Історія винайдення радіо
Крок перший: рівняння і досліди
Історія радіо почалася у 1865 році, коли один з найвидатніших фізиків XIX століття Джеймс Максвелл опублікував статтю «Динамічна теорія електромагнітного поля», де математично описав електричне та магнітне поля. Його рівняння вказували на те, що світло являє собою коливання електромагнітного поля і що можуть існувати інші електромагнітні хвилі, невидимі оку.
На те, щоб виявити такі хвилі, пішло ще 20 років. У 1880-х роках Генріх Герц зумів отримати їх за допомогою електричного розряду. Німецький фізик довів, що ці хвилі відбиваються від різних поверхонь і заломлюються при проходженні через призму з асфальту, непрозору для видимого світла.
Повідомлення про досліди Герца підігріли інтерес вчених по всьому світу. У серпні 1894 року британець Олівер Лодж прочитав лекцію по радіохвилях, де серед інших дослідів продемонстрував, як вони передаються на відстань приблизно півсотні метрів. Але Лодж швидше розвивав експерименти по виявленню радіохвиль, ніж цілеспрямовано розробляв новий засіб зв`язку. Фізики могли фіксувати хвилі на все більшій відстані, але до Марконі і Попова дальність не перевищувала сотні метрів. Для практичного застосування цього було мало.
7 травня 1895 року Олександра Попов представив прилад для реєстрації електромагнітних сплесків при грозових розрядах, а через рік, 24 березня 1896 року, продемонстрував передачу радіоповідомлення з однієї будівлі в іншу. Гульєльмо Марконі теж сконструював спочатку «розрядопередавач», а потім і радіотелеграф, причому ще в 1894-1895 роках, але свої прилади, передавач і приймач, показав публіці тільки у вересні 1896 року. Зробив він це не на батьківщині, а в Великобританії: італійське міністерство телеграфу і пошти роботою 20-річного винахідника не зацікавилося.
Можна сказати, що і Марконі, і Попов, винайшли радіопередачу незалежно один від одного, спираючись на експерименти Герца, а той, у свою чергу, використовуючи теорію Максвеллом.
Так 1896 рік став роком народження радіо. Посилати в ефір голос з музикою тоді ще не вміли – можна було лише зафіксувати, що неподалік випромінювалися радіохвилі. Сигнал передавали азбукою Морзе, поперемінно включаючи і вимикаючи передавачі. Ними служили так звані розрядники: вони створювали радіохвилі в моменти, коли між двома контактами пропускали іскру. Розрядники виявилися тупиковою гілкою технічної еволюції: ці складні громіздкі установки споживали дуже багато енергії і до того ж випускали сигнали відразу по всьому радіодіапазоні, заважаючи один одному. По суті, перше радіо було бездротовим телеграфом, до того ж незручним.
Крок другий: теплий ламповий звук
Сама по собі хвиля, якщо її частота і амплітуда постійні, не несе ніякої інформації крім простого факту, що «передавач увімкнений». Тому для передачі звуку або інших даних сигнал потрібно модулювати, тобто змінювати хвилю в часі. Апарати Марконі та Попова не дозволяли це зробити.
Щоб вплинути на частоту або амплітуду хвилі, потрібні деталі, здатні змінювати протікання через них струму у відповідь на слабкий електричний сигнал. Цими елементами стали радіолампи – скляні балончики з відкачаним у них повітрям і упаяними металевими частинами на зразок тих, що вже використовувалися для освітлення.
Незважаючи на крихкість, ненадійність і нагрівання під час роботи, лампи дозволили створити «повноцінне» радіо і ще безліч інших корисних винаходів: від радіокерованої техніки (перша спроба створити безпілотний літак була зроблена ще в Першу світову війну) до телебачення і радарів. Радіо прийшло навіть в кухонну техніку – їжа в мікрохвильових печах розігрівається саме завдяки електромагнітних хвиль.
Теорія Максвелла і досліди Герца дозволили передавати сигнал без проводів, крізь непрозорі перешкоди та на багато сотень кілометрів. Винахід радіоламп і розвиток електроніки уможливило передачу спочатку звуку, потім зображення – і радіо з`явилося в кожному будинку. Наступною революцією був перехід до «цифри» на заміну аналоговій техніці.
Крок третій: числа і комп`ютери
Третя революція, як колись – роботи Джеймса Максвелла, теж була пов`язана з математикою. Але цифровий стрибок в XX столітті почався не з побудови теорії про будову матерії, а з наданих арифметичних розрахунків.
На час між світовими війнами наука і техніка розвинулися настільки, що більшості кваліфікованих кадрів постійно доводилося щось рахувати. Бухгалтери зводили баланс, інженери розраховували міцність конструкцій, державні службовці вели облік, а вченим потрібно було обробляти результати експериментів. З початком нової війни фахівцям довелося зламувати ворожі шифри і вести розрахунки для створення ядерної зброї. Всім їм потрібна була універсальна і швидка обчислювальна машина.
Перші такі агрегати робили механічними, але незабаром інженери знайшли рішення куди вдаліше. Якщо морзянка кодує букви, то схожі сигнали можна використовувати і для цифр. Електричні імпульси, що несуть сигнал, поширюються зі швидкістю світла, тому операції з ними займають незначні частки секунди. Кодування чисел електричними сигналами і створення електронних схем для обробки і зберігання таких сигналів дозволили створити універсальний обчислювач. По-англійськи «обчислювати» буде to compute. Пристрій так і назвали – комп`ютер.
Незабаром стало зрозуміло, що серія електричних імпульсів може кодувати не тільки числа, а й ті ж букви, та навіть більше, можна взяти картинку або звук і перетворити їх в послідовність сигналів. Універсальність комп`ютера дозволяла не просто вести інженерні або бухгалтерські розрахунки, а й виконувати будь-яку програму – в теорії, робити з будь-якою інформацією все, що завгодно. Ось тільки радіолампи, незважаючи на всі хитрощі інженерів, продовжували грітися і перегорати, тому зібрати комп`ютер було досить трудомістким завданням.
Крок четвертий: напівпровідники
Проблему вирішили за допомогою напівпровідникових транзисторів. Подібно до радіоламп, транзистори міняли проходження струму під дією слабкого сигналу, але споживали менше енергії і займали менше місця. В сучасних мікросхемах розміром з ніготь може розміститися кілька мільярдів транзисторів, які безвідмовно працюють десятки років.
Мрія про масове поширення комп`ютерів поступово стала реальністю. Зробити пристрій, який прослуховує радіоефір і виловлює з нього сотні мільйонів імпульсів в секунду? Запросто. Домогтися того, щоб ці імпульси на льоту перетворювалися в потік чисел, який потім обраховують складні програми? Смішне завдання для сучасної електроніки. Перетворити ці числа в серію команд для декількох мільйонів інших пристроїв? Легко! Передбачити, щоб система вміло обробляти сигнали з звичайних радіостанцій, а ще одночасно вела складні геодезичні розрахунки? І щоб працювало від кишенькової батарейки? Елементарно.
Все це робить будь-який смартфон. Серію радіоімпульсів з мережі Wi-Fi або від вишки стільникового зв`язку він перетворює, наприклад, в відео на екрані, що складається щонайменше з мільйона точок-пікселів. У кожної з них є три окремих елемента для різних кольорів. І все це можливо завдяки радіозв`язку.
Ті ж принципи лежать в основі супутникового Інтернету і навігації, цифрового телебачення, безпілотників. Безконтактні банківські карти, проїзні квитки, електронні перепустки теж частково повторюють досліди Герца з передачею сигналу без проводів між близько розташованими антенами. І навіть магнітно-резонансний томограф просвічує тіло не рентгенівськими променями, а радіохвилями, і побудова самої томограми немислимо без цифрових методів. Все це було б неможливо без математичних обчислень, громіздких апаратів та винахідників: Джеймса Максвелла, Генріха Герца, Гульєльмо Марконі та Олександра Попова.
