7 мая 1895 года Александр Попов представил прибор для регистрации электромагнитных всплесков при грозовых разрядах, а в годовщину этого события в России отмечают День радио. ТАСС — об изобретении, которое без преувеличений изменило мир
Шаг первый: уравнения и опыты
История радио началась, когда Александру Попову было шесть лет, а его визави Гильельмо Маркони даже не родился. В 1865 году один из величайших физиков XIX века Джеймс Максвелл опубликовал статью «Динамическая теория электромагнитного поля», где математически описал электрическое и магнитное поля. Его уравнения указывали на то, что свет представляет собой колебания электромагнитного поля и что могут существовать другие электромагнитные волны, невидимые глазу.
На то, чтобы обнаружить такие волны, ушло еще 20 лет. В 1880-х годах Генрих Герц сумел получить их с помощью электрического разряда. Немец доказал, что эти волны отражаются от разных поверхностей и преломляются при прохождении через призму из битума, непрозрачную для видимого света.
Сообщения об опытах Герца подстегнули интерес ученых по всему миру. В августе 1894 года британец Оливер Лодж прочел лекцию о радиоволнах, где среди прочих опытов продемонстрировал, как они передаются на расстояние примерно полсотни метров. Но Лодж скорее развивал эксперименты по обнаружению радиоволн, чем целенаправленно разрабатывал новое средство связи. Физики могли фиксировать волны на все большем расстоянии, но до Попова и Маркони дальность не превышала сотни метров. Для практического применения этого было мало
7 мая 1895 года Александр Попов представил прибор для регистрации электромагнитных всплесков при грозовых разрядах, а спустя год, 24 марта 1896-го, продемонстрировал передачу радиосообщения из одного здания в другое. Гульельмо Маркони тоже сконструировал сначала «разрядоотметчик», а затем и радиотелеграф, причем еще в 1894–1895 годах, но свои передатчик и приемник показал публике только в сентябре 1896-го. Сделал он это не на родине, а в Великобритании: итальянское министерство телеграфа и почты работой 20-летнего изобретателя не заинтересовалось.
Можно сказать, что и Попов, и Маркони изобрели радиопередачу независимо друг от друга, опираясь на эксперименты Герца, а тот, в свою очередь, использовал созданную Максвеллом теорию.
Так 1896 год стал годом рождения радио. Посылать в эфир голос с музыкой тогда еще не умели — можно было лишь зафиксировать, что неподалеку излучались радиоволны. Сигнал передавали азбукой Морзе, попеременно включая и выключая передатчики. Ими служили так называемые разрядники: они создавали радиоволны, если между двумя контактами пропускали искру. Разрядники оказались тупиковой ветвью технической эволюции: эти сложные громоздкие установки потребляли очень много энергии и вдобавок испускали сигналы сразу по всему радиодиапазону, мешая друг другу. По сути, первое радио было беспроводным телеграфом, к тому же неудобным.
Шаг второй: теплый ламповый звук
Сама по себе волна, если ее частота и амплитуда постоянны, не несет никакой информации сверх простого «передатчик включен». Поэтому для передачи звука или других данных сигнал нужно модулировать, то есть изменять волну во времени. Аппараты Попова и Маркони не позволяли это сделать.
Стоит подумать, откуда рация на русских кораблях и сколько лет Маркони.
Чтобы повлиять на частоту или амплитуду волны, нужны детали, способные менять протекающий через них ток в ответ на слабый электрический сигнал. Этими элементами стали радиолампы — стеклянные баллончики с откачанным воздухом и впаянными металлическими частями вроде тех, что уже использовались для освещения.
Так появился принцип модуляций AM/FM, но лампы грели не хуже батареи центрального отопления.
Несмотря на хрупкость, ненадежность и нагрев во время работы, лампы позволили создать «полноценное» радио и еще множество других полезных изобретений: от радиоуправляемой техники (первая попытка создать беспилотный самолет была предпринята еще в Первую мировую войну) до телевидения и радаров. Радио пришло даже в кухонную технику — еда в микроволновых печах разогревается именно так.
Теория Максвелла и опыты Герца позволили передавать сигнал без проводов, сквозь непрозрачные препятствия и на многие сотни километров. Изобретение радиоламп и развитие электроники сделало возможным передачу сначала звука, потом изображения — и радио появилось в каждом доме. Следующей революцией был переход к «цифре» на замену аналоговой технике.
Шаг третий: числа и компьютеры
Третья революция, как когда-то — работы Джеймса Максвелла, тоже была связана с математикой. Но цифровой скачок в XX веке начался не с построения теории об устройстве материи, а с нудных арифметических расчетов.
Ко времени между мировыми войнами наука и техника развились настолько, что большинству квалифицированных кадров постоянно приходилось что-то считать. Бухгалтеры сводили баланс, инженеры рассчитывали прочность конструкций, государственные служащие вели учет, а ученым нужно было обрабатывать результаты экспериментов. С началом новой войны специалистам пришлось взламывать вражеские шифры и вести расчеты для создания ядерного оружия. Всем им нужна была универсальная и быстрая вычислительная машина.
Первые такие агрегаты делали механическими, но вскоре инженеры нашли решение куда удачнее. Если морзянка кодирует буквы, то схожие сигналы можно использовать и для цифр. Электрические импульсы, несущие сигнал, распространяются со скоростью света, поэтому операции с ними занимают ничтожные доли секунды. Кодирование чисел электрическими сигналами и создание электронных схем для обработки и хранения таких сигналов позволили создать универсальный вычислитель. По-английски «вычислять» будет «to compute». Устройство так и назвали — компьютер.
Вскоре стало понятно, что серия электрических импульсов может кодировать не только числа, но и те же буквы, что можно взять картинку или звук и превратить их в последовательность сигналов. Универсальность компьютера позволяла не просто вести инженерные или бухгалтерские расчеты, но и выполнять любую программу — в теории, делать с любой информацией все, что угодно. Вот только радиолампы, несмотря на все ухищрения инженеров, продолжали греться и перегорать, поэтому собрать компьютер было весьма трудоемкой задачей.
Шаг четвертый: полупроводники
Проблему решили с помощью полупроводниковых транзисторов. Подобно радиолампам, транзисторы меняли проходящий ток под действием слабого сигнала, но потребляли меньше энергии и занимали меньше места. В современных микросхемах размером с ноготь бывает несколько миллиардов транзисторов, которые безотказно работают десятки лет.
Мечта о массовом распространении компьютеров постепенно стала реальностью. Сделать устройство, которое прослушивает радиоэфир и вылавливает из него сотни миллионов импульсов в секунду? Запросто. Добиться того, чтобы эти импульсы на лету превращались в поток чисел, который затем обсчитывают сложные программы? Смешная задача для современной электроники. Превратить эти числа в серию команд для нескольких миллионов других устройств попроще? Легко! Предусмотреть, чтобы то же самое устройство умело хранить в памяти текст нескольких тысяч толстых книг, умело обрабатывать сигналы с обычных радиостанций, а еще одновременно вело сложные геодезические расчеты? И чтобы работало от карманной батарейки? Элементарно.
Все это делает любой смартфон. Серию радиоимпульсов из сети Wi-Fi или от вышки мобильной связи он превращает в видео на экране, состоящем по меньшей мере из миллиона (1280*768) точек. У каждой из них есть три отдельных элемента для разных цветов. Больше половины наших читателей просмотрят этот текст с мобильного устройства — следовательно, воспользуются радиосвязью.
[Чтобы получить миллион, 786 строк недостаточно. Но про служебные биты и прочую скучную детализацию вы можете почитать в стандартах ISO, а научно-популярные журналы в результате умножения именно этот миллион и получают].
Вообще-то, старые телефоны не хуже смартфонов считают. Медленнее, конечно, но не хуже.
Те же принципы лежат в основе спутникового интернета и навигации, цифрового телевидения, беспилотников. Бесконтактные банковские карты, проездные билеты, электронные пропуска тоже отчасти повторяют опыты Герца с передачей сигнала без проводов между близко расположенными антеннами. И даже магнитно-резонансный томограф просвечивает тело не рентгеновскими лучами, а радиоволнами, и построение самой томограммы немыслимо без цифровых методов. Все это было бы невозможно без громоздких грозоотметчиков и аппарата, отбивающего морзянку в воздух, и их изобретателя Александра Попова.
По материалам ТАСС