Детективная история изобретения радио
В 1819 году профессор Копенгагенского университета Ханс Кристиан Эрстед, во время лекционной демонстрации эксперимента с электричеством (нагрев проволоки пропущенным через неё током), заметил, что стрелка морского компаса отклоняется во время протекания тока по рядом лежащему проводу. Тем самым Эрстед обнаружил связь между электричеством и магнетизмом.
Дальше этот феномен исследовали и дали ему первое теоретическое объяснение французский физик Андре-Мари Ампер и английский физик Майкл Фарадей.
В 1865 году английский физик Джеймс Максвелл опубликовал статью «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой математически описал электрическое и магнитное поля. Выведенные им уравнения, которые сегодня знает каждый выпускник школы, показывали, что существуют невидимые глазу электромагнитные волны, а также устанавливали тот факт, что видимый свет является лишь частью электромагнитного излучения. Теория Максвелла многими современными физиками воспринималась скептически, до тех пор, пока Генрих Герц не доказал на практике её правоту. После проведённых им опытов электромагнитные волны долго назывались волнами Герца.
В 1890 года французский физик Эдуард Бранли создал «радиокондуктор» — прибор, который представлял собой трубочку с металлическими опилками, сопротивление которых изменялось под воздействием высокочастотных колебаний. При появлении электрического импульса в среде из опилок формировался путь для прохождения тока, однако после прохождения сигнала опилки комковались и сопротивление трубки Бранли снова возрастало. Для повторного использования трубку надо было заново встряхивать.
В 1893 году английский физик Оливер Лодж усовершенствовал прибор Бранли, добавив механизм встряхивания трубки. Трубка встряхивалась по часам (т.е. встряхивание никак не было связано с получаемым электромагнитным сигналом). После данного обновления прибор получил название когерер (от слова «когезия» − сцепление).
Так была создана теоретическая и инструментальная база для будущего появления радио.
Русский физик Александр Попов с самого начала своей научной карьеры интересовался новейшими исследованиями в области электромагнетизма. Поступив в 1877 году на физико-математический факультет Петербургского университета, он ознакомился с фундаментальным трудом Джеймса Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме», вышедший в свет в 1873 году, на лекциях Ивана Боргмана.
В 1880 году в Русском техническом обществе был создан Электротехнический отдел, участники которого занимались как исследовательской, так и научно-просветительской деятельностью. В конце марта 1880 года в Соляном городке на берегу Фонтанки была открыта Первая в мире электротехническая выставка. Студент Александр Попов устроился работать на выставке «объяснителем». Так что все новейшие изобретения и открытия в области электротехники проходили через руки Александра Попова в прямом смысле этого слова.
После окончания института Александр Попов защитил кандидатскую диссертацию на тему «О принципах динамоэлектрических машин постоянного тока» в январе 1883 года. Летом этого же года он принял приглашение занять место преподавателя и заведующего физическим кабинетом в Минном офицерском классе в Кронштадте. С 1889 года по 1898 год Александр Попов заведовал электростанцией, которая обслуживала Нижегородскую ярмарку, получая за сезон 2500 рублей.
В 1890 году Александр Попов получил должность штатного преподавателя физики и электротехники в Техническом училище Морского ведомства. Ознакомившись с изданными в 1887 году работами Генриха Герца, Александр Попов подготовил и прочитал в 1890 году цикл лекций «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями» с демонстрацией опытов Герца. Лекции были настолько успешными, что командование попросило причитать их для широкого круга морских офицеров в Адмиралтействе.
В 1893 году Александр Попов был командирован на Всемирную выставку, посвящённую 400-летию открытия Америки. По дороге в США, в Париже он вступил в Французское физическое общество, что позволяло в дальнейшем оперативно знакомиться с новейшими публикациями и исследованиями. В Чикаго Попов лично присутствовал на демонстрациях ярких демонстрациях Николы Теслы и его изобретений. Опыты Теслы с высокочастотным трансформатором Александр Попов затем успешно повторял на своих лекциях в Санкт-Петербурге.
Осенью 1894 года Александр Попов получил английский журнал «The Electrician», где была опубликована статья Оливера Лоджа о его усовершенствовании трубки Бранли. Александр Попов увидел перспективу использования данного устройства для приёма и передачи сообщений. Только оно требовало доработки.
Решая задачу создания для флота системы беспроводной передачи и приёма сигналов, Александр Попов усовершенствовал когерер Лоджа, добавив к нему обратную связь. В цепь с когерером было включено реле, включающее после прохождения электромагнитных колебаний электрический звонок, молоточек которого бил по трубочке, встряхивая опилки и восстанавливая сопротивление когерера. Подключив к нему антенну и самописец, Александр Попов получил прибор, способный принимать и записывать сообщения.
В качестве передатчика Попов использовал модернизированный им вибратор Герца с искровым разрядником, питаемым от катушки Румкорфа (высокочастотного трансформатора). С помощью специально разработанного прерывателя, обеспечивалась возможность подачи импульсов тока различной длины, что позволяло передавать сигналы, кодированные азбукой Морзе.
Весной 1895 года Александр Попов и его ассистент Пётр Рыбкин проводили опыты по передаче и приёму сигналов на расстояние 30 сажен (64 метра) в саду Минного Офицерского Класса в Кронштадте. В качестве антенны приёмника использовалась проволока, поднятая воздушными шарами на высоту 2,5 метра
7 мая 1895 года Попов доложился о результатах своих экспериментов на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге, выступив с докладом «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям». Во время доклада учёной публике была продемонстрирована работа его прибора. Выступление Александр Попов закончил пророческими словами: «В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем его усовершенствовании может быть применён к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающих достаточной энергией».
12 мая 1895 года газета «Кронштадтский вестник» поделилась с читателями информацией об этом докладе:
«Уважаемый преподаватель А.С. Попов… комбинировал особый переносной прибор, отвечающий на электрические колебания обыкновенным электрическим звонком и чувствительный к герцевским волнам на открытом воздухе на расстояниях до 30 сажен… Об этих опытах А. С. Поповым в прошлый вторник было доложено в Физическом отделении Русского физико-химического общества, что было встречено с большим интересом и сочувствием. Поводом ко всем этим опытам служит теоретическая возможность сигнализации на расстоянии без проводников, наподобие оптического телеграфа, но при помощи электрических лучей».
Протокол заседания Русского физико-химического общества с подробным описанием устройства приёмника Попова, достаточным для его воспроизведения, был опубликован в августовском номере «Журнала РФХО» (1895 г., т. 27, вып. 8, с. 259−260).
Именно этот день, 7 мая, с 1945 года отмечается в России, как День Радио.
Александр Попов сперва стал применять свой приёмник для метеорологических наблюдений. Первый грозоотметчик Попова с автоматической записью наблюдений на бумажную ленту самопишущего прибора стал применяться в Лесном институте для круглосуточного приёма электромагнитных колебаний естественного происхождения, попросту говоря фиксация разрядов молний.
Всю зиму 1895–1896 года Александр Попов занимался усовершенствованием созданной им радиоаппаратуры. Параллельно с этим он опубликовал в январском номере «Журнала РФХО» полное описание своей системы радиосвязи в статье «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний» (1896, т.28, Вып.1. с. 1-14). Также в январе Попов продемонстрировал Кронштадтскому отделению Императорского Российского Технического Общества переносной приёмник, к которому он подключил, «для достижения резонанса»), симметричную антенну, аналогичную антенне передатчика.
24 марта 1896 года, на очередном заседании РФХО Александр Попов смог показать результаты зимних усовершенствований. Между передатчиком и приёмником, размещённых в разных зданиях Санкт-Петербургского университета, было 250 м. Первые слова переданные по воздуху при помощи азбуки Морзе были «Heinrich Hertz», таким образом Александр Попов отдал дань уважения праотцу радиосвязи.
С середины 1896 года Александр Попов получил целевое финансирование со стороны Морского министерства на свои работы по созданию беспроводного телеграфа. Для популяризации радиосвязи и повышения уровня знаний у публики в данной области Александр Попов регулярно писал статьи и читал лекции по своей теме. В январе 1897 года в газете «Котлин» он опубликовал статью «Телеграфирование без проводов», а в марте 1897 года прочитал лекцию «О возможности телеграфирования без проводов» в Морском собрании Кронштадта, его слушателями были адмиралы, генералы, офицеры всех родов оружия, дамы, частные лица и учащиеся.
Экспериментальные работы по созданию беспроводной связи Попов продолжил весной 1897 года. В итоге была достигнута дальность передачи сигнала в Кронштадтской гавани 600 м. А летом 1897 года начались эксперименты по установлению связи в Финском заливе между кораблями Учебно-минного отряда. Передатчик был установлен на транспорт «Европа», а приёмник на крейсер «Африка». Была достигнута дальность устойчивого приёма-передачи сигнала — 5 километров. Параллельно с этим был обнаружен интересный эффект — отражение радиоволн крейсером «Лейтенант Ильин», попавшим на прямую линию между кораблями. Попов сразу уловил, что радиосигналы можно ещё использовать для пеленгации кораблей из металла.
В конце XIX века наука поражала публику своими новыми и новыми открытиями, созданиями новых приборов. Многие учёные рассказывали о своих находках в открытых изданиях, публикуя, в том числе, и подробные описания экспериментальных установок, чтобы другие учёные могли собрать аналогичную систему и подтвердить либо опровергнуть полученный эффект.
В это время в Британской империи и в США в практике патентования было много дыр и лакун, коими пользовалось обширное племя патентных авантюристов. Например, даже изобретателю телефона Александру Беллу пришлось после подачи своей заявки 10 лет отбиваться от атак патентных мошенников и подать в свою защиту около 500 исков. Одним из таких охотников за патентной удачей был молодой итальянец маркиз Гульельмо Маркони. Маркони не смог получить полноценного образования: из средней школы он был отчислен за неуспеваемость, после занятий на дому не смог поступить в Итальянскую военно-морскую академию, занятия с итальянским профессором физики Болонского университета Аугусто Риги, также не помогли ему сдать вступительные экзамены в Болонский университет. Оставив попытки получить диплом, молодой Гульельмо, тем не менее заразился волнами Герца и идеей беспроводной связи.
И здесь ему, наконец-то улыбнулась удача. В январе 1896 года в библиотеке Болонского университета поступил январский выпуск «Журнала РФХО», в котором была опубликована статья Александра Попова, с полным описанием его прибора. Маркони, продолжавший посещать, как вольнослушатель, занятия Аугусто Риги, ознакомился с новинками в области передачи сигналов. И с «секретной схемой» и коробками деталей отбыл в Туманный Альбион. В активе с собой у него был совет от посла Италии в Лондоне Аннибала Ферреро, что в Англии он непременно найдёт финансирование своей затее (с послом связался друг семьи Маркони почётный консул США в Болоньи Карло Гардини).
В то время Британская Империя оставалась Владычицей морей. И не желал терять этот статус ни при каких обстоятельствах. Поэтому успехи Александра Попова по созданию беспроводной связи между кораблями не могли не заинтересовать британскую разведку. Амбициозный молодой итальянец, грезивший прославиться и создать трансатлантическую связь, пришёлся весьма кстати. Поэтому Гульельмо Маркони встретили на границе и сразу же передали в руки Адмиралтейства.
В Адмиралтействе, во благо короны, к Маркони была приставлена команда специалистов. Главным куратором и наставником молодого Гульельмо Вильям Прис, заведовавший департаментом почты и телеграфа. Команду спецов возглавил английский физик и математик, профессиональный патентовед, член Лондонского Королевского общества (аналог российской Академии Наук) Джон Моултон. За подготовку документов отвечал британский патентный эксперт-авторитет Джон Грэхем. Разработку и изготовление опытных образцов приёмно-передающей аппаратуры производили в лондонских мастерских британского ВМФ под руководством преподавателя Минного офицерского класса капитана сэра Генри Брэдвардина Джексона (В 1901 году был избран членом Лондонского Королевского общества за труды по продвижению и адаптации техники беспроводной телеграфии на флоте в 1896–1901 годах. В дальнейшем адмирал флота, в 1915–1916 годах — Первый Морской Лорд). Весь этот банкет на первых порах организовывал и оплачивал (по официальным бумагам) старший двоюродный брат Маркони по матери инженер-технолог мукомольного производства ирландец Генри Джеймсон-Дэвис — бывший офицер и герой Первой англо-бурской войны. А Маркони взял на себя обязанности публичных выступлений и презентаций результатов изобретения — в этом, как показало будущее, он действительно был мастер.
Из-под пера этой достопочтенной компании 2 июня 1896 г. вышла и была подана в Британское патентное ведомство предварительная патентная заявка за номером GB189612039 весьма мутного содержания. В заявке не было ни чертежей, ни полноценного описания установки Маркони. Антенна — столь необходимая для передачи и приёма радиосигнала — в предварительной заявке также не упоминается. Присутствовали лишь общие слова, с помощью которых авторы пытались застолбить за собой всю область беспроводной связи. При этом составители показывали своё полное непонимание распространения электромагнитных волн и динамической теории электромагнетизма на уровне современной им науки. В частности, в ней совершенно серьёзно утверждалось о возможности передачи высокочастотных радиосигналов через воду и грунт.
И заявка была принята британским патентным бюро (ведь среди участников стартапа Маркони было Адмиралтейство). Стоит отметить, что подлинник предварительной заявки Маркони был вскоре изъят из архива патентного бюро на частное хранение, и стал доступен публике лишь в 2004 году после рассекречивания архивов семьи Маркони.
Заменяющая (полная) заявка на патент, где была представлена слегка видоизменённая схема Попова (опять без упоминания антенны), была подана в британское ведомство 2 марта 1897 года. В США аналогичная заявка была подана немногим раньше — 7 декабря 1896 года. Британский патент был выдан 2 июля 1897 года, а американской — 13 июля 1897 года. А 20 июля была организована акционерная компания Wireless Telegraph & Signal Company, позднее переименованная в Marconi’s Wireless Telegraph Company.
Попытки получить такие же патенты в Германии, Франции и России провалились. Во всех трёх странах Маркони отказали «вследствие известности предлагаемого технического решения», ссылаясь на публикации Александра Попова. Таким образом план британской короны по установлению монопольного контроля над новой перспективной технологии провалился.
В 1898 году во Франции в мастерской физических приборов Дюкрете начали серийное производство радиостанций для флота по схеме Попова. Вскоре Морское ведомство России сделало заказ фирме Дюкрете на поставку 50 корабельных радиостанций в течение пяти лет.
Не получив полного контроля над распространением технологии радиосвязи Маркони решительно начал борьбу за большую часть рынка (который ещё только начинал формироваться). На первых порах его ждала неудача: представителей английского флота не впечатлили показанные им результаты во время первых представлений 2 сентября 1896 г. на равнине Солсбери под Лондоном приёмники с 3-х метровой обычной проволочной антенной могли ловить сигнал лишь на расстоянии 500 м, а приёмник и передатчик с параболическими рефлекторами, хоть и показали результат осуществления связи на 2,5 км, для этого должны были быть направлены друг на друга. Что неосуществимо в море. Но Маркони не сдавался и решил добиться публичности и популярности для радиосвязи. В области рекламы и презентаций он действительно оказался мастером.
В июле 1898 года принц Уэльский повредил ногу, но не стал отказываться от участия в парусной регате. И Маркони не упустил свой шанс. Он обеспечил передачу радиосообщений с яхты на остров Уайт, где в то время находилась королева Виктория. Ежедневно королева получала бюллетень о состоянии здоровья сына. Это же сообщение отправлялось в редакции газет, которые оповещали всю страну о самочувствии принца Уэльского. После завершения регаты принц Уэльский подарил эту яхту Маркони. После этого Маркони построил приёмно-передающие системы и антенные мачты на берегу Ла-Манша, возле городов Дувра и Булонь. 27 марта 1899 года он передал первое телеграфное сообщения без проводов через Ла-Манш.
На этом Маркони не желал останавливаться. Следующей его целью была трансатлантическая связь. 12 декабря 1901 года ему удалось совершить передачу через Атлантический океан буквы S. Правда никто не мог подтвердить этот факт. Но для журналистов это было не важно. Это эпохальное событие было растиражировано газетами по всему миру. Имя Маркони стало у всех на слуху.
Александр Попов меж тем продолжал свою исследовательскую работу. В мае 1898 года на Кронштадтском рейде тестировалось прохождение по воздуху сигналов телеграфирования. На представительской яхте «Рыбка», переданной для испытания связи военным губернатором Кронштадта и Главным командиром Кронштадтского порта, председателем Кронштадтского отделения Императорского Русского технического общества вице-адмиралом Николаем Казнаковым, Попов расположил передающую станцию. А новый, более чувствительный приёмник — на мостике эскадренного броненосца «Петропавловск», стоявшего в ожидании дооснащения вооружением у стенки Средней Гавани. Во время эксперимента Александр Попов отметил экранирование электромагнитных волн металлическими частями военного корабля. На следующий же день у него было решение этой проблемы.
Антенну стали располагать не вертикально, а горизонтально. Это решение впервые в мире было сделано и опробовано Александром Поповым на кораблях русского флота. Антенну предлагалось растягивать поверх рулевой (штурвальной) и штурманской рубок, поста управления артиллерийским огнём, выше дымовых труб. Благодаря такому расположению металлические части корабля действительно стали существенно меньше мешать приёму и передачи сообщений. Кроме этого, было существенно уменьшено влияние атмосферных помех и бортовых электрических импульсных наводок — ведь все они имеют, как правило, вертикальную ориентацию. Во время этих испытаний Попов догадался, что нет необходимости делать отдельно передающую и приёмную антенну. Одна антенна может служить как для передачи, так и для приёма сообщений.
Во время летних испытаний 1899 года, которые по поручению Попова проводили его помощник Пётр Рыбкин и начальник Кронштадтского телеграфа капитан Троицкий, было обнаружена высокая чувствительность аппаратуры при приёме сигналов на головные телефоны. Срочно вернувшись из зарубежной командировки Попов принялся изучать полученный эффект. В результате он разработал усовершенствованный когерер (кристаллический диод) и схему телефонного детекторного приёмника. На изобретения были получены патенты в России, Великобритании, Франции, США, Швейцарии и Испании.
В конце 1899 года система радиосвязи прошла проверку реальной жизнью. Броненосец береговой охраны «Генерал-адмирал Апраксин», сел на камни у острова Гогланд в Финском заливе в результате навигационной ошибки. Морской технический комитет предложил использовать радиосвязь для организации спасательных работ. Под руководством Александра Попова и Петра Рыбкина была построена и введена в эксплуатацию линия радиосвязи между островом Гогланд и островом Кутсало вблизи финского города Котка. А из Котки уже по проводной связи передавалась информация в Санкт-Петербург. Обе станции строились в тяжелейших условиях при сильных морозах и метелях.
5 февраля 1900 года Попову и его помощнику Рыбкину удалось наладить устойчивый канал радиосвязи. В первой же отправленной на остров Гогланд радиограмме содержался приказ для ледокола «Ермак»: выйти в море и спасти 27 рыбаков, унесённых на льдине. Вечером 6 февраля «Ермак» вернулся со спасёнными рыбаками на борту.
Спасение рыбаков было сразу же отмечено руководством флота. Адмирал Макаров телеграфировал Попову:
«От имени всех кронштадтских моряков сердечно приветствую Вас с блестящим успехом Вашего изобретения. Открытие беспроволочного сообщения от Котки до Гогланда на расстоянии 45 вёрст есть крупнейшая научная победа». Отвечая адмиралу, Попов написал: «Благодаря „Ермаку“ и беспроволочному телеграфу было спасено несколько человеческих жизней. Это является лучшей наградой за все мои труды, и впечатления этих дней, вероятно, никогда не забудутся».
За 84 дня спасательных работ по радиолинии было передано 440 радиограмм, содержавших более 10 тысяч слов. В апреле 1900 года броненосец был благополучно снят с камней и своим ходом отправился на ремонт.
За введение радиосвязи на кораблях флота Александр Попов получил премию в размере 33 тысяч рублей (около 120 миллионов рублей на сегодняшний день).
В 1900 году в Кронштадте при непосредственном участии Александра Попова была создана первая в России мастерская по изготовлению и ремонту радиоаппаратуры. Летом 1900 года в Париже на Всемирной промышленной выставке грозоотметчик А. С. Попова, изготовленный в Кронштадтской мастерской Е. В. Колбасьева, получил золотую медаль, а корабельная радиостанция, выпускаемая парижской фирмой Дюкрете под маркой «Попов-Дюкрете-Тиссо» — гран-при.
В 1904 году АО русских электротехнических заводов «Сименс и Гальске» объявило о том, что обществом образовано «особое отделение для устройства беспроволочного телеграфа по системе профессора Попова и Общества беспроволочной телеграфии „Telefunken“ в Берлине». Согласно пятилетнему договору оборотный капитал отделению предоставляли обе фирмы, а прибыль делилась поровну на трёх контрагентов — обе фирмы и Александр Попов.
13 января 1906 года на 47 году жизни Александр Степанович Попов скоропостижно скончался от кровоизлияния в мозг.
Гульельмо Маркони совместно с немецким физиком Карлом Брауном (участником общества «Telefunken») в 1909 году получил Нобелевскую премию «За вклад в развитие беспроводного телеграфа». В 1923 году Маркони вступил в Национальную фашистскую партию Муссолини, а в 1930 году по приглашению Муссолини возглавил Королевскую академию Италии. Говорят Маркони обещал Муссолини наладить радиосвязь с марсианами. Но наладить контакт с инопланетянами ему не удалось, в 1937 году Гульельмо Маркони ушёл из жизни в возрасте 63 лет.
На начало ХХ века спора об отцах-основателях радио не существовало, первенство Александра Попова признавалось учёные по всему миру. Показательным является ответ Оливера Лоджа, автора когерера — усовершенствованной трубки Бранли, на запрос комиссии Русского физико-химического общества: «Я всегда был высокого мнения о работах профессора Попова в области беспроволочного телеграфирования. Я тоже применял метод автоматического встряхивания когерера для восстановления чувствительности, но Попов первый использовал для этого действие самого сигнала. Это, я думаю, является новшеством, придуманным Поповым. Это было немедленно подхвачено Маркони и другими».
Сегодня мы пользуемся плодами открытия Александра Попова на каждом шагу: радио, телевидение, мобильная связь, Wi-Fi, Bluetooth — всё это имеет своё начало с первого приёмника Александра Попова и лекции прочитанной им 7 мая 1895 года.