Сакраментальный вопрос «Кто изобрел радио?» просто не имеет однозначного ответа. К созданию устройств для беспроводной передачи сообщений с помощью электромагнитных волн приложили руку не меньше дюжины университетских профессоров и технарей-самоучек в Западной Европе, России (это, конечно, Александр Попов), Америке и даже Индии. Однако радиосвязь как успешное коммерческое предприятие была задумана и осуществлена благодаря усилиям молодого итальянца, не имевшего не только академических степеней, но даже школьного аттестата. Он-то и есть настоящий отец радио — по утверждению биографов, это признал сам Попов в ходе беседы с Маркони в Кронштадте летом 1902 г.
Маркони перевел в практическую плоскость новые идеи, которые его предшественники только обдумывали или же использовали в весьма скромных экспериментах.
Аугусто Риги
Беспроводная связь без радио
Как известно, история не знает сослагательного наклонения — в том числе и история науки и техники. И всё же нельзя не заметить, что радио могли изобрести даже прежде, чем Генрих Герц в 1886-88 гг. экспериментально доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. Я расскажу всего о двух работах, которые могли привести к этому великому событию, — в действительности их было больше.
В 1829 г. американский физик Джозеф Генри начал экспериментировать с лейденскими банками. Со временем он обнаружил, что их электрические разряды вызывают возмущения, в результате которых на расстоянии намагничиваются металлические иголки. Сейчас мы знаем, что этот эффект производят электромагнитные волны, но Генри, естественно, не подозревал об их существовании. В 1859 г. немецкий физик Беренд Феддерсен экспериментально доказал, что разряды лейденских банок запускают эфирные (как тогда говорили) колебательные процессы. В 1883 г. профессор из Дублина Джордж Фрэнсис Фицджеральд предложил использовать такие колебания в качестве источника максвелловских волн. Однако он не представлял, как эти волны зарегистрировать, а потому и ограничился чистой теорией.
Самое интересное, что вполне работоспособный детектор электромагнитных волн к этому времени уже существовал. Это открытие сделал замечательный английский изобретатель Дэвид Эдвард Хьюз — создатель телетайпа и угольного микрофона. В 1879 г. Хьюз заметил, что разряды электростатических генераторов и индукционных катушек значительно уменьшают электрическое сопротивление микрофона, которое он сумел зарегистрировать на расстоянии около полукилометра. Хьюз с гениальной прозорливостью догадался, что новооткрытое явление порождено высокочастотными электрическими волнами, однако ученые мужи, которым он демонстрировал свои опыты (а среди них были такие такие крупные физики, как Джордж Габриэль Стокс и Уильям Крукс), этой гипотезы не поддержали. Разочарованный Хьюз не стал ничего публиковать и тем самым упустил возможность приблизить изобретение радио.
В конце XIX века предпринимались весьма успешные попытки наладить беспроводную связь с помощью электромагнитной и электростатической индукции. Одна из подобных систем, придуманная знаменитым Эдисоном (его патентная заявка была подана в 1885 г. и утверждена в 1891-м), позволяла железнодорожным пассажирам получать и отправлять телеграммы непосредственно во время движения поезда. Тексты передавались по телеграфным линиям, расположенным вдоль полотна, однако расстояние между поездом и кабелем они преодолевали без всяких проводов. Эдисоновская аппаратура безупречно работала на трех железнодорожных маршрутах, однако коммерческого успеха не имела и потому продержалась недолго. Тогда же главный инженер британской почтовой службы Уильям Прис (с ним мы еще встретимся!) успешно экспериментировал с индукционной передачей морзянки между прибрежными приемно-передающими станциями, разнесенными на несколько километров. Аналогичные опыты в 1894 г. провел под Берлином профессор Эрих Ратенау. Во всех этих и подобных им экспериментах сигналы фактически передавались с помощью низкочастотных электромагнитных волн, бесполезных для практической радиотехники. Тем не менее, эти опыты показывали, что беспроводная электромагнитная связь принципиально возможна.
Радиоволны: контекст эпохи
Однако реальная история радио все же начинается с классических экспериментов Генриха Герца. В качестве источника радиоволн он использовал индукционную катушку Румкорфа — высоковольтный повышающий трансформатор, питающийся от гальванической батареи, подсоединенной через конденсатор и магнитный прерыватель. Ее вторичная обмотка была замкнута на искровой промежуток (у Герца он был образован двумя маленькими латунными шариками, закрепленными на длинных медных стержнях,увенчанных полой подвижной металлической сферой или квадратной пластинкой). Если катушка подает на шарики электрические импульсы, между ними проскакивают искры, генерирующие затухающие цуги электромагнитных волн (в опытах Герца их длина составляла от 60 см до 5 м). Детектором служил так называемый резонатор — незамкнутое металлическое кольцо (или прямоугольная рамка) с собственным искровым промежутком.
Излучатель Герца оказался родоначальником всех первых радиопередатчиков, созданных в конце XIX века (передатчики с непрерывной генерацией радиоволн, сначала дуговые и электродинамические, а затем и ламповые, появились лишь после 1900 г.). В 1893-1894 гг. профессор физики Болонского университета Аугусто Риги внес в герцевскую конструкцию значительные усовершенствования, позволившие получать мощное излучение сантиметрового диапазона. Со временем искровые генераторы зарекомендовали себя и в коммерческой радиосвязи.
А вот детектор Герца для этого явно не годился. Визуальное наблюдение за искрами, проскакивающими сквозь щель резонатора при прохождении волновых импульсов, представляло интерес с точки зрения физики, но не обеспечивало надежного приема ни отдельных сигналов, ни, тем более, длинных сообщений. Однако радиотехнике и здесь крупно повезло. Где-то в 1884 г. итальянский учитель физики Темистокл Кальцекки-Онести обнаружил, что электрическое сопротивление стеклянной трубки, наполненной металлическим порошком, резко снижается после прохождения через нее импульса электрического тока. Фактически это был эффект, пятью годами ранее замеченный Хьюзом, только без электромагнитных волн. В отличие от Хьюза, Кальцекки-Онести опубликовал свои результаты в журнале Il Nuovo Cimento. Поэтому о них узнали другие ученые, в том числе профессор парижского Католического университета Эдуард Бранли, продолживший эти опыты. В начале 1890-х годов Бранли выяснил, что проводимость порошка возрастает вблизи электрических искр и сохраняется таковой в течение нескольких часов.
Он также заметил, что прежнее высокое сопротивление восстанавливается после механического встряхивания контейнера с порошком. Отсюда следовало, что наполненная металлическими опилками трубка с двумя электродами может служить детектором электромагнитных волновых импульсов.
Трубку Бранли, как стали называть это простое устройство, многократно совершенствовали, но в принципе она не менялась (механизм ее действия поняли куда позднее — сопротивление падает из-за спекания частиц порошка под действием токов высокой частоты, возбужденных электромагнитными волнами). В 1894 г. британский физик Оливер Лодж прочел в Лондоне и Оксфорде две публичные лекции, в ходе которых впервые продемонстрировал, что комбинация трубки Бранли и гальванометра позволяет регистрировать короткие и длинные (как точки и тире азбуки Морзе) импульсы радиоволн от герцевского излучателя на расстоянии порядка 50 м. Правда, он не догадался закодировать таким образом какое-нибудь слово, в противном случае изобретение радио датировалось бы 1894 г. (много позже Лодж писал, что из-за занятости преподаванием в лондонском Университетском колледже он просто не подумал о перспективах радиотелеграфии). Стоит отметить, что в его опытах трубки Бранли периодически встряхивали с помощью специальных приспособлений — либо электрических, либо работающих от часового механизма.
Детекторы радиоволн, основанные на эффекте изменения проводимости сенсорного блока под действием радиоимпульсов, называются когерерами. Этот термин придумал опять-таки Лодж, как производное от cohere — сцепляться. В те времена считали, что первый когерер изобрел Бранли, хотя по справедливости приоритет следует отдать Хьюзу.
Почти одновременно с когерером Лоджа появился прототип еще одного детектора радиоволн, идея которого восходит к работам Джозефа Генри. Его придумал будущий отец ядерной физики Эрнест Резерфорд, который в начале своей научной карьеры (сначала в Новой Зеландии, а затем в Кембридже) изучал магнитное действие радиоволн. Он дополнил резонатор Герца катушкой из тонкой проволоки с намагниченной стальной иглой внутри. Под действием радиоволновых импульсов игла размагничивалась, что и показывал магнитометр. С помощью этого прибора Резерфорд детектировал радиоволны на расстоянии в три четверти мили от источника, о чем и написал в статье, опубликованной в 1895 г. Этой работе было суждено сыграть немалую роль для прогресса радиотехники.
Таким образом, в середине последнего десятилетия XIX века уже имелись вполне надежные устройства для генерации и приема радиосигналов. Но было необходимо, чтобы кто-нибудь счел, что с помощью этих приборов можно создать новую технологию передачи сообщений и обеспечить ее коммерческий успех. Таким человеком оказался Гульельмо Маркони.
Гульельмо Маркони появился на свет в Болонье утром 25 апреля 1874 г. Он был вторым сыном в меру состоятельного землевладельца Джузеппе Маркони и его жены Анни. Анни была младшей дочерью Эндрю Джеймсона — процветающего владельца ирландской винокурни, выпускавшей известный и в наше время брэнд виски (поэтому Гульельмо с детских лет в равной мере владел и английским, и итальянским). До 12 лет он учился дома под руководством матери и приходящих наставников. Среди его любимых книг была выкопанная в отцовской библиотеке биография Бенджамена Франклина и популярные лекции Фарадея по электричеству.
В связи с явной склонностью к естественным наукам и столь же очевидным отсутствием гуманитарных интересов в 1886 г. Маркони отдали в техническую школу во Флоренции, а спустя год перевели в аналогичное заведение в Ливорно. Несмотря на увлеченные занятия физикой под руководством отличного педагога Джотто Биццаррини и дополнительные уроки электротехники, которые давал преподаватель лицея Никколини Винченцо Роза, Гульельмо диплома не получил, а посему и не смог осуществить свою мечту — поступить в Военно-морскую академию. В Ливорно юный Маркони свел дружбу с отставным телеграфистом Нелло Марчетти, который обучил его азбуке Морзе и работе на ключе.
Отсутствие школьного аттестата закрыло Гульельмо и возможность формального университетского образования. Однако его родители были знакомы с Аугусто Риги, который имел дом неподалеку от их фамильной виллы Гриффоне в местечке Понтеккио вблизи Болоньи. Риги разрешил юноше поработать в своей лаборатории и в библиотеке Физического института Болонского университета, и Гульельмо многому там научился.
А потом ему стало не до занятий. 1 января 1894 г. в Бонне умер от сепсиса не достигший своего 37-летия Генрих Герц. Гульельмо узнал об этом только летом, прочитав на альпийском курорте газетную статью, посвященную открытиям покойного. Именно тогда он впервые задумался, можно ли использовать радиоволны для беспроводной телеграфии. Осенью он приступил к опытам на чердаке виллы Гриффоне, с разрешения отца превращенном в лабораторию. Работал он и днем и ночью, не оставляя времени на отдых и не считаясь с усталостью. Гульельмо, который к этому времени знал об опытах Лоджа, не сомневался, что идея беспроводной связи может прийти в голову не только ему, и хотел застолбить первенство.