Артур Кларк Голоc через океан

 

XV. ПРОВОДА НАЧИНАЮТ ГОВОРИТЬ

Утром 4 августа 1922 года вся система телефонной связи в Соединённых Штатах и в Канаде на одну минуту была выключена в знак прощания с человеком, который дал ей жизнь и которого в этот момент опускали в могилу на мысе Бретон, в Новой Шотландии, в Канаде.

Телефон, видимо, был последним, так сказать, "несложным", но потрясшим мир изобретением. "Несложным" потому, что его изготовление было под силу любителю, располагавшему весьма ограниченным набором материалов. В те времена толковали, что если бы Белл хоть что-нибудь понимал в электротехнике, он и не пытался бы создать такой нелепый прибор.

Но это и неверно и несправедливо. Белл знал, что делал, хотя и удивился, что достиг результата столь простым способом. Если бы мы попытались перенестись на сотню лет назад и представить, что наш уровень знаний соответствует тому времени, каждый из нас решил бы, что для передачи речи на большие расстояния, если это вообще возможно, требуется очень сложное оборудование.

Человеческая речь - весьма сложный комплекс сигналов, гораздо сложнее, чем обыкновенные точки и тире, используемые в телеграфном коде. Грэхем Белл знал это лучше других, так как был, так же как и отец его и дед, профессором ораторского искусства.

Когда мы говорим, в окружающей среде - воздухе - возникают краткие или продолжительные колебания, так называемые звуковые волны. Частота колебаний этих волн охватывает очень широкий диапазон. Нормальная речь содержит частоты от 50 периодов в секунду, или герц, что соответствует глубокому басу, до 5000 периодов, соответствующих высокому сопрано, - иными словами, человеческий голос охватывает диапазон от единицы до ста или почти семь октав *.

* Октава - музыкальный термин, означает интервал, охватывающий 8 ступеней звукового ряда. Частота основного тона верхнего звука октавы (8-й ступени) вдвое больше частоты основного тона нижнего звука (т. е. 1-й ступени октавы). Семь октав соответствуют увеличению частоты основного тона в 2⁷ раз, т.е.  в 128 раз. Следовательно, частоты основных тонов самого нижнего и самого верхнего звуков 7-октавного ряда относятся, как 128:1.

Более того, речь не содержит ни одного звука в чистом виде, какой, например, издаёт камертон или струна скрипки. Человеческий голос состоит из комплекса звуков различных частот, одновременное звучание которых придаёт ему индивидуальность, или тембр. Мы узнаём друг друга по голосу, ибо наши уши в состоянии воспринимать и различать все эти частоты так же, как благодаря нервным окончаниям нёба мы различаем вкус бренди, молока или пива. Если бы люди изъяснялись друг с другом посредством "чистых тонов", они давно нашли бы способ обмениваться информацией на расстоянии так же быстро, как мы это делаем теперь. Правда, тогда говорящие не могли бы определить по голосу, с кем они разговаривают.

Любой метод передачи человеческой речи на расстояние требует, чтобы из одной точки в другую без искажений транслировалась довольно широкая полоса частот. К счастью для инженеров связи, мы можем при передаче нормальной человеческой речи понимать друг друга и узнавать голоса, не используя самых нижних и самых верхних частот, ограничивая полосу частот пределами от 200 до 2000 герц  *.

* Не совсем точно. Для обеспечения качественной передачи человеческой речи обычно принято использовать полосу частот от 300 до 3400 герц (гц). Для передачи же по кабелям концертных программ, т.е. музыки, пения, требуется более широкая полоса частот - от 80-100 до 8000-10000 гц.

В том случае, если нам требуется очень точное воспроизведение голоса, что вряд ли необходимо для телефонных разговоров, мы прибегаем к воспроизведению нижних и верхних частот.

Хотя изложенное выше и представляет в настоящее время лишь исторический интерес, всё же стоит отметить, что человеческая речь может быть передана на довольно большое расстояние чисто механическим способом, без применения электричества. Мы уже упоминали о переговорных трубках, которые, хотя и в ограниченном количестве, до сих пор применяются в машинных отделениях судов и ещё кое-где. В восьмидесятых годах в тщетной попытке конкурировать с изобретением Белла на сцену выступил "проволочный телефон". Он иногда встречается и сейчас в виде детской игрушки, но и только. Такой телефон изготовлялся из пары лёгких и тонких диафрагм, соединённых металлическим проводом. Под действием звука диафрагма вибрировала, и речь передавалась по проводу, который не обязательно туго натягивать и можно прокладывать по земле и под водой. Считалось, что передача речи возможна на расстояние до пяти километров, однако практически оно ограничивалось пятьюстами метрами.

Одно время даже делались попытки организовать с помощью этого изобретения постоянную сигнальную систему. Предполагалось, что определённые лица, заинтересованные в каком-нибудь одном деле, будут общаться друг с другом посредством проволочного телефона. В наше время остаётся только удивляться наивности таких предложений.

Примечательно, что само слово "телефон" появилось на свет ещё до рождения Грэхема Белла. Его впервые употребил профессор Уитстон * уже в 1840 году, назвав так приспособление, с помощью которого можно было передавать музыкальные звуки на короткие расстояния, используя деревянные рейки.

* Телефон - составное слово: "теле" - далеко, "фон" - звук, или голос. Телефон означает: "голос издалека". Ссылка А. Кларка на приоритет Уитстона сомнительна; Ч. Уитстон пользовался термином "звуковой телеграф". Что касается термина "телефон", то его впервые ввёл в обиход немецкий изобретатель Филипп Рейс в 1861 г. Это было 14 лет спустя после рождения Белла, но за 15 лет до его знаменитого изобретения.

В семидесятые годы многие изобретатели делали попытки транслировать человеческую речь с помощью электричества, и вопрос, кто из них будет первенствовать в этом деле, был вопросом времени. Доказательством служит тот факт, что американское бюро патентов получило заявку электротехника Элиши Грэя 1835-1901) на изобретение телефона часом-двумя позже, чем заявку Грэхема Белла. В то же время Белл был первым, кто не только изготовил телефон и запатентовал его как изобретение, но и публично продемонстрировал его практическое применение.

Другие были близки к этому, но их работы не получили известности, и им не удалось успешно их завершить. Таким образом, именно Грэхем Белл получил известность и вошёл в историю, а имена его соперников можно встретить лишь в примечаниях книг по истории телефонии. В соревнованиях на первенство в изобретениях или научных открытиях второго приза не существует.

Грэхем Белл родился в Эдинбурге (Шотландия) в 1847 году; когда два его брата умерли от туберкулёза, а у него были обнаружены признаки этой болезни, семья переехала в Канаду. К этому времени Беллу исполнилось 23 года, а так как умер он в возрасте 75 лет, нет сомнения, что переезд в Канаду благотворно сказался на его здоровье. Сначала он поселился в Брантфорде около Торонто, а затем переехал в Бостон, где стал профессором вокальной физиологии - в те времена так громко назывался учитель, преподающий методику речи, постановку голоса и основы ораторского искусства. В Бостоне в 1875-1876 годах и был изобретён телефон, хотя Белл в тот период работал над совершенно другим изобретением - так называемым "гармоническим телеграфом". Нельзя не обратить внимания на эту идею, так как она в зародыше представляет собой принцип современной многоканальной дальней связи, в частности связи по трансатлантическим телефонным кабелям.

Александр Грэхем Белл в год изобретения им телефона

Белл пытался усовершенствовать метод одновременной посылки нескольких телеграфных сигналов по одному проводу. Для этой цели он в качестве передающего и приёмного устройств использовал наборы металлических вибрирующих "язычков" (пластинок), каждый из которых воспроизводил определённый музыкальный звук. На концах "язычков" Белл сделал контакты, которые при вибрации соединялись или разъединялись с контактами электрической цепи, и пропущенный через передающее устройство электрический ток должен был прерываться. Все сигналы передавались бы одновременно, но каждый принимающий "язычок" воспринимал только свой сигнал, соответствующей частоты, а остальные сигналы игнорировал. Таким образом, сигналы должны были отбираться в соответствии с их частотой, примерно так, как это бывает, когда мы настраиваем современный приёмник на нужную радиостанцию.
 

Рисунки к патентной заявке Белла.
Прослеживается трансформацмя "гармонического телеграфа"

Это случилось второго июня 1875 года. Белл настраивал одну из пластинок своего приёмного устройства; его помощник Томас Ватсон, находившийся в другой комнате, на расстоянии около 18 метров, наблюдал за передающим устройством. Передающая пластинка застряла, и Ватсон попытался освободить её, но безуспешно. Контакты на пластинке расплавились, так как не сработали на разъединение и подверглись воздействию постоянного тока вместо переменного в течение продолжительного времени. В момент, когда Ватсон пытался оторвать непокорную пластинку от контакта, Белл наклонился к приёмному устройству и отчётливо услышал слабые звуки, похожие на те, которые издаёт натянутая струна. Этот момент и следует считать моментом рождения телефона *.

* Строго говоря, это  ещё не был момент рождения телефона. Понадобился нс один месяц на то, чтобы заставить телефон заговорить. Всё это время по проводам, соединявшим передающее и приёмное устройства, удавалось передавать только отдельные звуки, но не членораздельную речь. В процессе работы принцип действия телефона представлялся Беллу всё отчётливее. В конце ноября он подал в американское бюро патентов изобретательскую заявку. Патент на изобретение телефона был выдан Беллу 7 марта 1876 года.

А ещё через три дня после этого вечером 10 марта 1876 г. Белл передал по электрическому телефону, соединявшему его квартиру с лабораторией, расположенной на чердаке того же дома, фразу, адресованную помощнику Ватсону: "Говорит Белл, Грэхем Белл. Если Вы меня слышите, подойдите к окну и помашите мне шляпой". В следующий момент Белл увидел, как Ватсон, высунувшись из окна квартиры, яростно машет шляпой. "Действует, действует! Мой телефон действует!", - с неистовой радостью закричал Белл.

В июне того же года Белл впервые публично демонстрировал телефон на Первой всемирной электротехнической выставке в Филадельфии. А уже в августе 1876 г. в США были установлены первые 778 телефонов.

Набросок первой конструкции телефона в блокноте Белла

Белл тут же понял, что произошло (важен принцип!), хотя по проводу был передан один единственный сигнал - музыкальный звук. Значит, сигналы и других частот можно будет передавать тем же самым способом! А если расширить полосу частот, появится возможность передавать на расстояние человеческую речь! После этого изготовление модели телефона зависело только от разработки отдельных деталей.

Телефон Белла был чрезвычайно прост. Он состоял из металлической диафрагмы, помещённой в поле подковообразного магнита. Диафрагма, вибрирующая под действием звуковых волн, генерировала колебания электрического тока, которые передавались по проводам. Идентичное устройство на другом конце провода превращало электрические колебания в звуковые.
 

Жидкостной микрофон Белла.
У колеблющегося погруженного электрода - платинового стерженька - пульсирует площадь соприкосновения с электролитом

Приёмная часть телефона Белла сохранилась почти без изменений до наших дней. Примерно так же устроены и громкоговорители в современных радиоприёмниках. Что касается передающего устройства, то оно оказалось неудовлетворительным и после довольно продолжительного спора о патентном праве было заменено угольным микрофоном, изобретённым Эдисоном * и также с небольшими изменениями сохранившимся до нашего времени. Телефон - пожалуй, единственное изобретение, которое с момента своего появления претерпело столь незначительные изменения.

* Томас Альва Эдисон (1847-1931) усовершенствовал телефон Белла введением индукционной катушки и угольного микрофона своей конструкции, отчего возросли громкость и чёткость передачи.

Телефон быстро распространился по всему миру. Он был необходим и в то же время так прост в обращении (в рекламе того времени говорилось: "Обращение с ним не требует никакой квалификации, никакой технической подготовки..."), что с ним едва ли могло конкурировать любое другое изобретение того времени. Из истории техники известно, что лишь немногие устройства так быстро, прочно и надолго вошли в нашу жизнь. В течение десяти лет только в Соединённых Штатах было установлено больше 100000 телефонных аппаратов, через двадцать пять лет их насчитывался миллион. В ту минуту, когда гроб с телом Белла опускали в могилу, в Соединённых Штатах умолкло тринадцать миллионов телефонных аппаратов.

У телефона - Белл. 1892 г.

Появлению и быстрому распространению телефона способствовало и то обстоятельство, что в течение уже тридцати с лишним лет, предшествовавших его изобретению, применялся телеграф. А с точки зрения техники они имеют много общего. Более того, многие действующие телеграфные линии использовались для телефонной связи.

Если бы телефон был изобретён первым (вещь маловероятная, но не невозможная), для его практического применения потребовалось бы гораздо больше времени, хотя бы по той причине, что в то время никто не верил в возможность передачи электрических сигналов на расстояние. Даже в сложившейся ситуации предложение Белла Британскому почтовому ведомству в 1877 году о техническом использовании телефона было отклонено его главным инженером с резолюцией: "Возможность применения весьма ограничена".

Мы не будем в этой книге касаться всех деталей, связанных с признанием телефона и его практическим использованием, однако на некоторых узловых моментах стбит остановиться. К числу их относится забытый теперь эпизод, связанный с патентным правом на изобретение телефона. Как уже упоминалось, Эдисон создал отличный микрофон чрезвычайно простой конструкции. Звуковые волны приводили в колебание диафрагму, которая оказывала различное давление на угольный порошок, находящийся под ней, изменяла его сопротивление, что, в свою очередь, вызывало колебания пропускаемого по передающей цепи тока, соответствующие звуковым колебаниям.

Когда компания "Вестерн Юнион" попыталась запатентовать это изобретение, она встретила неожиданные трудности. Передающее устройство нельзя использовать без приёмного, и юристы компании Белла твёрдо отстаивали право на его изобретение, ссылаясь на то, что одно передающее устройство ещё не является телефоном в законченном виде. Когда Эдисону сообщили о создавшейся ситуации - он в это время работал над другими изобретениями, - Эдисон обещал сделать новое приёмное устройство на совершенно отличном от белловского принципе. И выполнил своё обещание через пять дней. В его устройстве звуки воспринимались только в моменты трения платинового контакта о вращающийся цилиндрический кусок мела. Слушающий должен был всё время вращать ручку, соединённую с цилиндром, если он хотел слышать, что говорят на другом конце провода. Совершенно очевидно, что такое громоздкое устройство долго не просуществовало. И когда интересы Эдисона и Белла столкнулись, выдающийся изобретатель предпочёл изобретательство тяжбе за патентное право.

Можно упомянуть также о таком забавном факте, как изобретение своеобразного микрофона профессором Юзом в 1878 году  *. Хотите верьте, хотите нет, но микрофон состоял из трёх обычных гвоздей. Два гвоздя укладывались рядом, а третий - сверху, на них, как перекладина лестницы. Когда через это Н-образное устройство пропускали электрический ток, оно становилось чрезвычайно чувствительным детектором звуковых вибраций.

* Дэвид Юз (1831 -1900) - известный американский физик и изобретатель в области электротехники, автор одной из конструкций буквопечатающего телеграфного аппарата, получившего распространение в Америке и Европе, в частности в России, на линии Петербург-Москва. Кстати, он был первый, кто предложил заменить малоэффективное электромагнитное или платино-жидкостное микрофонное устройство Белла угольным микрофоном.

До недавнего времени самые консервативные элементы телефонов:
слева - капсюль угольного микрофона,
справа - мембранный излучатель с электромагнитами.

Когда телефон был изобретён, Белл, казалось, потерял к нему интерес. Возможно, это было вызвано затянувшимся спором об авторстве. У него были прочные слава и состояние, и он провёл остаток своей жизни, экспериментируя в разных областях науки и техники. В числе их была, между прочим, и авиация. Может быть, тот, кому ещё где-то в уголке сердца нет и десяти, поймёт, какое удовольствие получил Белл, сделав в 1907 году огромный воздушный змей. Этот змей размерами 15X3,5 метра был составлен из 12000 маленьких треугольных крыльев и напоминал огромные соты. Он мог поднять на высоту около 50 метров даже человека. Его пассажиром стал несчастный лейтенант Селфридж, тот самый, который несколько месяцев спустя трагически погиб, поднявшись на аэроплане. Это была первая авиационная катастрофа со смертельным исходом для пассажира *.

* Т. Селфридж погиб в 1908 г. во время пробного полёта с Орвилом Райтом; аэроплан упал с высоты 22 м.

В течение нескольких лет провода связи опоясали все наиболее крупные города мира, причём компании по прокладке телефонных линий вели между собой жестокую конкурентную борьбу. По мере того, как города насыщались телефонными линиями, возникла необходимость в создании телефонных станций *. Вначале операторами на телефонных станциях были мальчики, но это продолжалось недолго - вероятно, сыграла свою роль известная математическая закономерность, популярная в английских семьях: "один мальчик - это один мальчик; два мальчика - это только полмальчика; а три мальчика - это уже не дети". Телефонистами вскоре повсеместно стали девушки. Возможно, телефон своим появлением сделал так же много для эмансипации женщин, как и пишущая машинка.

* Открытие первой в мире городской телефонной станции, обслуживающей 21 абонента, состоялось в 1878 г. в Нью-Хейвене (штат Коннектикут), расположенном между Бостоном и Нью-Йорком.

Очевидно, в скором времени следовало ожидать попыток связать телефонные системы Англии и континента; таким образом будет достигнуто то, что несколько десятков лет назад было сделано при помощи телеграфа.

Первый англо-французский телефонный кабель * проложило в 1891 г. кабельное судно "Монарх", с потомком которого мы ещё встретимся в последующих главах. Телефонный кабель того времени мало чем отличался от телеграфного, но для столь короткой дистанции вполне подходил. Когда же была сделана попытка проложить подводный кабель на более длинное расстояние - между Англией и Ирландией - инженеры встретились с неожиданными трудностями.

* Это вообще был первый морской телефонный кабель.

Мы уже знаем, что большая электрическая ёмкость замедляла прохождение сигналов по первым подводным телеграфным кабелям. До некоторой степени это можно преодолеть, замедлив темп передачи, но то, что приемлемо для азбуки Морзе, совершенно исключается при передаче человеческой речи. Чтобы вдвое уменьшить скорость передачи по телеграфному кабелю, достаточно наполовину сократить входную мощность, и кабель будет функционировать. Другое дело с телефонным кабелем - передавать сигналы, соответствующие человеческой речи, в замедленном вдвое темпе практически бесполезно.

Для кабеля длиной в несколько десятков километров проблема была решена благодаря теоретическим исследованиям Оливера Хевисайда, блестящего и талантливого, но кое в чём эксцентричного учёного-математика. Имя его теперь упоминается в связи с самыми различными областями точных наук. Каждому известен слой Хевисайда в атмосфере, который играет важную роль в радиопередачах на длинные дистанции (встречались люди, считавшие, что в названии слоя отражено физическое понятие, а не имя учёного. Менее широко известны работы Хевисайда в области математики и связи. А ещё меньше известно о нём самом. Из всех, с кем мы встречаемся на страницах этой книги, он наиболее сложный и наименее понятный в силу своей эксцентричности. По-видимому, он принадлежит к плеяде английских чудаков, главою которых принято считать Льюиса Кэррола.