ в. были разработаны 3-, 6-, 9-кратные аппараты, что значительно увеличило пропускную способность телеграфных связей: до 20 тыс. слов в час» или же 600 слов/мин[303]. Обратите внимание: слов, а не букв и знаков.
В честь Ж.-М.-Э. Бодо названа единица скорости телеграфирования «бод», 1 Б – один элементарный электрический импульс в секунду[304].
В XIX в. наметился еще один важный подход к проблеме уплотнения телеграфных каналов.
Еще в 1811 г. немецкий физик И. Х. Швейгер предложил использовать для передачи информации не размыкание и замыкание электрической цепи, а изменение электрических колебаний, различающихся «направлением тока, продолжительностью и применяемым напряжением»[305], т. е. использовать для передачи информации изменение частоты электрических колебаний.
В качестве примера подобного телеграфирования можно привести проект харьковского профессора Г. Морозова. В 1869 г. он сконструировал устройство, которое представляло собою небольшой сосуд, наполненный водой. В него были опущены два электрода, один из которых можно было приводить в движение (вверх, вниз). Изменение положения этого электрода имело своим следствием изменение объема воды между электродами, а значит, изменение сопротивление в электрической цепи и силы тока[306].
Закодировав эти изменения, можно было с их помощью передавать информацию, не размыкая электрическую цепь.
«Из всех технических идей, относящихся к задаче повышения степени использования дорогостоящей телеграфной линии, – отмечал А. В. Яроц-кий, – безусловно, самой важной явилась идея телеграфирования токами разной частоты»[307].
«Частота – это число полных циклов колебаний некоторых величин (например, напряжения) за секунду, иными словами, частота показывает, сколько раз в секунду величина достигает своего максимального значения. Полный цикл или период образуется тогда, когда колебательное движение начинается с нулевой величины напряжения, достигает его максимально положительного значения, затем снижается до наименьшего отрицатель-ного значения и возвращается к исходной величине… Эта скорость или частота измеряется в герцах (Гц)»[308]. «Герц – единица частоты колебаний, равная частоте такого колебания, период которого равен 1 с, т. е. герц равен одному циклу в секунду»[309]. 1000 колебаний в секунду составляют 1 кГц, 1 млн – 1 МГц, 1 млрд – 1 ГГц[310].
Однако главное в идее частотного телеграфирования заключалось не в том, что оно позволило экономить время, уходящее на замыкание и размыкание электрической цепи, а в том, что открыло возможность, используя электромагнитные колебания разной частоты, передавать одновременно по одному и тому же проводу несколько сообщений.
Представим, что по двум каналам в одном направлении движутся шарики, имеющие два разных диаметра, причем каждый шарик обозначает одну букву, например 1а – в, 2а – о, 3а – д , 4а – а и 1б – х, 2б – л, 3б – е, 4б – б. Затем шарики беспорядочно сливаются в общий поток и в этом потоке движутся до тех пор, пока в конце канала не появляется фильтр в виде отверстия (больше диаметра маленьких, но меньше диаметра больших шариков). Маленькие шарики опустятся в нижний канал, большие покатятся дальше. В результате этого будет восстановлен тот порядок, в котором шарики находились первоначально. А поскольку каждый из них обозначал определенную букву, мы можем прочитать переданную таким образом информацию: «в-о-д-а»и «х-л-е-б».
Именно такой принцип был положен в основу частотного телегра-фирования, которое определяется как «телеграфирование, осуществляемое посылкой в линию связи несущих токов нескольких частот, промодули-рованных телеграфными сигналами от различных передатчиков. На при-емной станции линейные фильтры, пропускающие только определенные полосы частот, разделяют телеграфные сигналы по приемникам и расши-фровывают демодуляторами»[311].
Одним из первых практический способ реализации этой идеи русский инженер Григорий Григорьевич Игнатьев (1846–1898) предложил уже в 1880 г. [312]. Это было время, когда в России появился телефон, и были предприняты попытки использовать для телефонных разговоров телеграф-ные линии. Однако если телефонирование по свободному телеграфному проводу оказалось успешным, то ведение телефонного разговора во время передачи по этому же проводу телеграммы сопровождалось возникнове-нием на линии помех.
В связи с этим Г. Г. Игнатьев поставил вопрос о необходимости создания с помощью специальных устройств в общей физической цепи раздельных каналов связи для телеграфирования и телефонирования. С этой целью он предложил использовать особым образом включенные в цепь конденсаторы, которые могли разделять или фильтровать телеграф-ные и телефонные токи [313].
Военное ведомство, с которым он сотрудничал, сразу же засекретило его работу. Поэтому первый патент на изобретение «частотного уплотнения» получил в 1883 г. бельгийский инженер Ф. ван Риссельберг (Rysselberghe) (1846–1893)[314].
Несмотря на то что первые опыты многоканального телеграфирования относятся к концу XIX в.[315], тогда оно не получило распространения. Возможность для практической реализации идея частотного телеграфирования открылась только в 1920-е гг., «когда появились ламповые генераторы незатухающих электрических колебаний» (подробнее об этом см. далее)[316].
Частотное телеграфирование разделяют на три вида: подтональное, тональное и надтональное. Критерием этого деления стал международный стандарт для телефонной связи: 300–3400 Гц. Если используется этот стандарт, телеграфирование называется тональным, если выше – надто-нальным, если ниже – подтональным[317].
Наиболее распространенным является тональное телеграфирование, при котором по одному проводу только в одну сторону сразу можно передавать до 24 сообщений[318].
Переход к частотному многоканальному телеграфированию открыл перспективу расширения возможностей телеграфа не за счет строительства новых линий, а за счет повышения пропускной способности уже имеющихся.
«В 1977 г., – писал М. С. Самарин, – протяженность линий только тонального телеграфирования в мире составляла 107 канало-километров. Если бы такая линия существовала, то она могла бы опоясать землю по экватору 250 раз. Для изготовления проводов в диаметре 3–3,5 мм необходимо было бы израсходовать около 1600 тысяч тонн меди» – это годовое производство меди США[319].
Глава 4. Телефон
Изобретение телефона
Как уже отмечалось, человеческий голос слышен на расстоянии нескольких десятков, в лучшем случае сотен метров. Поэтому еще в далеком прошлом для его усиления был изобретено такое устройство