Слышу, вижу, различаю

1. До проводов и волн
Как только люди начали расселяться отдельными племенами, их стал занимать вопрос передачи информации. Не поедет же вождь племени к соседу только чтобы предложить встретиться? У него и так дел много. Кричать слишком далеко — эхо, дисперсия и просто затухание делают на большом расстоянии твою речь неразборчивой. Вождь отправлял гонца. Эти первые почтальоны поначалу запоминали сообщение, а после появления письменности стали переносить целые депеши. Трудней всего приходилось посыльным Междуречья — там переносились большие глиняные таблички.
Курьеры пересели на лошадей, организовывались целые дилижансы, несущие мешки писем и посылок. В древнем Риме даже строили специальные почтовые дороги, куда путь простым людям был запрещён. Додумались приручать для передачи голубей: на хвосте или лапе птицы закрепляли небольшую капсулу с кратким письмом и голубь летел домой, откуда его в клетке не так давно увезли.
Но и они не давали нужной быстроты, а если перевозить приходилось через горы и моря, то скорость заметно уменьшалась. Даже в середине XIX века она оставалась неважной: новость о начале Крымской войны дошла до Австралии за полтора года!
Проще всего для ускорения передачи было использовать свет: на башнях вдоль Великой Китайской Стены зажигались огни в случае подхода неприятеля и по этому сигналу прибегала охрана. Однако это даже не сообщение, а просто определённый и ожидаемый всеми сигнал, на который следовало собраться и прибежать во всеоружии.
Северо-американские индейцы прибегали к дыму: зажигали костёр и при помощи покрывала регулировали поступление дыма. Отправить можно было не так много: существовала своеобразная дымовая азбука и индейцы не отправляли размашистые фразы.
У моряков проблема быстрой передачи вставала наиболее остро, и они придумали развешивать на мачтах разноцветные флажки, каждый из которых представлял отдельную букву. Капитан проходящего мимо корабля в подзорную трубу мог считать небольшое сообщение.
Эта бедность сообщений и подтолкнула на новые изобретения. В конце XVIII века додумались использовать солнечные зайчики — был придуман гелиограф, который применяли почти полторы сотни лет. В ясную погоду сообщения такого телеграфа можно было передать на расстояние до пятидесяти километров, а если хотелось и дольше, то оптические телеграфы соединяли цепочкой.
Роберт Гук придумал использовать две передвигающиеся планки, теперь можно было отображать целые буквы, соединять их в слова и предложения — это ускорило передачу. Самым удачным стал телеграф братьев Шапп, изобретённый в 1780 году. И уже вскоре по всей Европе «выросли» такие башни. Но оптический телеграф мог работать только в ясную погоду, да и расстояние между станциями должно быть около десяти километров, а уж если сложный рельеф и того меньше.
2. Точка и тире
У американского художника Сэмюэля Морзе была мечта: связать весь мир с Северо-Американскими Соединёнными Штатами. Пароходы в середине XIX века шли долго и редкий голубь перелетал Атлантический океан. Даже чтобы американцы могли посмотреть на шедевры Лувра он написал картину, где их все и изобразил.
Однажды возвращаясь из Европы на пароходе «Салли», он увидел машинный телеграф, по которому капитан передаёт машинисту о том, как ему переключить скорость двигателя. И тут ему пришла простая идея: что если в одном месте установить выключатель (его ещё называют ключом), а в другом лампу или движущуюся ленту с карандашом. Замыкая ключ, мы увидим зажигающуюся лампу или линию на ленте. А когда же появятся буквы? Художник вместе с Альфредом Вейлом разработал особый код из точек и тире, который назвали в его честь азбукой Морзе (или попросту «морзянкой»). Телеграфисты же добавили своих профессиональных сокращений: –. –.. (GD) — Good Day (добрый день), ….. ….. (55) – рукопожатие.
Первыми словами переданными по телеграфу стали: «Вот что творит Бог!» Патент получили в 1837 году, а уже пять лет спустя была построена линия между Вашингтоном и Балтимором длиной 63 километра.
Со скоростью ветра телеграфные провода окутали Новый и Старый свет. От станции к станции летели телеграммы со скоростью света. И вот настала очередь соединить и континенты.
Однако протянуть кабель длинной 4000 километров по дну Атлантического океана от Великобритании до США заняло целых девять лет и свершилось это в 1866 году. Почему же так долго?
Во время первых двух попыток прокладки кабель рвался. Третья увенчалась успехом, однако некачественные изоляция и проводники дали проработать ему несколько месяцев. Для четвёртой попытки изготовили слишком защищённый кабель — стальная броня рвалась и задевала проводники, создавая короткое замыкание. Пятый кабель облегчили и всего за две недели проложили с помощью гигантского парохода «Великий Восток». Для закрепления успеха, корабль отыскал уже проложенный в предыдущей попытке кабель, соединил с запасным и сделал вторую трансатлантическую линию.
3. Три семейных истории, или «Слышу...»
Первая семейная история в изобретении телефона началась с того, что Александр Грэм Белл основал собственную школу для глухонемых и познакомился с дочерью адвоката Мейбл Хаббард. В девушку он влюбился и задался целью как-то вернуть ей слух при помощи науки (а ведь у него уже была пара патентов к тому времени). Белл изобрёл жидкостный микрофон, динамик, сами аппараты для передачи голоса, а в 1876 году он передал голос на расстояние 200 метров.
Первые слова, произнесённые по телефону, были: «Мистер Ватсон, подойдите, пожалуйста, ко мне». Их Белл сказал из своей лаборатории, когда пролил кислоту. Кстати, Томас Ватсон вошёл в историю и как изобретатель телефонного звонка в 1878 году, до тех пор к телефону прилагался свисток и приходилось свистеть в микрофон при исходящем звонке. Куда уж до современных полифонических мелодий?.. А спустя ещё пять лет Ватсон построил и первую телефонную будку.
На девушке Александр Белл потом женился, а его тесть стал одним из спонсоров будущей компании Bell Telephone Company, через семь лет появилась компания American Telephone and Telegraph, существующая и по сей день под кратким названием AT&T.
Теперь уже настала очередь телефонных проводов опутывать планету. Люди обзаводились телефонными аппаратами, а для соединения в единую сеть строились телефонные станции, где женщины по запросу соединяли абонентов, вставляя нужный коннектор в разъём.
Однако телефонные компании хорошо развивались в крупных городах, а деревни обходили стороной. Американские фермеры придумали построить свою сеть, используя в качестве проводов колючую проволоку на заборах, а бутылочные горлышки или початки кукурузы заменяли им изоляторы. Питались такие телефоны от мощных батарей, а для звонка использовали специальный генератор. Но фермерские сети не имели телефонных станций и абоненты между собой договаривались кому и сколько звонить. В этих сетях даже устраивались концерты, собрания, даже рассказывались новости, когда все одновременно звонили на один аппарат. Но в конце концов, телефонные компании обратили внимание на фермеров и стали подключать их к городским телефонным станциям.
Вторая семейная история случилась в городе Канзас-Сити. Элмон Строунджер владел похоронным бюро и терпел убытки. Разгадка его неудач проста: жена его конкурента работала телефонисткой и все звонки по поводу похорон перенаправляла в контору мужа. В 1888 году Строунджер решил избавиться от предвзятости в перенаправлении и изобрёл автоматический телефонный коммутатор — сердце современной телефонной станции. Это устройство оказалось настолько удачным, что без особых изменений просуществовало до 1970-х годов.
А спустя одиннадцать лет случилась и третья семейная история. В 1889 году у механика Уильяма Грея заболела жена и ему периодически требовалось позвонить с работы домой — справиться о её самочувствии. Однако хозяин ближайшего к работе телефона не разрешил им воспользоваться. Грей изобрёл телефон-автомат, куда требовалось положить монету для нескольких минут разговора. Спустя два года он основал компанию, выпускавшую такие автоматы. Всего за четырнадцать последующих лет изобретатель получил 23 патента на телефоны-автоматы, доведя свой аппарат до совершенства.
4. Помощники решают всё!
Датский физик Ханс Кристиан Эрстед демонстрировал электричество своим студентам в учебный год 1819-1820 годов, а после лекции один из слушателей положил нагревающийся от вольтового столба (одной из первых батарей) провод на морской компас. Стрелка отклонилась! Так была открыта связь между электричеством и магнетизмом.
Пять лет спустя швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон изучал уже действие магнита на электрический провод. Он вставлял магнит в катушку провода, концы которого были подключены к гальванометру. Для чистоты эксперимента учёный разместил прибор в соседней комнате, чтобы магнит не влиял на галванометр. И после того как вставлял магнит в катушку, переходил посмотреть показания. Но стрелка по-прежнему стояла на нуле.
Открытие совершил спустя шесть лет английский физик Майкл Фарадей. Он повторил эксперимент только с той разницей, что у него был ассистент, стоящий у гальванометра. И он-то определил, что ток в цепи возникает только в момент появления магнита в катушке, потом же он исчезает. Фарадея это подтолкнуло на дальнейшие исследования электромагнитной индукции, а также изобретение электродвигателя.
Спустя ещё полвека в 1888 году немецкий физик Генрих Герц проводил эксперимент с передачей электромагнитных волн. К тому моменту Джеймс Максвелл уже создал теорию электромагнитных волн, а Герц проверял теорию практикой. Идея была проста: сгенерировать электромагнитную волну одним устройством и поймать другим. Он создал передатчик электромагнитных волн с катушкой индуктивности Румкорфа (вибратор Герца), а с другой стороны при помощи разорванного кольца «ловил» волну в виде проскакивающих искр. Этот эксперимент подтолкнул многих учёных на попытки создания радио. Началась гонка!
Первым успеха в этом добился русский физик Александр Попов. Будучи преподавателем Технического училища морского ведомства в Кронштадте, он очень интересовался связью кораблей в море. Сначала Попов изобрёл радиоприёмник на основе изобретения Лоджа, но так как передатчиков у него не было, это устройство хорошо шипело в грозу — мощный источник электричества, потому и было названо «грозометчиком». Дело оставалось за малым: соединить грозометчик с вибратором Герца! 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества он продемонстрировал оба устройства: радиоприёмник и радиопередатчик. Правда, сначала это был радиотелеграф и первая радиосвязь оказалась морзянкой. Он передал всего два слова: «Генрих Герц».
Но мало какая гонка обходится без фотофиниша. В то же самое время итальянец Гульельмо Маркони усовершенствовал приёмник Попова и передал год спустя сообщение на расстояние в 3 км. Маркони пошёл дальше, основал фирму, нанял много инженеров, получал патенты, в то самое время как Попов с тремя ассистентами ставил радиотелеграфы на корабли и форты. К тому же, военное ведомство сделало радио секретным прибором и запрещало публиковать результаты исследований и получать патенты. Поэтому считается, что изобретателей у радио два.
Ассистент Попова Пётр Рыбкин придумал антенну, до тех пор пользовались антенной Никола Тесла, требующей заземления. Изобретённая антенна позволила поставить радио на корабли. Адмирал Степан Макаров предложил установить радиотелеграф на первый в мире ледокол «Ермак». 24 января 1900 года с «большой земли» отправили радиограмму, прося спасти 27 рыбаков в Финском заливе: их несло в открытое море на отколовшейся льдине. Так впервые спасли человеческие жизни с помощью радио и открылась широкая дорога для морзянки на воде.
Для краткости радисты разработали множество сигналов, самый знаменитый их которых: SOS — эта аббревиатура ничего конкретного не обозначает и каждый раз её переводят по-разному, просто нужен был сигнал, легко различаемый в радиоэфире: три точки, три тире, три точки. С 1927 года радисты всего мира дважды в час прослушивают частоты 500 кГц (для радиотелеграфа) и 2182 кГц (для радиотелефона), ища кому же прийти на помощь, кроме того есть время радиомолчания, когда никто не отправляет сообщений, а только слушают сигналы бедствия.
6. ...Различаю
Уже с первых дней существования телеграфа стало ясно, что количество сообщений ограничивается самим телеграфистом и в особо бойких местах приёма телеграмм люди попросту не справлялись.
В 1869 году знаменитый изобретатель Томас Эдисон изобрёл универсальный тикерный аппарат, где уже морзянку «знала» сама машина, а телеграфист набирал текст на специальной клавиатуре. На другом конце такой линии стояла печатная машинка, выдававшая вместо точек и тире готовый текст на ленте. Такая система позволила ускорить набор телеграмм до одного символа в секунду.
Спустя полвека принцип тикерного аппарата усложнили, применив код Бодо и расширив ленту для строчек и абзацев. Так появился телетайп, который мог передавать информацию уже в три раза быстрее. В коде Бодо в отличие от морзянки для кодирования всегда используется комбинация из пяти символов, похожих на точки и тире. Для автоматических устройств это наиболее удобно, поскольку проще отделять один символ от другого. Телетайпы были популярны до 1990-х годов. С их помощью передавали новости, биржевые сводки, распоряжения военных, сводки погоды для авиации, межбанковские расчёты. Кроме того, сеть телетайпов можно считать дедушкой Интернета – с их помощью «общались» компьютеры.
А вот изображения научились передавать на расстояние практически сразу после изобретения телеграфа в 1843 году. Изобретённый в 1855 году пантелеграф требовал перед отправкой сделать копию изображения на свинцовой фольге. Этот весьма дорогой способ не стал популярным, однако с изобретением фотоэффекта появилась возможность превратить изображение на бумаге в электрические импульсы, а у получателя печаталась фотография-копия. В 1924 году передали фотографии для газет из Кливленда в Нью-Йорк. Это устройство называется фототелеграфом и использовало оно телефонные сети. Оно стало популярным и следующие тридцать лет использовалось и в криминалистике для передачи фотографий преступников, и в метеорологии для передачи погодных карт, и для передачи документов. В США по разновидности фототелеграфа – тикетграфу – передавали даже железнодорожные билеты из центральной кассы в пригородные.
Фототелеграф оказался весьма привередливым средством связи, ему требовался квалифицированный уход, аппараты разных производителей оказались несовместимы. Ситуацию испортили и работники телефонных станций – они улучшили голосовую связь так, что сигналы фототелеграфа оказались попросту шумом и отфильтровывались.
Прорыв в передаче изображений произошёл в 1964 году, когда фирма Xerox уже прославившаяся фотокопировальной техникой, изобрела «дистанционный ксерокс». Фактически они разделили стандартный копир на две части: сканер в одном месте, а принтер – в другом. Этот аппарат назвали факсом и делали его уже с учётом современных стандартов телефонной связи. Первые факсы переправляли одну страницу за шесть минут, потом это время удалось сократить вдвое.
В факсе для того чтобы передать одну точку её надо сперва осветить, получив или не получив ответный электрический сигнал, затем переходят к другой точке. В приёмнике же там, где сигнал проявился, термопринтер «прожигает» точку. Иногда вместо термопечати используется и струйный принтер, капающий в том месте чернилами.
В 1969 году впервые связались три компьютера и началась эпоха Интернета. Сперва использовали телефонные сети и аналоговые сигналы — для этого на компьютерах стояли специальные устройства — модуляторы и демодуляторы, а попросту модемы. Информацией компьютеры обменивались в цифровом виде, но для передачи приходилось её преобразовывать в аналоговый и обратно. Телефонные сети имели свои ограничения на частоту сигнала и это приводило к тому, что больше 56 килобит в секунду передавать не получалось. То есть, на передачу одной песни уходило около минуты, о том, чтобы слушать интернет-радио в хорошем качестве и речи не было.
В конце 1980-х появились специальные Интернет-сети, передающие информацию уже в цифровом виде по специальному протоколу TCP/IP и скорость стала расти с каждым годом. Сегодня провайдеры готовы предоставить до 100 мегабит в секунду, умалчивая, правда о том, что это максимальная скорость с некоторым серверами, а если связываться с далёкими серверами, то скорость окажется значительно меньше.
Конечно, интернет устроен несколько сложнее, чем просто протокол — TCP/IP фактически описывает в каком виде сигнал формируется, как он находит адресата и как прокладывается маршрут обмена информацией. В деле же передачи информации через Интернет ключевую роль играет сервер, который может физически находится где угодно. Конечно, хозяева месенджеров стараются создать побольше серверов, чтобы сократить и расстояние передачи, и загруженность оборудования, но все наиболее популярные ресурсы так или иначе работают через сервер.
Ведь может так случится, что если вы отправляете сообщение маме в соседнюю комнату, то оно огибает планету несколько раз, прежде чем дойти. С учётом скорости света, задержка небольшая, но если на этом пути окажется перегруженный сервер, то он поставит пакет из вашего сообщения в очередь и вам будет быстрее до мамы дойти.
В 1965 году: программисты Массачусетского технологического института написали программу mail, и полетели первые электронные письма. Правда, сперва в письмах адрес от сервера отделялся не известной нам всем «собачкой» – «@», а восклицательным знаком «!». Когда же спустя время люди перешли к массовой электронной почте, пришлось усложнить адрес (всё же появился Интернет и просто адреса компьютера оказалось недостаточно) и найти замену часто используемому восклицательному знаку. Так и появилась «собачка» – символ древний, но мало используемый даже программистами.
7. ...вижу...
Когда радио уже шагало по планете и заходило в дома, связывало корабли и самолёты, а также отдалённые города, изобретатели задались вопросом о передаче без проводов изображения.
С точки зрения сигналов задача значительно усложнялась: кроме звука следовало передать и картинку. Но как это сделать?
В 1884 году Пауль Нипков изобрёл сканирующий диск: на нём были сделаны отверстия на разном радиусе, если диск вращать очень быстро, то он как бы становится прозрачным. Такой «обман» происходит благодаря свойству наших глаз: 19 раз в секунду они «считывают» картинку, а мозг уже соединяет эти изображения и возникает иллюзия движения: если диск движется достаточно быстро, то отверстия как бы сливаются в одно.
2 февраля 1925 года шотландский физик Джон Бэрд вышел на улицу и позвал посыльного Эдварда Тэйтона. Юношу он поставил перед камерой и получил его изображение на своём механическом телевизоре. Правда, первый в мире телеведущий дальнейшую карьеру на телевидении не построил…
И хотя механические телевизоры были шумны и передавали изображение не самого большого разрешения (еле доходило до 130 строк — пикселей в высоту), именно они заложили основы телевизионного сигнала…
Позже появились телевизоры на электронно-лучевой трубке, где поток частиц вылетал из пушки и падал на зажигающийся люминофор. Специальные магниты отклоняют поток частиц и этакая электронная кисть постепенно закрашивает весь экран. Первые такие телевизоры, меняя кадры опирались на напряжение питания, поэтому изображение менялось в два раза чаще… А сама кисть ходила через строку — так называемая чересстрочная развёртка. При первом периоде чётные строки, при втором — нечётные. А что же делать со звуком? Его передают фазовой модуляцией. Поэтому некоторые телеканалы можно слышать в радиоприёмнике.
Но вскоре мир телевидения разделился на три части. Это произошло с приходом цвета в конце 1960-х годов. В США и затем в Японии приняли систему NTSC, в Европе – PAL, а Франция и Советский Союз – SECAM. Чем они отличаются? Есть два существенных отличия. Помните историю про чередование кадров? В США в розетке 60 герц, а в Европе и России — 50. Эти цифры поделили надвое и вышло, что в PAL и SECAM — 25 кадров в секунду, а в NTSC — 29,97 кадров (тут пришлось немного округлить до длительности этого кадра). Второе: чересстрочная развёртка, луч в NTSC «рисует» строки снизу вверх, а в PAL и SECAM — сверху вниз. А вот PAL и SECAM отличаются способом передачи цвета от строки к строке: в России несколько экономят информацию о цвете и предполагают, что в соседних строках он одинаков, а вот в Европе информация о цвете в строке каждый раз новая. Для России с её просторами это очень выгодно: вдалеке от ретрансляторов зритель может видеть цветную картинку со «снегом», а вот в системе PAL картинка стала бы чёрно-белой.
Долгие годы эти три системы боролись между собой, захватывая всё новые и новые страны, но первыми пришли на выручку производители телевизоров, которые пожелали продавать свои товары в другие страны и просто изобрели универсальные декодеры. Теперь, если телевизор переключается на канал, с той или иной системой, он её определяет автоматически, зритель при этом ничего не замечает. Мы даже не знаем, что в нашей местности часть каналов может быть в SECAM, а часть в PAL или даже NTSC. Почему получается такое разнообразие? Просто так захотелось владельцам телеканалов.
Такие сложности сигнала сильно расширили его до 8 МГц в диапазоне. В момент появления телевизоров уже разделили радиодиапазон и остался кусочек в пределах от 48 до 862 МГц. Его в свою очередь разделили на 12 метровых (48 — 108 МГц) и 48 дециметровых (174 — 862 МГц) каналов. Некоторые из этих телеканалов приходится отдавать для других источников. Например, в Канаде первый телеканал отдали радиолюбителям. А в ряде мест из-за особенностей рельефа часть каналов невозможно передать в хорошем качестве. И выходит, что из 60 каналов остаётся не так много доступных. На смену аналоговому телевидению пришло цифровое. Его передают по тем же дециметровым телеканалам, однако в 1 аналоговый телеканал можно уместить больше цифровых, применяя цифровое кодирование — телевизор по-прежнему принимает один канал, однако может вычленять один из десяти.
9. А что дальше?
Сегодня сигналы используются не только для отправления телеграмм или подключения телевизоров. Радиоастрономы пытаются найти с их помощью внеземные цивилизации. Для этого используются специальные мощные приёмники и передатчики: радиотелескопы. Они очень большие и мощные. Существует два проекта: SETI — поиск в шуме космоса осмысленных сигналов, и METI — отправка внеземным цивилизациям осмысленных сигналов. Учёным из этих проектов приходится очень сложно.
Первые стараются подбирать частоты, направления и в хаосе космоса находят сигналы «братьев по разуму». Но поймать сигнал мало — его следует ещё и расшифровать. 15 августа 1977 года доктор Джерри Эйнман поймал сигнал цифровой 6EQUJ5 из созвездия Стрельца. Он так удивился, что на распечатанном листе подписал «WOW!», то есть «ОГО!» Конечно, инопланетяне, если это были они, не отправляли сигнал 6EQUJ5 — буквы и цифры «нарисовал» преобразователь радиотелескопа. Но до сих пор спорят, что хотели отправить на Землю, и отправили ли, или это так шумел космос.
Также учёные пытаются поймать просто сигналы от цивилизации, построившие свои радиопередатчики. Но учёные опасаются, что «шумят» в эфире цивилизации только подошедшие к радио. Земляне сначала сильно излучали в СВ и ДВ диапазоне, а сейчас вся связь у нас в основном в УКВ, проводах и оптических волокнах. То есть, возникает риск перехватить шум, отправить в том направлении сигнал… и никто не ответит — радио там уже не пользуются.
Учёные из METI стараются и создать осмысленные сигналы, чтобы на другой планете их могли понять. Самый простой способ: язык знаков. 16 ноября 1974 года из обсерватории Аресибо в космос отправили сигнал состоящий из 1679 нулей и единиц. Почему такое число? Потому что учёные решили, что инопланетяне смогут догадаться, что это за сигнал и превратить его в полотно размером 23 на 73 пикселя, потому что получить другое полотно и невозможно. И из этого сообщения они узнают о нашей планете, нашей жизни и даже телескопе Аресибо.
История с сигналами, конечно, не закончена. Люди будут увеличивать разрешение экранов, добавлять в телевизоры запахи и эффект присутствия — а это новые протоколы, новые кабели. Люди освоят дальний космос, а это как раз тот случай, когда скорость света оказывается не такой уж и большой — чтобы сигнал дошёл до Луны потребуется чуть больше секунды, до Марса — минимум три минуты. Даже сигнал «братьям по разуму» от радиотелескопа Аресибо дойдёт до адресата в 2226 году. А теперь представьте, что будет, если вы ведёте диалог с вашим собеседником, а он сидит и ждёт шесть минут, пока вы ответите?
Возможно, человечество найдёт другие способы сообщения. Возможно, это будут гравитационные волны, возможно, мы сможем отправлять сообщения через подпространство. Эти открытия ещё предстоят человечеству, и быть может, ты откроешь новый способ связи.
Просвещённые люди XVIII века не подозревали, что новости о произошедшем на другом конце планеты будет известно через несколько минут уже всей планете.