Текст книги "100 великих научных достижений России"

Радио Попова (радиодетектив)

Ученый-электротехник, заведующий кафедрой физики и директор Санкт-Петербургского электротехнического института императора Александра III, почетный член Императорского Русского технического общества (ИРТО), обладатель большой золотой медали Всемирной выставки в Париже (1900), Александр Степанович Попов (1859–1906) известен как автор многих выдающихся изобретений, самым знаменитым из которых стало радио.

Немыслимо представить нашу жизнь без радио. Без радио в его изначальном смысле – радиосвязи, подарившей людям радио и телевидение, давшей начало таким наукам, как радиоастрономия, радиометрология, радионавигация, радиоразведка, радиопротиводействие и т. д.

Оглядываясь назад, легко сказать, что принцип работы радио прост – всё гениальное просто. Передатчик формирует сигнал определенной частоты и амплитуды. Далее антенна излучает в пространство модулированный высокочастотный сигнал, который улавливается антенной приёмника, очищающей его от высокочастотной составляющей. А в итоге речь, музыка, сигналы передаются без искажений на любое расстояние.

К этому открытию в последней трети XIX в. одновременно пришли ученые многих стран. Мир в предчувствии гигантских катаклизмов спешил вооружиться технически. Важнейшей государственной и военной задачей стало создание надежной оперативной связи.

Идея беспроводной связи появилась в 1866 г. Ее выдвинул, как ни странно, американский дантист М. Лумис. Натуралист прицепил к двум воздушным змеям электрические провода, являвшиеся антеннами радиопередатчика и радиоприемника. При размыкании от земли цепи одного провода в цепи другого провода отклонялась стрелка гальванометра.

Памятник А.С. Попову в Краснотурьинске

Более двух десятков лет лучшие физики Европы и США с незначительным успехом пытались усовершенствовать этот эксперимент, пока в 1888 г. Г. Герц не доказал существование электромагнитных волн (волн Герца). Немецкий ученый с помощью т. н. вибратора впервые осуществил успешные опыты по передаче и приему электромагнитных сигналов на расстояние и без проводов.

В 1890-х гг. американский ученый и изобретатель сербского происхождения Н. Тесла описал принципы передачи радиосигнала на большие расстояния, запатентовал радиопередатчик и изобрел мачтовую антенну, с помощью которой передал радиосигналы.

Тут началось самое интересное. До изобретения радио было рукой подать. И на финише сербского гения опередил Г. Маркони, предприимчивый итальянский инженер, ранее никогда особо не интересовавшийся данной проблемой. Позаимствовав ряд технических решений у А.С. Попова (о чем речь далее), итальянец в 1895 г. смог передать радиосигнал, после чего в 1896 г. получил патент. В 1909 г. Маркони и Ф. Брауну была присуждена Нобелевская премия по физике – «в знак признания их заслуг в развитии беспроволочной телеграфии». На полвека приоритет остался за Маркони, пока в 1943 г. в судебном (американском) порядке не признали первенство Теслы.

Вокруг любого открытия всегда много суеты, в том числе научных сообществ и правительств, спешащих получить свои дивиденды. Так до сих пор Италия признает изобретателем радио Маркони, Штаты – Теслу, Англия – Д. Лоджа, Бразилия – священника Р.Л. де Мора и т. д.

А что делать нам, соотечественникам истинного изобретателя радио – А.С. Попова? Ведь мировое научное сообщество (когда речь не идет о сугубо национальных интересах) именно его считает первооткрывателем радио.

В принципе, для «чистой» науки не важен приоритет, важны суть и масштаб открытия. И что значительнее – теория или ее приложение – тоже не столь существенно. Важнее результат их совместного влияния на научно-технический прогресс.

До открытия радио Александр Степанович плодотворно трудился в минном офицерском классе Морского ведомства в качестве преподавателя физики, высшей математики и электротехники и был широко известен как блестящий физик-экспериментатор.

Обобщив и развив сделанные до него разрозненные открытия в науке и технике, Попов 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико– химического общества (РФХО) доложил итоги своих пятилетних работ. Лекцию «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» он сопроводил демонстрацией радиоприёмника, который впоследствии и был использован для беспроводной телеграфии – радио.

Прибор состоял из передатчика – «катушки Румкорфа с присоединенным к ней вибратором Герца и приёмника, сконструированного А.С. Поповым, состоявшего из антенны, когерера, реле и приспособления для восстановления чувствительности когерера». Этот приёмник под названием «грозоотметчика» затем использовали для регистрации грозовых разрядов, а в 1900 г. на Международной электротехнической выставке в Париже ему присудили большую золотую медаль и диплом.

Подробное описание прибора и принцип его действия были опубликованы в январском номере журнала РФХО (1896), распространявшегося и за рубежом. На Попова тут же посыпались хвалебные отклики ученых из разных стран. В частности (по данным Е. Карпова, академика Международной академии связи), в 1897 г. английский журнал «The Electrician» писал: «Беспроводный телеграф был описан в 1895 г. и публично показан русским ученым А.С. Поповым»; в 1901 г. американская газета «The North American» утверждала: «Профессор Попов известен как отец беспроводного телеграфа и является изобретателем первого практического прибора в том виде, в каком применяется сейчас»; на международной конференции в Берлине (1903) заявили: «В 1895 г. А.С. Попов устроил первый аппарат искровой телеграфии» и рекомендовали к применению термины «радиотелеграфия», «радио», «изобретение радио», «изобретатель радио», увязав их с именем Попова.

Как предприниматель, Маркони, несомненно, сделал огромный вклад в развитие радиосвязи, но из сравнения его схемы со схемой русского ученого следовало, что он отстал от Попова на 2 года, так же как на 3–4 года отстал от него и в создании радиопромышленности. Опередил наш ученый и Н. Теслу.

В первых опытах по радиосвязи в физическом кабинете и в саду минного офицерского класса приёмник обнаруживал излучение радиосигналов от передатчика на расстоянии 60 м. Через 4 месяца Попов присоединил к приёмнику телеграфный аппарат и получил телеграфную запись принимаемых радиосигналов.

Опыты радиосвязи, как имевшие военное значение, не афишировались до тех пор, пока в печати не появилось сообщение о патенте Маркони, в котором тот применил приёмник по схеме Попова. Александр Степанович вынужден был выступить со специальными заявлениями о своем приоритете в отечественной и зарубежной печати. На заседании РФХО в марте 1896 г. ученый передал на расстояние 250 м радиограмму «Генрих Герц». А еще через год дальность беспроволочной связи была увеличена до 5 км.

Надо отметить, что все опыты с электромагнитными волнами Попов производил «на свой счет». Специальных ассигнований не было. Приборы приходилось изготавливать самому. Собственно, это лейтмотив отечественного изобретательства всех времен. Все великие открытия в России совершаются, как правило, бескорыстно.

Во время опытов по радиосвязи на военных кораблях Балтийского флота (1897) Попов установил, что электромагнитные волны отражаются от кораблей. Ученый тут же нашел применение этому явлению и заложил основы радиолокации и радионавигации. В 1900 г. дальность радиосвязь составляла уже 50 км, и Морское министерство ввело беспроволочный телеграф на судах флота.

Тогда же первая в мире линия беспроволочной связи обслуживала спасательную экспедицию по снятию с мели броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», севшего на камни, и помогла спасти 27 финских рыбаков, унесенных на льдине.

Заслуги Попова были высоко оценены государством и научно-общественными организациями. Ученый получил чин статского советника, был награжден несколькими орденами и серебряной медалью в память царствования Александра III на ленте ордена Александра Невского, всевозможными премиями.

Петербургский электротехнический институт присудил Попову звание почетного инженера-электрика и пригласил его возглавить кафедру физики. В 1905 г. Александр Степанович почти единогласно был избран первым выборным директором этого института.

В начале 1906 г. Попова избрали председателем физического отделения РФХО, но через несколько дней, 13 января, 46-летний ученый скончался от кровоизлияния в мозг.

После смерти Попова на Западе скоренько «забыли» о его открытии. Хорошо, что РФХО вовремя затеяло переписку с иностранными учеными и установило, что «А.С. Попов по справедливости должен быть признан изобретателем телеграфа без проводов при помощи электрических волн».

Электронное телевидение Розинга

Физик-теоретик, инженер, изобретатель, педагог, лектор, популяризатор науки, общественный деятель; профессор Петербургского технологического института, Константиновского артиллерийского училища, Петербургских женских политехнических курсов (Петроградского женского политехнического института), Архангельского лесотехнического института; основатель Северо-Кавказского политехнического института; старший научный сотрудник Ленинградской экспериментальной электротехнической лаборатории; организатор и председатель Екатеринодарского физико-математического общества; союзный эксперт по вопросам телевидения в Комитете по делам изобретений; обладатель золотой медали Русского технического общества (РТО); лауреат Премии им. К.Г. Сименса РТО, Борис Львович Розинг (1869–1933) разработал основной принцип устройства и работы современного электронного телевидения.

В конце XIX – начале XX в. одержимость многих ученых и инженеров идеей передачи звука и изображения на расстояние привела к созданию практически одновременно в нескольких странах радио и телевидения. Все это вызвало не стихающую до сих пор «борьбу приоритетов». По крайней мере пять стран оспаривают свое первенство в изобретении телевидения: США, Англия, Германия, Япония и Россия. Но как раз именно в этой области науки и техники приоритет нашей страны неоспорим, поскольку он застолблен не только российскими, но и международными патентами.

Б.Л. Розинг являл собой приятное исключение из череды русских ученых, отдавших свои открытия и изобретения в чужие руки, часто дельцам от науки. Борис Львович, выдвинувший свою идею «электронной (катодной) телескопии» с использованием электронно-лучевой трубки для воспроизведения изображений и претворивший ее в жизнь, не тянул с подачей заявок, запатентовал свое детище – «Способ электрической передачи изображения» – в России, Германии, Англии и США и до конца своих дней оставался одним из немногих поборников не механического, а электронного – сегодняшнего – ТВ. Но обо всем по порядку.

ТВ возникло не спонтанно. Его появлению предшествовали новейшие открытия в физике – катодных лучей (Ю. Плюккер, 1859), фотоэффекта в селене (У. Смит, 1873), законов внешнего фотоэффекта (А.Г. Столетов, 1888–1890), радио (А.С. Попов, 1895).

Создание П. Нипковым сканирующего диска, существенно упрощавшего процесс кодирования и декодирования изображения, передаваемого по телеграфу, подтолкнуло исследователей к развитию механического ТВ. Оптико-механические системы базировались на механических коммутаторах для развертки (разложения) изображения на элементы и на селеновом фотосопротивлении, служившем светоэлектрическим преобразователем. И хотя из-за невысокой скорости срабатывания коммутаторов механическое ТВ имело низкую четкость, оно появилось во второй половине 1920-х гг. в Англии (Дж. Бэрд), в США (Ч. Дженкинсон) и в СССР (И.А. Адамян, Л.С. Термен), но затем уступило место электронному.

Почву для создания электронного ТВ подготовило изобретение телефотографа (П.И. Бахметьев, 1870-е гг.), электронной трубки (У. Крукс, 1879) и катодной трубки (К.Ф. Браун, 1895), а также описание катодных лучей как потока электронов, испускаемых нагреваемым катодом электронной лампы, заполненной газом под низким давлением (Дж. Дж. Томсон, 1897).

Памятник на могиле Б.Л. Розинга в Архангельске

В своих исследованиях, начатых в 1897 г. и большей частью проводимых за свой счет, Розинг использовал осциллографическую трубку Брауна. Обратив внимание на вариации электронного луча на экране трубки, ученый решил использовать этот луч в качестве коммутатора элементов изображения. В своих опытах физик избавился от механической развертки изображения лишь наполовину – оставил ее для передачи изображения, а для приема применил электронную.

Использовав осциллографическую газонаполненную трубку с холодным катодом и флуоресцирующим экраном в приемном устройстве, Розинг изменением яркости элементов передаваемого изображения смог воздействовать на интенсивность потока электронов, падающего на экран. Заменив в передающем устройстве высокоинерционное селеновое фотосопротивление щелочным фотоэлементом с внешним фотоэффектом, ученый нашел способ безынерционного преобразования передаваемого изображения в электрические сигналы.

Разработав за 10 лет все основные элементы современных черно-белых телевизионных трубок (кинескопов), Розинг в 1910 г. сделал в РТО публичный доклад «Об электрической телескопии и одном возможном способе ее выполнения», в котором заявил, что телевидение можно создать только на основе безынерционных электронных приборов при помощи электронного пучка.

9 мая 1911 г. ученый продемонстрировал точное (неподвижное) изображение на экране своего телевизора – решетку, состоящую из четырех белых полос на черном фоне, помещенную перед объективом передатчика. Первая в мире телевизионная передача стала одним из самых впечатляющих событий начала XX в. в мире науки.

РТО отметило выдающиеся заслуги Розинга в области электрической телескопии, наградив его в 1912 г. золотой медалью и Премией им. почетного члена РТО К.Ф. Сименса.

Продолжив свои исследования, Розинг с целью совершенствования телевизионной системы стал использовать вакуумную трубку с накаливаемым катодом и магнитной фокусировкой электронного пучка, добился лучшей «фокусировки электронного пучка продольным магнитным полем и вывел расчетную формулу, связывающую фокусное расстояние “магнитной линзы” с числом ампер-витков катушки».

В 1920-е гг. Розинг усовершенствовал передающее и приемное устройства, разработал ряд конструкций электронно-лучевой трубки, предложил новые способы модуляции электронного пучка. В это время в США, Англии и СССР были проведены опыты по передаче движущихся изображений по радио при помощи оптико-механических систем, а затем начались телевизионные передачи с применением таких систем. Не возражая против временного «механического этапа» развития ТВ, Розинг видел его перспективы лишь в электронных системах. Время подтвердило прогнозы ученого.

Первое движущееся изображение на экране телевизионного приемника – телефота (полностью электронной системы ТВ), запатентованного в 1925 г. изобретателями Б. Грабовским, Н. Пискуновым и В. Поповым у нас и за рубежом, появилось в 1928 г. Его продемонстрировали в Ташкенте Б. Грабовский и И.Ф. Белянский. Специалисты эту демонстрацию считают рождением современного ТВ.

Документы, связанные с созданием телефота, и дневник Грабовского были утеряны или похищены, каким-то образом попали в США и затем в деталях были отражены в романе М. Уилсона «Брат мой, враг мой», по праву считающегося одним из лучших литературных произведений о физиках-экспериментаторах и, в частности, о создателях телевидения. Скрупулезно воспроизведя все технические подробности изобретения, писатель «отцами» современного телевидения сделал не русских ученых, а американцев.

Радиосвязь Котельникова

Радиоинженер, радиофизик, радиотехник, математик, криптограф, специалист в области информатики, педагог, общественный и государственный деятель; профессор, заведующий кафедрами МЭИ и МФТИ; родоначальник научной школы радиофизики и радиотехники; директор и главный конструктор ОКБ МЭИ; академик, первый вице-президент АН СССР, член 15 международных и зарубежных академий; директор Института радиотехники и электроники АН СССР; председатель Совета «Интеркосмос»; главный редактор журналов «Радиотехника и электроника» и «Вестник Академии наук СССР»; председатель Верховного Совета РСФСР; кавалер ордена Почета, 6 орденов Ленина, двух орденов Трудового Красного Знамени, орденов «Знак Почета» и «За заслуги перед Отечеством» I и II степени; обладатель золотых медалей – им. А.С. Попова, им. М.В. Ломоносова, им. М.В. Келдыша, им. А.Г. Белла и др.; лауреат Ленинской, двух Сталинских и других премий; дважды Герой Социалистического Труда, Владимир Александрович Котельников (1908–2005) является одним из основоположников радиофизики, радиотехники, радиоэлектроники, радиоастрономии, информатики и отечественной криптографии.

Одной из самых уважаемых в научном мире организаций является организованный в 1884 г. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), объединяющий ныне свыше 400 тыс. специалистов из 170 стран. Институт издает треть мировой технической литературы по радиоэлектронике, электротехнике, компьютерам, системам управления, лидирует в области разработки стандартов.

Бюст В.А. Котельникова в Казани

Высшая награда IEEE – Золотая медаль им. А.Г. Белла – вручается ежегодно (с 1976 г.) за выдающиеся фундаментальные исследования и прикладные разработки в области коммуникаций. Из русских ученых медаль была присуждена лишь одному – академику В.А. Котельникову в 2000 г. «за фундаментальный вклад в теорию сигналов». Ее вручение сопровождалось панегириком президента IEEE Б. Айзенштайна: «Академик Котельников – выдающийся герой современности. Его заслуги признаются во всем мире. Перед нами гигант радиоинженерной мысли, который внес самый существенный вклад в развитие радиосвязи».

Награда подытожила 78-летнюю творческую деятельность ученого в области радиосвязи, которую Владимир Александрович считал главной наукой XX в. «Радио, уверен, повлияло на жизнь значительно сильнее, чем авиация. С радио начались электроника, телевидение, вся информатика и компьютеры. Ничего важнее радио в технике за последние 100 лет не возникало».

Основные труды Котельникова, посвященные проблемам совершенствования методов радиоприема, изучению радиопомех и разработке методов борьбы с ними, разделяются на три этапа:

– открытие теоремы отсчетов, носящей имя автора;

– основание теории потенциальной помехоустойчивости;

– разработка планетарных радиолокаторов и проведение с их помощью широкомасштабных астрономических исследований.

Статья Котельникова «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи», опубликованная в 1933 г. в одном из научных сборников (журнал «Электричество» отверг ее как непонятную!), в которой аспирант МЭИ сформулировал и доказал одну из ключевых теорем будущей теории информации, на 15 лет опередила аналогичные труды американского ученого К. Шеннона – «отца» этой теории.

Теорема отсчетов (или выборок), математически определяя максимальную скорость передачи информации, стала стержнем теории информации, радиофизики, оптики, теории цифровых систем передачи сообщений, управления, кодирования и обработки информации – сродни законам Ньютона в механике. На ней построен принцип действия ЭВМ и ТВ.

В конце 1930-х гг. Котельников создал лучшую в мире многоканальную буквопечатающую установку для работы по радио и первую многоканальную телефонно-телеграфную аппаратуру радиосвязи, использующую одну боковую полосу частот, установленную на линии Москва – Хабаровск.

В 1999 г. Международный научный фонд Э. Райна (Германия) наградил Котельникова своей основной премией «за впервые математически точно сформулированную и доказанную, в аспекте коммуникационных технологий, теорему отсчетов», чем официально подтвердил приоритет русского ученого в создании цифровых технологий в передаче данных. Так что за компакт-диски все мы должны быть благодарны Владимиру Александровичу.

Крупнейшим учением Котельникова, заложившим основы современной статистической радиофизики, стала теория потенциальной помехоустойчивости, созданная в конце 1940-х гг. Удивительно, что эта работа, опередившая свое время как минимум на 10 лет, поначалу была не понята коллегами! «По теме этой диссертации автор смог опубликовать только одну короткую статью, содержавшую квинтэссенцию своей теории. После этого В.А. Котельников сразу приобрел мировую известность».

Теория решила сразу множество проблем: дала методы борьбы с помехами в системах радиосвязи; методы приема слабых сигналов; определила предельные возможности приема сигналов при наличии шумов; раскрыла природу физических ограничений на чувствительность приемных устройств. Она нашла самое широкое применение благодаря тому, что определяет качество любых каналов связи – от радиорелейных станций до спутниковых линий связи и сотовых радиотелефонов.

Участвуя в работах по ракетно-космической программе страны, Котельников со своим коллективом создал первую в мире систему контроля траектории ракет и уникальную систему телеметрии, чем фактически сформировал новое направление в освоении космоса – планетную радиолокацию. Были созданы новые планетарные радиолокаторы и с их помощью определено значение астрономической единицы – среднего расстояния Земли от Солнца – 149 598 100 ± 750 км. (За последующие 50 лет это значение уточнено не было.) После уточнения размеров Солнечной системы (до стомиллионной доли от измеряемого расстояния) и создания новой теории движения внутренних планет были рассчитаны траектории полета космических аппаратов – вывод на орбиту планеты, мягкая посадка.

В результате уникальных космических экспедиций были получены радиолокационные изображения Венеры, Меркурия, Марса, Юпитера; был выпущен первый в истории науки Атлас поверхности планеты Венера. За эти работы В.А. Котельникова и его сотрудников в 1964 г. удостоили Ленинской премией.

Еще одной сверхсекретной работой, из которой, собственно, и родилась теория помехоустойчивости, стала созданная Котельниковым отечественная криптография.

С этой теорией Котельников подоспел к самому началу Великой Отечественной войны – «Основные положения автоматической шифровки» были представлены правительству 19 июня 1941 г. В отчете впервые были сформулированы критерии недешифруемой системы и даны математические доказательства невозможности ее несанкционированной дешифровки. Ученым была предложена самая совершенная на то время система защиты радиотелефонии – система шифрования мозаичного типа.

С началом войны Котельникову поручили сделать аппаратуру для секретной правительственной связи. В 1942 г. оборудование для секретной КВ-радиотелефонии под индексом «Соболь II», не имевшее аналогов в мире, стало использоваться в действующей армии в переговорах со Ставкой Верховного главнокомандования. Дешифровать закрытую радиосвязь было невозможно.

Вклад котельниковской криптографии в нашу Победу, начиная со Сталинграда и Курской дуги и заканчивая временем принятия капитуляции Германии для связи с Москвой, трудно переоценить. «За одного шифровальщика, способного взломать систему засекречивания передаваемой информации, созданную Котельниковым, Гитлер готов был отдать три отборные дивизии», а Сталин дважды наградил ученого за разработку «Соболя II» Сталинской премией I степени в 1943 и 1946 гг.