10.12.4. Радио

Наступление беспроводной эры сделает войну невозможной, поскольку это сделает войну смехотворной.

Вы (также Гильермо Маркони)

Что это

Способ передавать идеи и информацию почти со скоростью света, устраняя барьеры времени и пространства, державшие человечество в тюрьме со времен незапамятных.

До того как было изобретено

Если вы хотели послушать музыку, то вам требовалось покинуть дом и отправиться на концерт, а кому это вообще надо?

Изобретено

1864 н. э. (предсказание существования электромагнитных волн);

1874 н. э. (первый приемник радиосигнала);

1880 н. э. (первая намеренная радиопередача);

1895 н. э. (радиосигнал передан и получен через расстояние в 2,4 км);

1901 н. э. (радиосигнал передан и получен через Атлантический океан, на расстояние в 3500 км).

Экскурс в сторону: Насколько далеко друг от друга находятся разные линии долготы и широты

Если покрыть планету земной формы (и здесь мы не можем удовлетвориться приближением в виде сферы, нам нужен эллипсоид вращения) линиями широты и долготы, то расстояние в 1° будет различаться в зависимости от широты. Расстояния между линиями долготы падают до нуля при 90° широты, поскольку тогда мы оказываемся на полюсах, а там все линии благополучно сходятся в точку (табл. 15).

Таблица 15. Таблица с числами, что выглядит очень скучной, если вы не находитесь на корабле посреди океана и не хотите узнать, сколько осталось до земли, и тогда вы подумаете: «Мне нравится смотреть на эту таблицу, выходит так, что она вовсе не скучная, и я приношу извинения за ту ерунду, которую нес раньше»

Предпосылки

Электричество (для передачи), металл (для проводов), магниты (для рупоров).

Как изобрести

Вы наверняка слышали о спектре электромагнитных волн, он описывает весь спектр излучения, то есть энергии, движущейся через пространство, и включает все, от радиоволн до видимой части спектра и рентгена.

Его можно представить следующим образом (рис. 40).

Рис. 40. Спектр электромагнитного излучения

На том конце шкалы, что отвечает за высокие энергии, расположены гамма-лучи, низкоэнергетические радиоволны – на другом и крошечный пятачок видимого спектра где-то посередине[177]. Вы наверняка лучше всего знакомы именно с оптической частью спектра, поскольку во лны из нее вы воспринимаете прямо сейчас, читая наше руководство. Привет!

Мы делим видимую часть спектра на цвета: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый[178], но на самом деле они отличаются единственно только уровнем энергии. Наш мозг превращает определенные уровни излучения из видимой части спектра в то, что мы воспринимаем как «желтое», другие в «фиолетовое», но все цвета (и все виды излучений) на самом деле одно и то же: электромагнитная волна с определенным уровнем энергии, что путешествует через пространство со скоростью света.

Некоторые виды излучения проходят через наше тело, минимально воздействуя на него (радиоволны), другие упираются в него (свет). С обыденной точки зрения, видимые лучи отличаются от радиоволн, но на самом деле нет ничего особенного в них, за исключением того, что видимые лучи благодаря своей частоте поглощаются нашими телами, и это одна из причин, по которой мы эволюционировали так, чтобы видеть их[179].

И пусть даже мы никак не способны видеть другие части электромагнитного спектра, воздействие некоторых мы можем ощущать. Излучение с немного меньшей энергией, чем у красного цвета (самый низкий уровень энергии, доступный нашим глазам), называется инфракрасным, и мы чувствуем его как тепло на нашей коже. Излучение с энергией чуть больше, чем у фиолетового, именуется ультрафиолетовым, и мы тоже чувствуем его нашей кожей – технически это называется «потенциально смертельным лучевым ожогом»[180].

И теперь, когда вы знакомы с основами теории электромагнитного излучения, давайте поговорим о радио, поскольку это всего лишь технология, в которой то же излучение применяется для переноса информации. В наше время это происходит несколькими способами: модулирование амплитуды радиосигнала (того, насколько широко вверх и вниз будет колебаться радиоволна) дает нам АМ-радио (сокращение «амплитудная модуляция»), а модуляция частоты (насколько часто будет колебаться волна) дает нам FM-радио.

Стратегия здесь состоит в том, чтобы закодировать информацию с помощью изменений амплитуды и модуляции, но это много более продвинутая техника, чем вам надо. Вы доберетесь и до этого, но ваши неотложные нужды всего лишь требуют отправки радиосигнала.

Вы будете генерировать радиоволны простым способом, который очень любят всякие безумные ученые: создавая искусственную молнию, также известную как электричество. Когда оно путешествует по воздуху, то именуется электрической дугой (вы можете узнать о ней больше в разделе 10.10.3), и она порождает все виды электромагнитного излучения. Там и яркий свет (именно он делает молнию такой крутой), но кроме него и куча всяких радиоволн.

Если вы можете получить электрическую дугу по собственной воле – разрезав провод так, чтобы электричеству только и осталось, что перепрыгнуть с куска на кусок, – то вы сможете и генерировать радиосигналы. Сила вашей передачи будет ограничена только мощностью, которую вы сумеете подать на дугу.

Если вы передаете информацию, просто создавая взрыв шума в радиодиапазоне (например, чтобы отметить полдень на нулевом меридиане, см. раздел 10.12.3), тогда вы уже справились. Но если вы добавите переключатель, чтобы включать и выключать вашу цепь по определенным образцам, то вы сможете сообщать любые данные с помощью азбуки Морзе[181]. Та же самая технология используется и в телеграфе, который вы тоже практически изобрели, осталось только присоединить переключатель к проводу, ну а тот должен вести к расположенному где-то далеко зуммеру, а не к дуговому радиопередатчику.

Телеграфом удобнее пользоваться на суше, но для трансокеанских передач лучше подойдет беспроводная связь, по крайней мере пока вы не научитесь прокладывать кабели по океанскому дну.

Чтобы принимать сигналы, вам придется создать первый в мире радиоприемник, для которого даже не требуются батарейки, ведь радиоволна сама в себе несет энергию. Первым делом вам понадобится антенна, и тут подойдет любой длинный провод, в идеале – 30 м и больше. Поместите один его конец на землю, другой забросьте куда-нибудь повыше, на дерево, если вы на суше, и на вершину мачты, если вы на корабле[182].

Радиоволны (которые, как вы помните, не более чем электромагнитное излучение) будут взаимодействовать с проводом и заставят электроны в нем двигаться вверх и вниз. Это движение породит электрический ток, ну а для того чтобы его зафиксировать, вам понадобится диод.

Диод – это устройство, позволяющее электричеству течь только в одном направлении. Диоды – представители «полупроводников», материалов, проводящих ток по-разному в разных условиях. В наше время полупроводники эволюционировали от вакуумных трубок до транзисторов и интегральных микросхем, но вам ничего из этого не понадобится.

Вы обойдетесь старыми добрыми камнями, поскольку в число природных полупроводников входят галенит (одна из наиболее распространенных свинцовых руд, темные и блестящие угловатые камни, которые часто находят вместе с кальцитом, известковым шпатом) и пирит железа (так называемое золото дураков, которое легко найти, поскольку оно блестит).

Вас устроит маленький кусочек, один-единственный кристалл: немного старомодно, зато работает.

Как только вы заполучили каменный диод, безопасным образом присоедините к нему антенну (это значит, не забывайте ее заземлить) и приделайте второй, очень деликатный контакт к кристаллу с помощью тонкого провода, который исторически называют «кошачьим усом»[183]. Вам наверняка придется поэкспериментировать с «усом», касаясь разных мест диода, пока вы не отыщете участок с лучшей полупроводимостью. Как только это произойдет, по «усу» будет идти ток всякий раз, когда ваша антенна принимает радиосигнал, небольшой ток, но достаточный для того, чтобы заметить, что процесс вообще-то пошел.

Чтобы этот ток можно было воспринять ушами, необходимо изготовить соленоид, который не более чем тот же провод, свернутый в несколько витков. Когда электричество идет через провод, оно создает магнитное поле, а если провод закрутить, то поле усиливается. Как вы видели в разделе 10.6.2, получается электромагнит!

Поместите внутрь катушки провода обычный магнит, и он будет двигаться в соленоиде с той же скоростью, что и электричество. Приделайте к магниту легкий, но прочный конус, чтобы воздух внутри него колебался вместе с магнитом, и вы превратили изменения тока в вибрацию воздуха, другими словами, изобрели первый в мире рупор (рис. 41).

Сравнительно низкий уровень электрического напряжения в устройстве означает, что рупор получится тихим, больше подходящим для наушников, чем для того, чтобы заставить кучу людей дрыгаться в такт музыке.

Рис. 41. Первый в мире рупор: немного пошумим

Несколько замечаний.

Во-первых, радиопередачи лучше осуществляются ночью, чем днем, поскольку верхняя часть атмосферы Земли, именуемая ионосферой, электрически заряжена от Солнца. Когда радиоволны путешествуют через нижние слои ионосферы днем, они взаимодействуют с рожденными Солнцем ионами и затухают. Но те же слои становятся прозрачными для передачи ночью (отлично), а расположенные выше слои на самом деле отражают волны, и те прибывают к месту назначения под некоторым углом (еще лучше).

Это отражение является неплохой причиной для того, чтобы передавать информацию на большое расстояние по ночам. На самом деле, когда ваш сигнал проходит дистанцию достаточно большую, чтобы изгиб земной поверхности исключал возможность прямой передачи (а наша планета сложена из радионепроницаемого камня[184]), то это единственный способ.

Во-вторых, вам стоит также помнить, что электромагнитное излучение не движется вечно с одной и той же силой. Интенсивность любого передающего сигнала (не важно, электромагнитного, гравитационного или звукового) в реальности обратно пропорциональна квадрату расстояния между вами и той точкой, где тот сейчас находится. Иными словами, чем дальше волна уходит, тем быстрее и быстрее слабеет.

Даже мы, будучи в состоянии изгибать хронотоны по нашей воле, не можем изменить закон обратных квадратов, но его действие можно ослабить, вещая с более высокой интенсивностью. Первая трансатлантическая передача (организованная тем самым Маркони, цитата из которого, открывающая эту секцию, к большому сожалению, оказалась вовсе не таким хорошим предсказанием) была осуществлена с помощью искрового передатчика того типа, что описан в нашем руководстве, только благодаря тому, что на него подавали много энергии, и тому, что на другой стороне океана его ждала действительно большая антенна.