[Перевод] Метод «быстрой передачи сведений», или Зарождение реле
Чтобы изучить историю возникновения реле, сначала мы должны разобраться в происхождении электрического телеграфа. Из этого изобретения выросла история телекоммуникаций, ставшая неиссякаемым источником цифровых устройств и информационных технологий. Она появилась только после множества попыток, растянувшихся на целый век, по передаче «сведений» (того, что сейчас мы называем информацией) при помощи электричества.
Но сначала необходимо сделать одно важное пояснение — люди, о которых пойдёт речь в описании, представляли себе электричество при помощи совершенно отличных от наших категорий и концепций. Наши учебники физики упаковали разношёрстное прошлое в причёсанный набор концепций и уравнений, исключив столетия развития и конфликтов между разными философскими школами. Например, Ом никогда не писал формулу V = IR, а Максвелл не создавал уравнения Максвелла.
Я не буду пытаться изучать все повороты и хитросплетения интеллектуальной истории электричества, но попытаюсь представить идеи в таком виде, в каком они существовали в то время, а не так, как мы, оглядываясь назад, пытаемся впихнуть их в наши современные представления.
Электрическая жидкость
Явление электрического притяжения было известно с древних времён. В VI веке до н.э. Фалес Милетский записал свои наблюдения за тем, как трение кусочка янтаря (по-гречески «электрон» — по имени звезды Электра из семьи Плеяд в Созвездии Тельца) о кошачью шерсть, отмечая, что перья и другие лёгкие объекты внезапно начинали притягиваться к янтарю. Но много веков эта диковинка не привлекала особенного внимания.
С ростом экспериментальной натурфилософии в XVII — XVIII веках, учёные начали проявлять гораздо больше интереса к странностям природы. Согласно аристотелевскому взгляду на мир, доминировавшему в Европейской философии в течение всей Эпохи возрождения, только явно наблюдаемые закономерности могли привести к пониманию природных истин. Новые экспериментаторы опровергли эту точку зрения. Фрэнсис Бэкон писал нечто обратное в своей работе «Великое Восстановление Наук» 1620 года:
Я хотел бы, чтобы предлагаемая мною натурфилософия была историей не только свободной и неограниченной природы (когда она предоставлена сама себе и работает самостоятельно), но больше историей природы, испытывающей ограничения и возмущения. Когда по задумке и действию человека она вытесняется из её естественного состояния, сжимается и преобразуется. Природа вещей выдаёт саму себя с большей готовностью под воздействием человека, нежели когда она пребывает в свободном состоянии.
Английский физик Уильям Гильберт первым придумал термин, учитывающий, что «воздействие» на янтарь было частью более общего явления. В своём трактате от 1600 года » О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», он назвал это явление «электрицитусом», что значит «вести себя подобно янтарю». Он описал множество различных субстанций, выказывавших способность притягивать другие вещи после натирания, включая драгоценные камни, стекло и серу. Всё ещё следуя древней модели материи, состоящей из четырёх элементов, огня, воздуха, воды и земли, Гильберт считал, что именно водная часть этих субстанций придавала им электрическую энергию [Gilbert, On the Magnet, trans. by P. Fleury Mottalay (1893), 74–85; J.L. Heilbron, Electricity in the 17th and 18th Centuries (1979), 169–79.]. Но он не мог представить себе, что эту энергию когда-нибудь можно будет использовать для передачи сообщений. Сила притяжения работала только на очень небольших расстояниях.
Гильберт проводит электрическую демонстрацию при дворе королевы Елизаветы (фрагмент картины XIX века)
К началу XVIII века новые способы получения электричества были изобретены и другими. Было обнаружено, что положив руку на вращающийся шар, можно было создать мощную электрическую силу и даже передавать её по нити. Через несколько лет Стивен Грей обнаружил, что может осуществить эту передачу на несколько сотен ярдов. Были созданы и другие похожие электрические машины.
Генератор «серный шар» Отто фон Герике, ок. 1660
К тому времени учёные начали формировать представление об электричестве как о жидкости, которая накапливается, а затем расходуется, перетекая с одного места на другое. В отличие от Гилберта они не считали, что это была обычная вода, а представляли её себе как некую нематериальную субстанцию. Некоторые считали, что несколько различных жидкостей отвечали за свет, магнетизм и электричество, и даже жизнь. Другие верили, что существует единственная эфирная жидкость, проявляющая себя по-разному.
Наилучшую ёмкость для этой жидкости обнаружили в 1746 году с изобретением т.н. «лейденской банки», названной по имени города, где она сначала прославилась. Это устройство в законченном виде состояло из стеклянной банки, обёрнутой внутри и снаружи металлической фольгой, и с металлическим выводом, торчащим сверху, соединённым с внутренней фольгой.
Если подсоединить к выводу электрическую машину, то банка может хранить огромные количества электрической жидкости, будто бы налитой в банку. Эта жидкость разряжалась через сильный разряд, когда вывод подсоединяли к внешней фольге.
К тому времени появилась научная субкультура «электриков». Заполучив электрический генератор и лейденскую банку, можно было легко экспериментировать с электричеством, при этом вовсе не обязательно было заниматься математическими тонкостями вопроса;, а кроме того, можно было проводить красочные и яркие демонстрации. Бен Франклин, самый знаменитый из тех электриков, даже предложил, чтобы несколько таких устройств, объединённых в цепь, использовались для умерщвления и последующего приготовления индейки на ужин. Он назвал такую конфигурацию из нескольких банок «батареей» (по аналогии с батареей из пушек):
Индейку нужно убивать для ужина при помощи электрического удара, а затем жарить при помощи электрического вывода перед огнём, зажжённым электрической бутылкой. За здоровье же всех знаменитых электриков в Англии, Голландии, Франции и Германии нужно пить из заряженных бокалов под залп пушек из электрической батареи.
Прикоснувшись к возможностям лейденской банки, учёные увидели, что электрическую жидкость можно передавать на большие дистанции, и, кажется, мгновенно. Экспериментаторы доказывали это на опытах, отправляя заряды через различные среды, включая реки и озёра. Особенно прославились французские демонстрации аббата Жан-Антуана Нолле. Он отправил разряд через 180 солдат королевской гвардии, а затем по цепочке монахов-картезианцев длиною в полтора километра. Каждый из монахов соединялся с соседними, держа в руках металлический провод. К тому времени эксперименты уже показали, что металлические провода служат наилучшей средой для передачи — что они были «проводниками» для электричества.
Прожектёры
Используя новые инструменты — электростатические генераторы на основе трения, лейденские банки и проводящие провода — учёные начали делать первые попытки передачи сообщений при помощи электричества. В 1753 году некто с инициалами C.M., чья личность так и не была установлена, отправил в журнал Scot«s Magazine [журнал, посвящённый шотландским новостям; старейший из ныне издающихся, первый номер вышел в 1739 году — прим. перев.] свой план, «Метод быстрой передачи информации». Он описал систему, использующую по одному проводу на каждую из букв алфавита. На окончании каждого провода находился шарик из губчатого растительного материала. При передаче по проводу заряда наэлектризованный шарик должен был поднимать соответствующий листок бумаги с изображённой на нём буквой. Неизвестно, кто был этот С.М. и было ли построено подобное устройство [E.A. Marland, Early Electrical Communication (1964), 17–19].
Но за последовавшую сотню лет по его стопам пошли другие. В 1774 году швейцарский физик Жорж Луи Лесаж предложил систему с 26-ю проводами, похожую на описанную таинственным С.М. 26 букв были расположены в ней на манер клавесина [система стояла в его доме и передавала сообщения между двумя комнатами — прим. перев.]. Он подумывал о том, чтобы презентовать эту систему Фридриху Великому, «чтобы тот сам оценил её полезность», но даже если он и смог это сделать, монарха она не впечатлила, поскольку более о ней ничего неизвестно.
Как мог бы выглядеть телеграф Лесажа (с гравюры XIX века). Обратите внимание на электрическую машину справа.
Через двадцать лет испанец дон Франциско Сальва предложил систему передачи сообщений непосредственно на тело человека. Принимающий должен был держаться за провод и получать сообщения напрямую, когда другой конец провода принимал бы разряд лейденской банки. Он не объяснил, как сможет найти добровольцев, которые бы целый день держались за провод в ожидании удара током. Позже он построил более гуманную систему, создававшую искры между кусочками жестяной фольги, продемонстрированную им испанскому двору [John Joseph Fahie, A History of Electric Telegraphy, to the Year 1837 (1884), 89–91, 101–108].
Можно привести ещё множество примеров такого использования электричества из XIX века.
Такие экспериментаторы с телеграфом появлялись на периферии электрической науки. Франклин, Вольт, Фарадей и другие учёные, исследовавшие глубинную природу электричества, не интересовались способами передачи информации. Это была эпоха «прожектёров», людей с грандиозными планами, от основания шотландской колонии на Панамском перешейке до реализации древней мечты об алхимической трансмутации. Их высмеивал Джонатан Свифт, наполнивший «Академию в Лагадо» из «Путешествий Гулливера» людьми, тщетно пытавшимися извлечь солнечные лучи из огурцов и занятыми другой ерундой [Jonathan Swift, Gulliver«s Travels (1726), pt. 3]. Такие прожектёры, как Лесаж и Сальва столкнулись с несколькими препятствиями на пути к практической и эффективной системе, которой были необходимы:
1. Надёжный источник. Электрические машины и лейденские банки были слишком привередливыми и потенциально опасными устройствами, неспособными обеспечить плавное течение электрической жидкости (то, что мы назвали бы устойчивым током). Более того, говоря современным языком, они давали слишком большое напряжение, что выражалось в сильных потерях на плохо изолированном проводе.
2. Эффективные способы обнаружения сигнала и перевода его в язык. Проблема состояла из двух частей: постройки достаточно чувствительного детектора и способа кодирования языка в этом детекторе. Большинство электриков-прожектёров пытались напрямую представлять буквы алфавита на том конце провода, либо используя по одному проводу на каждую букву, либо такие устройства, как синхронизированные колёса или множество иголок, указывавших на нужную букву.
3. Концептуальная платформа, направляющая эксперименты в нужном направлении. Ом не разработал свой знаменитый закон вплоть до 1827, а вне Германии он стал известен только в 1840-х. До этого времени очень сложно было понять, почему определённые комбинации провода, электрического источника и детектора работали замечательно, а другие полностью проваливались.
В следующих частях мы узнаем, как эти препятствия были преодолены за последующие десятилетия, и по большей части в результате побочных эффектов при решении совершенно других проблем. Но сначала нам необходимо рассмотреть прибор, с которым будут сравниваться все попытки передачи сведений при помощи электричества — телеграф. Ибо до появления знакомого нам всем телеграфа существовало вот такое устройство:
Что почитать:
• John Joseph Fahie, A History of Electric Telegraphy, to the Year 1837 (1884)
• Thomas J. Hankins, Science and the Enlightenment (1985)
• J.L. Heilbron, Electricity in the 17th and 18th Centuries (1979)
• E.A. Marland, Early Electrical Communication (1964)
