«Мистер Уотсон, подойдите сюда, я хочу вас видеть»

На фотографии — реплика жидкостного передатчика, или водяного микрофона (см. Water microphone), входившего в состав телефонного аппарата Александра Белла. Ровно 150 лет назад, 10 марта 1876 года, Александр Белл совершил по этому телефону первый в мире успешный звонок.

Александр Грейам Белл родился в Шотландии в 1847 году. Его отец Александр Мелвилл Белл и дед Александр Белл были преподавателями ораторского искусства, а отец также прославился как создатель системы «зримой речи» (см. Visible speech) — фонетического алфавита и системы записи звуков, которые использовались для обучения глухих устной речи. Влияние родных и тяга к естественным наукам и изобретательству предопределили интерес Белла к системам создания, воспроизведения и передачи речи. В 1863 году, впечатлившись говорящим автоматом Чарльза Уитстона (который был улучшенным вариантом машины Вольфганга фон Кемпелена), Белл вместе с братом построил аналогичную механическую голову. Нагнетая в искусственную трахею воздух с помощью мехов, заменявших легкие, и регулируя положение гортани, языка и губ, юные изобретатели добились того, что голова могла четко произносить несколько звуков и слов: например, «мамочка» (mama).

В 1873 году, уже проживая в США, Белл начал работы над акустическим (гармоническим) телеграфом (см. Acoustic telegraphy) — средством одновременной передачи нескольких телеграфных сообщений по одному проводу. Построенный Беллом прибор состоял из электрической батареи, передатчика и приемника, соединенных проводами в замкнутый электрический контур. Передатчик и приемник были устроены практически одинаково: они состояли из электромагнита и металлической пластинки (язычка), один конец которой крепился на стойке, а другой лежал на катушке электромагнита и мог приподниматься. При замыкании телеграфного ключа по цепи начинал течь ток, индуцировавший в передатчике магнитное поле (см. Уравнения Максвелла), которое заставляло язычок приподниматься и размыкать контакт. Ток прекращался, поле исчезало и язычок под действием силы тяжести падал на катушку, снова замыкая контакт. Таким образом, цепь постоянно размыкалась и снова замыкалась, а язычок дребезжал, подпрыгивая на катушке. Изменения тока, протекающего через электромагнит приемника, изменяли и создаваемое им магнитное поле, что вызывало дребезг размещенного на приемнике язычка, аналогичного передающему.

Второго июня 1875 года Белл и его помощник Томас Уотсон проводили очередной эксперимент. Заметив, что язычок передатчика перестал дребезжать, и полагая, что он залип, Уотсон дернул его рукой; в этот момент Белл, который находился рядом с приемником, услышал странное гудение, исходящее от язычка приемника и не похожее на дребезг, который наблюдался раньше. Выяснилось, что Уотсон случайно закрутил регулировочный винт язычка, ограничивавший его перемещения, так плотно, что язычок оставался постоянно прижатым к катушке и контакт всё время был замкнут. Получалось, что даже в постоянно замкнутой цепи перемещения язычка относительно электромагнита будут индуцировать изменения тока (см. Электромагнитная индукция), которые вынудят второй язычок повторять колебания первого.

Схема аппарата, использованного в опыте 2 июня 1875 года. Изображение с сайта commons.wikimedia.org

Белл, которого интересовали идеи передачи звука на расстояние при помощи электричества, тут же сообразил, что такой аппарат можно приспособить для передачи голоса, ведь совершенно неважно, что вызывает колебания язычка: рука экспериментатора или звуковые волны. Уже на следующий день они с Уотсоном испытали модернизированное устройство, в котором заменили язычки на мембраны из плевки — материала из стенок толстой кишки крупного рогатого скота. К мембране-передатчику крепился якорь из намагниченного железа; его колебания перед включенным в цепь электромагнитом индуцировали изменения тока в цепи, которые заставляли аналогичную мембрану-приемник колебаться и издавать звук. Этот прибор, прозванный «виселицей» за внешнее сходство, действительно мог передавать человеческую речь, но был несовершенным: звук воспроизводился неотчетливо, а якорь имел склонность прилипать к электромагниту и рвать мембрану.

Томас Уотсон с моделью телефона-«виселицы», 1931 год. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Белл и Уотсон продолжили эксперименты. В феврале 1876 года Белл подал заявку в Патентное ведомство США и 7 марта получил патент «Усовершенствования в телеграфии» на метод и устройство для передачи звуков путем их преобразования в электрический сигнал (название «телефон» в тексте патента не употреблялось). Среди прочего, в документе содержалось описание жидкостного передатчика (водяного микрофона). Его основой был резервуар с водой, в которую для улучшения электропроводимости добавлялось немного кислоты. К мембране крепился металлический стержень-электрод, частично погруженный в резервуар. В воде находился второй электрод. Провода подсоединяли электроды к передатчику; поскольку жидкость проводила ток, электрическая цепь оказывалась замкнута. Колебания мембраны под действием человеческого голоса вызывали колебания стержня и соответственное изменение расстояния между ним и вторым электродом, что, в свою очередь, изменяло электрическое сопротивление цепи. Таким образом, жидкостный передатчик выполнял функцию использованного в «виселице» электромагнита с той разницей, что теперь колебания мембраны передатчика регулировали ток I в цепи посредством изменения сопротивления R: согласно закону Ома, при заданном напряжении батареи величины I и R обратно пропорциональны.

Десятого марта 1876 года Белл и Уотсон провели в Бостоне испытания телефона новой конструкции, снабженного водяным передатчиком. Белл произнес в устройство: «Мистер Уотсон, подойдите сюда, я хочу вас видеть» (Mr. Watson, come here, I want to see you); его коллега, находившийся у приемника в другой комнате этажом ниже, четко услышал голос Белла и выполнил просьбу. К сожалению, здание театра «Палас» (см. The Palace Theatre), в котором прошел этот знаменательный эксперимент, не сохранилось: его снесли в 1931 году.

Слева — страница из лабораторного дневника Белла с изображением жидкостного передатчика и описанием эксперимента 10 марта 1876 года. Фото с сайта commons.wikimedia.org. Справа — здание, в котором Белл и Уотсон провели этот эксперимент. Рисунок из стенограммы доклада Уотсона «Рождение и младенчество телефона» (The birth and babyhood of the telephone), сделанного им в Чикаго в 1913 году на Третьем ежегодном съезде Американского общества первопроходцев телефонии (см. Pioneers, a Volunteer Network)

Белл продолжал совершенствовать свой аппарат и вскоре отказался от жидкостного передатчика: более эффективными оказались конструкции с электромагнитами, похожими на те, что использовались в «виселице». В 1876 году прошли несколько публичных демонстраций телефона Белла. В июне на Всемирной выставке, посвященной столетию независимости США, телефон привлек внимание бразильского императора Педру II и вызвал восхищение английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который привез аппарат в Великобританию и в сентябре представил его на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки.

Слева — передатчик телефона Белла, продемонстрированного на выставке 1876 года. Фото с сайта commons.wikimedia.org. Справа — чертеж в разрезе: D — металлическая мембрана, колеблющаяся под воздействием звука со стороны раструба A; C и H — сердечник и обмотка электромагнита. Рисунок с сайта habr.com

Технология телефонной связи быстро совершенствовалась. В августе 1876 года Белл совершил первые в истории междугородные звонки: из своей виллы в Брантфорде (Онтарио, Канада; см. Bell Homestead National Historic Site) в соседнюю деревню Маунт-Плезант, а через несколько дней — в городок Париж, что располагался в 13 километрах. Связь была односторонней: абоненты Белла не могли ответить ему. Однако уже в октябре состоялся двусторонний разговор Белла с Уотсоном: первый находился в Бостоне, второй — в Кембридже, в 4 километрах от него. Через два месяца коллеги смогли поговорить, будучи разделены уже расстоянием в 230 километров. Для этих экспериментов использовали телеграфные провода. Вилла Беллов не была подключена к телеграфной сети, и изобретателю с помощниками пришлось пробросить примерно 400 метров провода.

Публичный сеанс междугородной связи с Бостоном в городе Сейлем (Массачусетс, США) 15 марта 1877 года. Гравюра XIX века. Изображение с сайта commons.wikimedia.org

Демонстрации телефона быстро привлекли внимание общественности и представителей деловых кругов, хотя, как это часто бывало и с другими выдающимися изобретениями, не все специалисты сразу оценили его потенциал. Так, Уильям Прис, изобретатель и инженер-электрик (впоследствии — главный инженер) Главного почтового управления Великобритании (см. General Post Office), отвечая в 1879 году на вопрос «Станет ли в будущем телефон инструментом, который будет широко использоваться общественностью?», сказал: «Думаю, нет.» И пояснил: «В Америке существуют условия, которые требуют использования инструментов такого рода в большей степени, чем здесь. Здесь у нас переизбыток посыльных, мальчиков на побегушках. <...> одна из самых поразительных вещей для англичанина — это видеть, как американцы используют в своих домах звонки, телеграфы, телефоны и всевозможные вспомогательные средства для обустройства дома, которые были навязаны им необходимостью.»

Вероятно, Прис видел будущую телефонную сеть Британии как подобие телеграфной, то есть как систему государственных и коммерческих офисов, предоставляющих населению услуги связи, и не предполагал, что телефон получит широкое распространение как частное средство общения, устанавливаемое в домах и квартирах. Быть может, он не предвидел появления систем коммутации, позволяющих соединить любого абонента телефонной сети с любым другим. Однако многие предприниматели и инженеры быстро поняли перспективы нового средства связи. В 1877 году Белл и Уотсон с компаньонами основали первую в мире телефонную компанию Bell Telephone Company, а в США и Европе появились первые телефонные станции. В том же году Уильям Ченнинг (William Channing) разработал удобную телефонную трубку, а Уотсон изобрел телефонный звонок, без которого практическое применение телефона было невозможно. Конструкция аппарата продолжала совершенствоваться и дальше: например, в 1879 году Bell Telephone Company купила патент Томаса Эдисона на угольный микрофон, который позволил значительно улучшить связь при звонках на дальние расстояния.

Слева — Александр Белл открывает телефонную линию Нью-Йорк — Чикаго 18 октября 1892 года. Фото с сайта commons.wikimedia.org. Справа — Белл подает заявку на патент 14 февраля 1876 года. Его телефон стоит на столе справа. Рисунок с сайта britannica.com

В январе 1915 года состоялся первый в истории трансконтинентальный телефонный звонок между Нью-Йорком и Сан-Франциско. Его участниками стали Белл и Уотсон. Коллеги поговорили несколько минут, после чего Белл произнес ту же фразу, что и 40 лет назад:

— Мистер Уотсон, подойдите сюда, я хочу вас видеть.

Уотсон ответил:

— В этот раз мне понадобится неделя, чтобы добраться до вас.

Именно Александра Белла чаще всего называют изобретателем телефона. Но приписать эту заслугу ему одному, проигнорировав достижения предшественников, было бы неправильно. Чаще всего вместе с Беллом упоминают Элайшу Грея, который по удивительному совпадению попытался запатентовать прибор, очень похожий на телефон Белла, одновременно с ним: заявки Белла и Грея были поданы в один и тот же день. Патент получил Белл: по наиболее распространенной версии, это произошло благодаря тому, что его заявка поступила на несколько часов раньше. Впрочем, встречаются и другие объяснения: одно из них состоит в том, что на самом деле Грей принес заявку раньше, но в стопке входящих документов она оказалась ниже, чем бумаги Белла, и потому позже попала на рассмотрение к экспертам. По другой версии, согласно американскому законодательству тех лет, большее значение имело то, кто в действительности первым сделал изобретение, а не кто первым подал заявку, что и решило спор в пользу Белла.

Грей создавал свой телефон одновременно с Беллом, однако некоторые другие ученые сделали это на много лет раньше, хотя их конструкции были не так совершенны. За 15 лет до Белла немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс продемонстрировал аппарат (см. Reis telephone), который передавал звук, преобразуя его в электрический сигнал. Он же и предложил для наименования такого аппарата слово «телефон» (от древнегреческих слов τῆλε — «далеко» и φωνή — «голос»). Однако телефон Рейса плохо передавал человеческую речь: интонации воспроизводились хорошо, но сами слова разобрать было трудно. Лучше обстояло дело с передачей музыки (сам Рейс задумывал свой аппарат именно для этого). Хотя аппарат Рейса вызвал интерес в научных кругах, он остался лишь экспериментальным образцом.

Телефон Рейса по своему устройству напоминал аппараты Белла 1875–1876 годов. Буквой B обозначена батарея. В левой части передатчика A расположена мембрана, улавливающая звуковые колебания, вверху — V-образный язычок a, b, замыкающий и размыкающий цепь. На приемнике C расположен электромагнит — спица с намотанным на нее проводом. При изменении протекающего через обмотку тока спица благодаря эффекту магнитострикции начинала изменять свою длину и выгибаться, так как ее концы были жестко закреплены. Колебания спицы создавали звук, который усиливался крышкой-резонатором (изображена откинутой над приемником). Телеграфные ключи e и h при разговоре не использовались, но позволяли передавать сообщения в режиме телеграфа — что, например, могло быть использовано экспериментаторами для связи друг с другом перед началом эксперимента. Рисунок из книги Silvanus P. Thompson, 1883. Philipp Reis: Inventor of the Telephone

Но и Рейс не был первым: еще раньше американский изобретатель итальянского происхождения Антонио Меуччи сконструировал свой «телектрофон». До конца неясно, насколько качественную передачу речи обеспечивал аппарат Меуччи. Споры об этом среди историков науки не утихают до сих пор. Встречаются полярные мнения: одни полагают, что именно Меуччи следует считать настоящим изобретателем телефона, другие — что изобретатель «не понимал основных принципов работы телефона ни до, ни даже после того, как Белл запатентовал его». Как бы то ни было, Меуччи не смог заинтересовать инвесторов своим проектом, и его изобретение не получило распространения.

Реплика телефона Меуччи образца 1857 года, изготовленная в 1932 или 1933 году. Экспонат Национального музея науки и технологии имени Леонардо да Винчи (см. Museo Nazionale Scienza e Tecnologia Leonardo da Vinci), Милан. Этот телефон по своему устройству походил на «виселицу» Белла: передатчик (слева) и приемник (справа) объединялись проводами в единый электрический контур. Мембрана внутри передатчика преобразовывала звуковые колебания в электрические, которые посредством электромагнита, размещенного в приемнике, заставляли колебаться и издавать звук вторую мембрану. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Еще при жизни Белла, в 1910 году, на территории виллы семейства Беллов в Брантфорде открылся дом-музей. В 1909–1917 годах там был построен мемориал (см. Bell Memorial) работы Уолтера Олварда (Walter Allward), посвященный изобретению телефона. В левой части огромной бронзовой панели изображен полулежащий человек, изображение которого отсылает к фреске «Сотворение Адама» Микеланджело в Сикстинской капелле. Над ним парит фигура Разума, отправляющего над закругленной поверхностью Земли в правую часть панели трех посланцев телефонных сообщений: Знание, Радость и Печаль. Две фигуры на гранитных постаментах справа и слева от панели символизируют участников телефонного разговора: одна из них говорит, вторая — слушает.

Мемориал, посвященный изобретению телефона. Фото с сайта aci-iac.ca

Сам Белл не остановился на создании телефона: в 1880–1881 годах он испытал фотофон — устройство для передачи звука с помощью световых лучей. Свет от внешнего источника поступал на гибкое тонкое зеркало-мембрану, колебавшееся под воздействием человеческого голоса и тем самым модулировавшее световой сигнал. Попадая на удаленное зеркало-приемник, этот сигнал преобразовывался в звук: или непосредственно, благодаря фотоакустическому эффекту (см. Photoacoustic effect), или путем промежуточного преобразования в электрический сигнал с помощью фоторезисторов. Беллу удалось достичь дальности передачи 200 метров, однако работа прибора сильно зависела от погоды и других факторов; сделать его пригодным для практического использования не удалось. Тем не менее, эксперимент Белла стал первым в мире успешным опытом беспроводной передачи звука — за 15 лет до изобретения радио. Уже в начале XXI века идеи неявной передачи информации с помощью видимого света нашли свое воплощение в технологиях VLC (Visible light connection — связь по видимому свету).

Схема работы передатчика фотофона. Рисунок с сайта commons.wikimedia.org

Интересны и работы Белла в других областях — например, авиа- и судостроении. Так, при его участии было построено одно из первых в мире судов на подводных крыльях HD-4, установившее в 1919 году мировой рекорд скорости на воде. Но в историю науки и техники Белл вошел именно как изобретатель телефона — что символично, учитывая, что с английского языка его фамилия (Bell) переводится как «колокол» или «звонок».

Фото с сайта commons.wikimedia.org, экспонат Музея истории телефонов.

Алексей Деревянкин