От уравнений и лампового звука к компьютерам и смартфонам

Слова «изобретение радио» обычно идут рядом со спором о том, кто был первым — Попов или Маркони. Но современная радиотехника — это намного больше, чем работающий морзянкой беспроводной телеграф. Давайте проследим за историей этой технологии от начала и до наших дней.

Шаг первый: уравнения и опыты

История радио началась давно: Гульельмо Маркони тогда даже не родился, а Александру Попову было шесть лет. Отправной точкой для него стала математика. В 1865 году Джеймс Максвелл, один из величайших физиков XIX столетия, опубликовал статью под названием «Динамическая теория электромагнитного поля». В ней ученый математически описал электрическое и магнитное поля. Его уравнения указывали на то, что свет представляет собой колебания электромагнитного поля, и что кроме самого света могут существовать и другие электромагнитные волны, невидимые глазу.

На то, чтобы обнаружить эти волны, ушло еще двадцать лет. В 1880-х годах Генрих Герц сумел получить их в результате электрического разряда. Он смог доказать, что эти волны отражаются от разных поверхностей и преломляются при прохождении через призму из непрозрачного для света битума.

Сообщения об опытах Герца подстегнули интерес ученых по всему миру. В августе 1894 года британский исследователь Оливер Лодж прочел лекцию о радиоволнах. Среди прочих опытов он демонстрировал, как радиоволны передаются на расстояние около полусотни метров. Но это было скорее развитие экспериментов по обнаружению радиоволн, нежели целенаправленная разработка нового средства связи. Перед тем как появилась радиосвязь, дальность, на которой физики могли фиксировать новые волны, планомерно росла, но не выходила за пределы сотни метров. Этого было слишком мало для какого-то практического применения.

Переход к большим расстояниям произошел благодаря Попову и Маркони. 7 мая 1895 года Александр Попов представил публике прибор для регистрации электромагнитных всплесков при грозовых разрядах, а спустя год — 24 марта 1896 года — продемонстрировал передачу радиосообщения из одного здания в другое.

Александр Попов принимает первую в мире радиограмму. Репродукция Фотохроники ТАСС с картины Александра Шимко, 1949 год

Гульельмо Маркони проделал тот же путь (сначала «разрядоотметчик», а спустя год и радиотелеграф) с 1894 по 1895 год. Но публичная демонстрация его радиопередатчика с приемником произошла лишь в сентябре 1896 года, и не в родной Италии, а в Великобритании. Дело в том, что итальянское министерство телеграфа и почты работой двадцатилетнего 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. Поначалу это был лишь беспроводной аналог телеграфа. Посылать в эфир голос с музыкой еще не умели. Можно было лишь зафиксировать, что неподалеку излучались радиоволны, и, следовательно, передать сигнал при помощи азбуки Морзе, чередуя включение и выключение передатчиков. Они представляли собой так называемые разрядники: они создавали радиоволны, если между двумя контактами пропускали искру. Разрядники оказались тупиковой ветвью технической эволюции: эти сложные громоздкие установки потребляли сотни киловатт электроэнергии и вдобавок испускали сигналы сразу по всему радиодиапазону, мешая друг другу.

Шаг второй: теплый ламповый звук

Чтобы перейти от громоздкого и неудобного беспроводного телеграфа, с которым надо было работать морзянкой, к звуковым радиопередачам, одного открытия радиоволн было мало. Сама по себе такая волна, если ее частота и амплитуда постоянны, не несет никакой информации сверх простого «передатчик включен». Поэтому для передачи звука или каких-либо других данных сигнал нужно модулировать, то есть изменять волну во времени.

Для модуляции, сдвига частоты или изменения амплитуды нужно было создать электрические детали, которые могут менять протекающий через них ток в ответ на слабый электрический сигнал. Этими элементами стали радиолампы, производство которых немыслимо без ряда довольно сложных технологий и знаний о природе электрического тока. Впрочем, делать стеклянные баллончики с откачанным изнутри воздухом и впаянными металлическими деталями научились раньше с совсем иными целями; слово «лампа» радиодеталь унаследовала от ныне практически исчезнувшего источника света.

Лампы, несмотря на свою хрупкость, ненадежность и нагрев во время работы позволили создать полноценное радио и еще множество других полезных изобретений — от радиоуправляемой техники (первая попытка создать беспилотный самолет предпринята еще в Первую мировую) до телевидения и радаров. Радио пришло даже в кухонную технику — микроволновые печи используют радиоволны для разогрева еды.

Теория Максвелла и опыты Герца позволили передавать сигнал без проводов и сквозь непрозрачные препятствия или на многие сотни километров за счет отражения радиоволн от верхних слоев атмосферы. Изобретение радиоламп и развитие электроники сделало возможным передачу сначала звука, а потом и изображения, а также обеспечило приход радио в каждый дом. Следующей революцией был переход к цифре, разработка цифровой техники вместо аналоговой.

Шаг третий: числа и компьютеры

Третья революция была снова связана с математикой. Причем если Джеймс Максвелл работал непосредственно над описанием электромагнитных феноменов и стремился создать цельную теорию электромагнетизма, то цифровой скачок второй половины XX века начался с совсем иного — с нудных арифметических расчетов.

Развитие науки и техники к межвоенному периоду достигло той стадии, когда большинству квалифицированных специалистов постоянно приходилось что-то считать. Бухгалтеры сводили баланс, инженеры рассчитывали прочность конструкций, государственные служащие вели учет населения, а ученым нужно было обрабатывать результаты экспериментов. Человеческая деятельность стала немыслима без постоянной возни с арифметикой. К середине Второй мировой потребность в универсальном быстром вычислителе стала особенно острой: наряду с банальной бухгалтерией пришлось спешно взламывать шифры и вести расчеты для создания ядерного оружия.

На фото: первый электронный числовой вычислитель «ЭНИАК», разработанный в 1940-х годах, и его операторы

Вычислительные машины сначала делали механическими, но вскоре инженеры нашли решение куда удачнее. Если морзянка кодирует буквы, то схожие сигналы можно использовать и для цифр. Ведь электрические импульсы, несущие сигнал, распространяются со скоростью света и операции с ними занимают ничтожные доли секунды, что очень выгодно. Кодирование чисел электрическими сигналами и создание электронных схем для обработки и хранения таких сигналов позволил создать универсальный вычислитель. Английский глагол to compute, «вычислять», и дал имя новому устройству — компьютеру.

Вскоре стало понятно, что серия электрических импульсов может кодировать не только числа, но и те же буквы. Что можно взять картинку или звук, а потом превратить их в последовательность сигналов, которые описывают, например, побитое на пиксели изображение. А универсальность компьютера позволяла не просто вести инженерные или бухгалтерские расчеты, но и выполнять любую программу, то есть 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 даже при смехотворной по нашим меркам производительности.

Шаг четвертый: полупроводники

Решением проблемы стало открытие полупроводников и создание транзисторов. Как и радиолампы, эти устройства меняли проходящий через них ток под действием слабого сигнала, только без лишнего энергопотребления. Да и размеры у них были намного меньше. Современных транзисторов на одном чипе размером с ноготь может быть несколько миллиардов, и при этом они безотказно работают десятки лет подряд.

Когда инженеры научились делать полупроводниковые микросхемы, которые объединяли множество сверхминиатюрных транзисторов, мечта их предшественников о массовом распространении компьютеров стала реальностью. Сделать устройство, которое прослушивает радиоэфир, вылавливает из него сотни миллионов импульсов в секунду? Запросто! Добиться того, чтобы потом 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? Элементарно! И чтобы работало от карманной батарейки? Нет проблем!

Это делает любой смартфон: серию радиоимпульсов из сети WiFi или от вышки мобильной связи он превращает в видео на экране, состоящем по меньшей мере из миллиона (1280х768) пикселей. У каждого из них есть три отдельных элемента для разных цветов. Больше половины наших читателей прочтет этот текст с мобильного устройства и, следовательно, воспользуется радиосвязью.

Сочетание «радиоволны + модулирование сигнала + кодирование цифрами + полупроводники» сделало возможным не только сотовую связь и WiFi. Это спутниковый интернет, цифровое телевидение, спутниковая навигация (сигнал передается в цифровой форме) и беспилотники. 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 рентгеном, а радиоволнами, а построение самой томограммы немыслимо без цифровых методов. Все это было бы невозможно без громоздких грозоотметчиков и работающего морзянкой аппарата.

Автор статьи - Алексей Тимошенко («Чердак»)