Первые трансатлантические кабели — когда они появились и как работали?
Порой кажется, что все эти «ваши интернеты» существовали всегда. Сотовая связь, интернет, мгновенный обмен информации между пользователями разных стран и континентов. Но это не так — ведь даже в 19-м веке мир был довольно изолированным, отдельные части света мало сообщались друг с другом. Во второй половине века стал развиваться телеграф, проникая во все сферы быта людей того времени. Но изначально скорость передачи информации через океан была равна скорости самого быстрого корабля того времени, который перевозил письма и посылки — при этом нельзя еще забывать и о том, что после морского путешествия сообщения распространялись наземными службами.
Телеграфные компании и бизнесмены, связанные с ними, надеялись проложить первый трансатлантический кабель к 1850 году. Но все эти планы выглядели слишком фантастическими — по крайней мере, пока за дело не принялся Сайрус Уэст Филд. К своим 30 годам он накопил значительный капитал, отошел от дел и решил вложить средства в проект трансатлантического кабеля, протяженностью от Ньюфаундленда до Ирландии.
Образцы кабелей 1858, 1865 и 1866 годов, сформировавших трансатлантическую линию связи
Здесь кабель 1865 года, модель гарпуна и стальной трос того времени
Проект начали реализовывать, но сразу же начались проблемы. Первый кабель лопнул уже через несколько километров, поскольку инженер, ответственный за прокладку кабеля, остановил катушку во время движения корабля. Понадобилось несколько экспедиций, чтобы завершить прокладку, что и было сделано к 1858 году. Приветствовали завершение проекта королева Виктория (она послала 16 августа телеграмму «Её Величество желает поздравить президента с успешным завершением этого великого международного проекта, к которому Королева проявляла глубокий интерес») и президент Бьюккенен. На деле все работало не слишком хорошо — кабель не позволял передавать данные быстро, послание из 96 слов передавалось несколько часов. Качество связи быстро ухудшилось, и даже на передачу одного слова уже требовался примерно час. Через месяц линия просто умерла из-за главного энергетика. Он подал на линию 2000 вольт, и кабель пришел в негодность.
Те же образцы с иллюстрации книги «Great Inventions» 1932 года
Были проложены новые кабели. Благодаря более удачному подборку кадров (техники, инженеры), прокладка кабелей была также более удачной, а сама линия работала гораздо лучше прежней, хотя ее структура и сами кабели были аналогичными. Уже к 1870 году кабелей было много, сформировалась целая паутина линий.
TAT-1: Вы меня слышите?
Несмотря на то, что технологии развивались очень быстро, причем в 1870 году добавилась еще и телефонная связь, первая трансатлантическая телефонная система появилась только в 1956 году. Система получила название TAT-1. Такой долгий срок может казаться странным, но все же следует помнить, что телефонная связь сложнее телеграфной, и проложить 2800 км телефонного провода так, чтобы линией можно было бы пользоваться — задача непростая.
Первые подводные телеграфные кабели были простыми — медные проводники были изолированы и защищены от воды при помощи натуральных материалов вроде гуттаперчи. Кабели были также бронированы стальным кабелем. Но пропускная способность телефонной линии должна быть гораздо выше пропускной способности линии телеграфной, и проводники, идущие в кабеле параллельно друг другу, не обеспечивали оптимальных условий передачи данных. Поэтому были созданы кабели других типов — например, коаксиальные, которые и не очень дорогие, и позволяют обеспечить большую пропускную способность.
Система TAT-1 включала два кабеля — один для связи запада и востока, и другой — для обратной связи. Кабель состоял из центрального проводника, полиэтиленового диэлектрика и нескольких слоев медной фольги. Это была защита как для сигнала, так и защита от морских животных (так называемые морские черви и т.п.). Коаксиальный кабель был заключен в тканевую обмотку и джут с водоизолирующей пропиткой. Затем все это заключалось в броню из стальной проволоки. Ближе к берегу кабель бронировался еще сильнее, для защиты от якорей и тралов.
Кабели оснащались гибкими встроенными повторителями для усиления сигнала на интервалах в 69 км. Размер каждого репитера составлял 2,5 метра, и включал три электронные лампы, защищенные от давления на глубине 8000 м. Повторители обеспечивали сигнал в 65 дБ и частотой 144 кГц. Вакуумные лампы было решено использовать несмотря даже на то, что сами репитеры разрабатывались в Bell Labs, где были разработаны и транзисторы (примерно в то же время). Считалось недоказанным, что транзистор может обеспечить такую же качественную работу, как и лампа. Возможно, решение было правильным — ни одна из сотен ламп не отказала за 22 года эксплуатации кабеля.
После ввода в эксплуатацию TAT-1 кабель обеспечил работу 36 линий — 35 телефонных каналов с пропускной способностью в 4 кГц и 22 телеграфными каналами на 36 линии. Чуть позже число каналов увеличилось до 51. В 1963 году заработала линия телетайпа между Москвой и Вашингтоном, она также проходила через ТАТ-1. Магистраль ТАТ-1 проработала до 1978 года, и за это время появились иные альтернативы и стандарты кабелей. Все кабели ТАТ были выведены из эксплуатации, кроме ТАТ-14, оптоволоконного кабеля с пропускной способностью в 9,38 Тб/с, введенный в работу в 2001 году.
Сейчас кабелей уже сотни, они проходят через океаны и почти все континенты, исключая Антарктиду.
И все это — благодаря технологическим новшествам 19-го века.
Источник
Великий морской змей, или Две тысячи миль под водой
Юлий Менцин, Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга
Экспедиция по прокладке телеграфного кабеля, соединившего Англию и США, пятая по счёту, успешно завершилась 27 июля 1866 года у берегов острова Ньюфаундленд, а первая стартовала 5 августа 1857 года. Чтобы проложить телеграфную линию между Европой и Америкой, понадобилось десять лет усилий — нередко героических — многих тысяч людей. Неудивительно поэтому, что участников экспедиции 1866 года встречали и в США и в Англии как национальных героев. В их честь звонили колокола, устраивали фейерверки и торжественные приёмы, подробности плавания были описаны во множестве репортажей, а Ганс Христиан Андерсен сочинил сказку «Великий морской змей», посвящённую телеграфному кабелю, в которой сравнил его с существом из легенд, но созданным гением человека. Этот змей тянется всё дальше и дальше по морям и океанам, огибая всю Землю, а по нему непрерывно с колоссальной скоростью перемещаются мысли людей.
В Англии организаторов экспедиции наградили в полном смысле по-королевски. По указу королевы Виктории в ноябре 1866 года их возвели в рыцарское достоинство. Среди награждённых был и Уильям Томсон (1824—1907) — выдающийся английский физик и математик. Позже, в 1892 году, Томсону за многочисленные научные заслуги и достижения был пожалован титул барона: он стал лордом Кельвином.
В наши дни участие учёных в разработке и реализации любых крупных инженерных проектов — обязательное условие. Но в середине XIX века ситуация была иной. Архитекторы возводили здания, не зная сопромата, а паровые машины начали строить задолго до создания термодинамики. Хотя образованная часть общества с огромным интересом и уважением относилась к научным работам, инженеры предпочитали обходиться без сложных теорий. Это положение начало меняться с наступлением эры электричества, когда благодаря научным исследованиям перед людьми открылся неведомый ранее мир, при освоении которого инженерам всё чаще приходилось опираться не на свой прежний опыт, а на рекомендации исследователей. Одной из областей, в которых практикам пришлось признать их приоритет, стала прокладка телеграфной линии через Атлантический океан и других подводных кабелей. Теоретики, и в первую очередь У. Томсон, доказали, что электрические сигналы в сверхдлинном кабеле будут вести себя не так, как в коротком. Если этого не учесть, телеграфная линия не сможет нормально работать. Практики, однако, проигнорировали их рекомендации, поставив проект на грань полного провала. О том, как спасали этот проект и какую роль в этом сыграл Томсон, будет полезно узнать тем, кто и в наши дни продолжает верить, что хорошую промышленность можно создать без хорошей науки.
На пути к трансатлантическому телеграфу
Поиски способов скоростной передачи информации велись с древних времён. Вспомним, например, африканские барабаны, сигнальные выстрелы, костры и факелы. На рубеже XVIII и XIX веков в Европе начинают строить линии оптического телеграфа семафорного типа, одну из станций которого красочно описал Дюма в романе «Граф Монте-Кристо». Их создавали и в России, а в 1839 году построили самую длинную в мире линию, соединившую Петербург и Варшаву (см. «Наука и жизнь» № 8, 2008 г., статья «Главная станция оптического телеграфа Российской Империи»). Линия длиной 1200 км имела 149 подстанций. В это же время появляются и первые, протяжённостью не более 50 км, линии телеграфа, основанные на электростатическом и химическом действии электрического тока. Все они, однако, не получили распространения и остались на уровне экспериментов.
Мощным толчком к развитию электрического телеграфа стало открытие в 1819 году датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (1777—1851) магнитного действия тока. Первую успешно действующую модель электромагнитного телеграфа в Петербурге 21 октября 1832 года продемонстрировал российский изобретатель Павел Львович Шиллинг (1786—1837). В этой модели на приёмном конце электрические катушки отклоняли магнитные стрелки, поворачивая висящие на нитях бумажные диски белой или чёрной стороной. Комбинации белых и чёрных кружков означали ту или иную букву.
Из-за преждевременной смерти Шиллинг не успел довести своё изобретение до практического применения, а в 1837 году аналогичную конструкцию телеграфа в Англии запатентовали Уильям Кук и Чарльз Уитстон. В том же году в США Сэмюэль Морзе (1791—1872) получил патент на телеграфный аппарат, использовавший известные ныне всем ключ и азбуку из точек и тире, то есть коротких и длинных импульсов тока. Кроме того, Морзе дополнил свой аппарат самозаписывающим устройством. В 1844 году Морзе проложил между Вашингтоном и Балтимором воздушную телеграфную линию длиной 63 км. Следует отметить, что ранее, в 1843 году, российский инженер Б. С. Якоби, продолжая работы П. Л. Шиллинга, соединил телеграфной линией Петербург и Царское Село, впервые в мировой практике использовав в качестве второго провода землю. В 1840-е годы началась повсеместная прокладка телеграфных линий, в основном воздушных. Подземные и подводные линии были очень короткими, что обусловливалось как их дороговизной, так и ненадёжностью из-за отсутствия качественных изоляционных материалов.
В середине 1840-х годов разработали технологию производства гуттаперчи — материала, родственного каучуку. В отличие от каучука, который не выдерживал перепадов температур и быстро становился хрупким, гуттаперча была пригодна для изготовления достаточно надёжной изоляции, в том числе и проводников в воде. Но изоляция подземных кабелей, ввиду агрессивного действия атмосферного кислорода и больших, чем на дне водоёмов, перепадов температур, оказалась гораздо более сложной задачей.
Появление гуттаперчи и изобретение в 1847 году немецким инженером Вернером Сименсом 1 пресса для накладывания изоляционного слоя на проволоку позволили проложить в 1850 году первый подводный кабель, который должен был связать Англию и Францию. Прокладывали его «на глазок», не рассчитав даже удельный вес кабеля, и опустить его на дно удалось только свинцовыми грузилами. Первая попытка оказалась неудачной. Кроме того, через несколько дней какой-то английский рыбак случайно оборвал кабель и, заметив блеск металла, похитил несколько десятков метров провода.
Следующую попытку соединить подводным кабелем Францию и Англию предприняли в 1851 году. Она оказалась успешной. Кабель из четырёх медных жил диаметром 1,5 мм проложили 25 сентября 1851 года через пролив Па-де-Кале. Каждую жилу изолировали слоем гуттаперчи толщиной 2,5 мм. Изолированные жилы скручивали между собой, обматывали просмолённой пенькой и заключали в броню из стальных оцинкованных (чтобы избежать коррозии) проволок. Таким образом, первый морской кабель диаметром 33 мм состоял из трёх частей — токопроводящей, изолирующей и защитной, то есть это был настоящий кабель, а не просто изолированный провод.
Интересно отметить, что в середине XX века от бронирования глубоководных кабелей отказались. Выяснилось, что стальная броня нужна только в моменты их погружения и подъёма: медная проволока не выдерживала собственного веса. Решение нашли путём армирования кабеля витой стальной проволокой не снаружи, а внутри, что существенно уменьшало его вес и удешевляло прокладку подводных телекоммуникационных линий.
Вскоре наладили телеграфную связь Англии с Ирландией, Бельгией, Данией и Нидерландами, кабели проложили и вблизи восточного побережья США. Успехи побудили молодого американского предпринимателя Сайруса В. Филда (1819—1892) взяться в 1854 году за несоизмеримо более грандиозную задачу — прокладку трансатлантического кабеля, который связал бы Англию и США. Для её решения организовали смешанную англо-американскую акционерную компанию, получившую в дальнейшем название «Атлантическая телеграфная компания» (АТК).
О масштабах проекта лучше всего говорят цифры. Длина кабеля, которому предстояло соединить юго-западное побережье Ирландии и остров Ньюфаундленд, составляла более 2000 миль (около 4000 км), максимальная глубина залегания — 4,5 км. При прокладке кабеля стремились не только минимизировать его длину, но и учесть рельеф дна американского побережья, чтобы избежать повреждения рыболовными судами и айсбергами. Его токопроводящую часть из семи скрученных медных жил покрыли тремя слоями гуттаперчи. Кабель диаметром 16 мм был обмотан просмолённой пенькой и укреплён железной оцинкованной проволокой.
Создатели первого трансатлантического кабеля столкнулись с массой финансовых, организационных и технических сложностей, неизбежных при реализации проектов такого масштаба. Но главная (хотя поначалу осознанная далеко не всеми руководителями АТК) проблема заключалась в выяснении принципиальной возможности устойчивой передачи электрических сигналов на столь большие расстояния без ретрансляционных подстанций, которые использовались в наземных линиях.
Приступая в 1854 году к организации компании и привлечению первичного капитала, талантливый и предусмотрительный предприниматель Сайрус Филд запросил мнение авторитетных специалистов — Сэмюэля Морзе и физика-экспериментатора Майкла Фарадея. Морзе был полон оптимизма, Фарадей же, хотя и поддержал идею проекта, указал, опираясь на результаты своих экспериментов, на опасность существенного запаздывания сигналов, обусловленного сопротивлением и ёмкостью кабеля. Однако рассчитать величину этого запаздывания он не мог: требовалось ещё построить математическую теорию процессов прохождения тока по проводникам. Решить эту фундаментальную физическую задачу удалось в 1854—1856 годах выдающемуся английскому физику Уильяму Томсону.
Уильям Томсон родился 26 июня 1824 года в Белфасте (Ирландия). Уже в восемь лет он начал посещать лекции отца, профессора математики в университете Глазго (Шотландия), а в десять стал полноправным студентом этого университета. После завершения учёбы, в 17 лет, Уильям поступил в Кембриджский университет, где специализировался в области математики. В 1846 году Томсон занял в университете Глазго кафедру естествознания, которой заведовал 53 года, став в конце жизни президентом университета.
В круг научных интересов Томсона входили электромагнетизм, гидродинамика, термодинамика 2 , теория упругости, математика и многое другое. Ещё обучаясь в Кембридже, он опубликовал несколько статей о применении рядов Фурье к различным разделам физики. В 1846 году, во время стажировки в Париже, разработал необычайно элегантный метод решения задач электростатики, названный методом «зеркальных отображений» 3 . В 1851 году Томсон (независимо от Рудольфа Клаузиуса) сформулировал Второе начало термодинамики (невозможность создания вечного двигателя второго рода), а в 1853 году вывел формулу зависимости периода собственных колебаний электрического тока в контуре от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона, сейчас известная каждому старшекласснику). В 1854—1856 годах, узнав о работах Фарадея по изучению процессов прохождения электрических сигналов по проводнику, Томсон вывел дифференциальные уравнения, позволяющие определять значения напряжения и силы тока в любой точке проводника в зависимости от его параметров. Позже их дополнили физики Густав Кирхгоф и Оливер Хевисайд (уравнения Томсона не учитывали индуктивности проводника), и они вошли во все университетские учебники электродинамики и электротехники как «телеграфные уравнения» (название придумал математик Анри Пуанкаре).
Опираясь на них, Томсон показал, что время запаздывания электрического импульса пропорционально произведению сопротивления и ёмкости проводника и, как следствие, квадрату его длины. Таким образом, если на линиях, связывавших Англию с Бельгией или Нидерландами, сигналы запаздывали примерно на 0,1 секунды, что практически незаметно, то на линии длиной 4000 км при тех же параметрах кабеля запаздывание составило бы уже десятки секунд. Но это ещё не всё: выяснилось, что форма сигналов, прошедших по очень длинному проводнику, сильно исказится. Поэтому, например, посылая определённую совокупность точек и тире, на выходе мы получим нечто совершенно невразумительное. О возможности таких искажений тоже предупреждал гениальный Фарадей, и заметили их уже при эксплуатации первых морских линий.
Уравнения Томсона позволяли объяснить и это явление. Любую периодическую функцию можно разложить в так называемый ряд Фурье, то есть представить как сумму известных любому школьнику синусоид с различными частотами и амплитудами. А из теории Томсона следовало, что скорость сигнала и его поглощение зависят от частоты. Грубо говоря, синусоиды, отправленные одновременно, приходят к адресату с разным запаздыванием и с разным ослаблением. Понятно, что их сумма даёт уже совсем другую функцию. Отправляемые телеграфистами прямоугольные импульсы тока — точки и тире азбуки Морзе — по дороге расплываются, искажая друг друга.
Означало ли всё это невозможность трансатлантической телеграфии? Нет. Физическая теория Томсона не только указывала на проблемы, но и намечала пути их решения. Чтобы сократить время запаздывания, прежде всего нужно уменьшить сопротивление и ёмкость кабеля, увеличив и сечение его проводников (снизив сопротивление), и толщину изоляции (уменьшив ёмкость). Использование как можно более чистого материала проводов тоже снижает сопротивление: в ходе специально проведённых исследований Томсон выяснил, что даже сравнительно небольшие добавки к меди приводили к возрастанию её удельного сопротивления на 30—40 процентов.
К сожалению, большинство рекомендаций Томсона руководство АТК проигнорировало. Томсон, которому в 1857 году было всего 33 года, тогда ещё не пользовался славой одного из ведущих европейских учёных. Его математическая теория представлялась слишком абстрактной, чтобы принимать её всерьёз, а выполнение рекомендаций привело бы к существенному утяжелению кабеля, к удорожанию проекта и задержке сроков ввода в действие телеграфной линии.
На позицию директоров АТК повлияло и то, что до этого времени телеграфией занимались любители, не имевшие, как, например, Морзе — в прошлом художник, специального инженерного или физического образования. Одного из таких любителей, Эдварда Уайтхауза (1816—1890), руководство АТК привлекло к реализации проекта в качестве главного электрика. Уайтхауз, по его собственным словам, был врачом по образованию и электротехником по призванию. Он активно занимался совершенствованием телеграфной аппаратуры, горячо отстаивал проект трансатлантического кабеля и настойчиво убеждал руководство, что запаздывание сигналов не зависит от сопротивления и не станет значительным. По поводу же открытого Томсоном закона пропорциональности времени запаздывания квадрату длины проводника Уайтхауз высокомерно заявлял, что «природа не признаёт существования такого закона».
Уайтхауз твёрдо верил, что все проблемы сверхдальней связи можно решить, используя электрические импульсы как можно более высокого напряжения. По его проекту на концах кабельной линии поставили мощные батареи (на основе химических источников тока Даниэля), обеспечивавшие напряжение 500 В. Их соединили с катушками индуктивности. Благодаря явлению самоиндукции при отключении тока они давали короткий импульс напряжением до 2000 В. При этом Уайтхауз был почему-то уверен, что токи катушек индуктивности станут распространяться быстрее тока химических источников.
Подход Уайтхауза в корне противоречил идеям Томсона, который понимал, что подобными грубыми методами проблему запаздывания сигналов, а тем более искажения их формы решить невозможно. В отличие от Уайтхауза, Томсон считал, что сигналы должны быть слабыми и короткими. Соответственно, чтобы принимать их на выходе, требовалось отказаться от реле, сконструированных Уайтхаузом, и использовать какие-то иные, гораздо более чувствительные приборы. Таким прибором стал изобретённый Томсоном зеркальный гальванометр. Очень лёгкая катушка, подвешенная на вертикальной нити между полюсами магнита, поворачивалась на небольшой угол при прохождении через неё тока. Приклеенное к катушке зеркальце отбрасывало узкий луч от осветителя на удалённый экран, во много раз увеличивая чувствительность гальванометра. В своих воспоминаниях Томсон писал, что эту идею, использованную затем во многих приборах, ему подсказал солнечный зайчик на стене, отражённый от его монокля.
Следует отметить, что хотя руководство АТК и не согласилось с доводами Томсона, но всё-таки привлекло его к работе над проектом в качестве научного консультанта (позже Томсон вошёл в число директоров компании). Томсон принял самое активное участие в экспедициях по прокладке кабеля, где ему дали возможность заниматься экспериментами с зеркальным гальванометром — прибором, сыгравшим важнейшую роль в налаживании устойчивой телеграфной связи через океан.
Экспедиции 1857—1858 годов
Растянувшаяся на десять лет и потребовавшая организации пяти экспедиций эпопея по прокладке первого трансатлантического кабеля описана в поистине необозримом количестве статей и книг. Остались документы, воспоминания участников этих событий, очерки журналистов, сопровождавших экспедиции, фотографии и рисунки. Безусловно, нет никакой возможности подробно рассказать о всех перипетиях реализации этого грандиозного проекта, который современники сравнивали с путешествием Колумба и называли вторым открытием Нового Света. Вкратце же хроника событий была следующей.
Первая экспедиция стартовала 5 августа 1857 года. Укладывать кабель должны были с двух судов: американского парового фрегата «Ниагара» и английского военного парусника «Агамемнон» 4 , служившего флагманским кораблём во время Крымской войны 1853—1856 годов.
Бóльшую часть кабеля (общая масса 2000 т) погрузили на «Ниагару», а остальное — на «Агамемнон». На кораблях установили машины наподобие лебёдок, которые станут постепенно опускать кабель в океан; желоба, по которым кабель будет скользить; различные натяжные и тормозные механизмы. Прокладку начала «Ниагара». Вместе с «Агамемноном» она вышла из небольшой бухты Валенсия на юго-западе Ирландии. Судно двигалось со средней скоростью 5 км/ч, постоянно поддерживая связь с берегом по самому кабелю. Предполагалось, что посередине океана корабли соединят обе части кабеля и прокладку продолжит «Агамемнон». Однако уже 11 августа из-за слишком резкого торможения кабелеукладочной машины «Ниагары» произошёл обрыв, и 620 км кабеля остались на дне. Первая экспедиция завершилась неудачей.
Вторую экспедицию, начавшуюся 10 июня 1858 года, спланировали иначе. В ходе первой экспедиции её участники поняли, что в открытом океане, даже при штиле, соединить кабели, один из которых натянут собственным весом, не удастся. Поэтому Чарльз Брайт, главный инженер АТК и один из её директоров, предложил вначале соединить в океане концы кабелей, а уж затем кораблям расходиться в разные стороны, постепенно опуская кабель на дно. Были сконструированы механизмы, автоматически регулирующие натяжение кабеля, учтены и ликвидированы досадные оплошности. Например, фирмы, изготовившие отдельные отрезки кабеля, сплели проволоки в разных направлениях, что затруднило их соединение. Не продуманы были и условия хранения кабеля, в результате чего изоляция некоторых его частей, пролежавших несколько месяцев в специально построенных сараях, пострадала от зимних морозов.
Незадолго до старта второй экспедиции в Бискайском заливе провели испытания по соединению частей кабеля. Испытания прошли успешно, однако в океане из-за плохой погоды корабли несколько дней не могли состыковаться. Но и после стыковки 26 июня продолжало штормить, кабель неоднократно обрывался, и экспедицию пришлось прервать.
Следующая, третья, экспедиция началась 17 июля 1858 года. Корабли встретились 28 июля. На другой день концы кабелей соединили и команды обоих кораблей приступили к укладке. Четвёртого августа «Ниагара» достигла Trinity Bay (Ньюфаундленд), а 5 августа «Агамемнон» вошёл в бухту Валенсия (Ирландия). Прокладку кабеля через океан наконец-то успешно завершили.
Испытания кабеля начались 13 августа, а 16-го королева Великобритании Виктория и президент США Джеймс Бьюкенен обменялись приветственными телеграммами. В Англии и США сообщения об этом событии встретили с ликованием. Между тем кабель работал плохо. Так, передача телеграммы из сотни слов, отправленной от имени королевы Виктории, из-за непрерывных сбоев и необходимости неоднократно повторять каждый сигнал, заняла 16,5 часа. А вот ответную телеграмму из США удалось отправить за 67 минут.
Что обусловило столь существенную разницу во времени передачи, отмеченную и при отправке последующих сообщений? Дело в том, что послания из Англии отправляли «по Уайтхаузу», а из США — «по Томсону». Если Уайтхауз стремился повышать напряжение при отправке сигналов, то Томсон, используя специально сконструированный генератор, наоборот, понижал напряжение и уменьшал длительность импульсов. Казалось бы, опыт недвусмысленно указывал на правоту Томсона, но Уайтхауз не сдавался и даже попытался прибегнуть к подлогу. По его распоряжению слаботочные сигналы, приходившие из Америки, принимали при помощи гальванометра Томсона, а затем в этом же помещении ретранслировали на реле конструкции Уайтхауза, чтобы убедить руководство компании в том, что именно аппаратура Уайтхауза обеспечивает успешную связь.
Подобные уловки не остались незамеченными, тем более что в начале сентября кабель перестал работать вообще, и расследовать причины выхода из строя первой трансатлантической телеграфной линии стала специальная комиссия. В числе важнейших причин комиссия назвала, во-первых, использование некачественных материалов, в том числе низкосортной меди (против чего постоянно выступал Томсон), во-вторых, конструктивные недоработки и ошибки в изготовлении кабеля и, в-третьих, повреждение его изоляции слишком мощными импульсами, при помощи которых Уайтхауз пытался наладить устойчивую передачу. В итоге Уайтхауз был отстранён от работы. При этом руководство компании отметило, что, ссылаясь на недомогания, он не принял участия ни в одной экспедиции, в то время как Томсон месяцами находился в море и самым активным образом участвовал в работе, постоянно контролируя исправность кабеля и непрерывно экспериментируя со своим гальванометром. И ещё один штрих в истории противостояния Томсона и Уайтхауза: сохранились обращения Томсона к дирекции АТК, в которых он просил не увольнять Уайтхауза. Рыцарем Томсону предстояло стать только через восемь лет, а благородным человеком он был всегда.
Экспедиции 1865—1866 годов
Из-за финансовых трудностей, с которыми столкнулась АТК, а затем из-за начавшейся в США Гражданской войны (1861—1865) работы по прокладке трансатлантического кабеля удалось возобновить только в 1865 году. Конструкторы нового кабеля учли опыт, накопленный в экспедициях 1857—1858 годов, а также при прокладке линий через Средиземное море и Персидский залив в начале 1860-х. Площадь сечения его проводника, изготовленного теперь из довольно чистой меди, увеличили в три раза. Прибрежные концы кабеля имели усиленную броню для защиты от повреждений камнями во время штормов, приливов и отливов, а также при случайных ударах якорей. Для подъёма кабеля в случае обрыва сконструировали захваты-«кошки». Но самое, пожалуй, главное — наконец-то учли все указания Томсона по технологии передачи и приёма телеграфных сигналов, а сам он вошёл в число директоров АТК.
Огромной удачей компании стала возможность зафрахтовать за весьма умеренную цену корабль «Великий Восток» («Great Eastern»), построенный по последнему слову техники в 1858 году выдающимся английским инженером Изамбардом Брюнелем (1806—1859). Это паровое, парусно-колёсное судно было тогда самым большим в мире. Однако его преследовали неудачи, и у корабля сложилась репутация несчастливого. Моряки отказывались наниматься на него, и компания, которой принадлежал корабль, уже собиралась продать его на металлолом. Но судьбе было угодно предназначить «Великий Восток» для других целей, и после 1865 года он в течение многих лет успешно участвовал в прокладке морских кабелей.
Огромные размеры судна позволили погрузить в его трюмы все 7000 тонн нового кабеля (напомним, что прежний кабель весил 2000 тонн). Благодаря этому участники экспедиции были избавлены от необходимости заниматься стыковкой проволок в открытом океане. Прокладка кабеля началась 23 июля 1865 года. Под командованием капитана Джеймса Андерсона «Великий Восток» покинул берега Ирландии. В пути его сопровождали корабли «Сфинкс» и «Ужасный» («Terrible»). Команда «Великого Востока» насчитывала почти полтысячи человек. В экспедиции принимал участие Томсон.
Интересная деталь. Поскольку незадолго до начала работ завершилась многолетняя Гражданская война в США, а 15 апреля 1865 года застрелили президента США Авраама Линкольна, организаторы экспедиции вполне резонно опасались диверсий. Были приняты особые меры по обеспечению безопасности, в частности команде, занятой укладкой кабеля, выдавалась спецодежда без карманов, в которых можно было бы спрятать нож или другой режущий инструмент для порчи изоляции. Тем не менее вначале на второй, а затем на седьмой день плавания приборы просигнализировали о её повреждении. Пришлось поднимать по несколько километров кабеля на борт и заниматься ремонтом. Оба раза изоляцию проткнула насквозь стальная проволока брони. Сталь, из которой она была сделана, оказалась хрупкой и под действием тяжести уложенных в трюме один на другой многочисленных витков кабеля ломалась на куски, прорезавшие изоляцию.
Второго августа, когда судно прошло уже две трети пути, произошла авария. При ликвидации третьего повреждения изоляции кабель оборвался и ушёл на дно. Девять дней команда «Великого Востока» пыталась поднять затонувший кабель пятилапой «кошкой». Несколько раз кабель удавалось зацепить и начать поднимать его конец, но каждый раз недостаточно прочный стальной трос с захватом обрывался. В итоге экспедиция 1865 года тоже закончилась неудачей. От полного финансового краха АТК спасло то, что, ввиду особой важности проекта, его взял под защиту парламент Великобритании, обнадёжив акционеров компании.
Новый кабель, изготовленный в 1865—1866 годах, имел броню не из твёрдой, а из мягкой проволоки. Были усовершенствованы приборы и механизмы для укладки кабеля и проверки его исправности. На борт «Великого Востока» взяли 35 км сверхпрочного стального троса для подъёма кабеля в случае обрыва.
Пятая экспедиция, начавшаяся 13 июля 1866 года, пошла как по нотам, без осложнений. Все механизмы, в том числе устройство для разматывания кабеля (моряки назвали его «старой кофемолкой»), работали идеально. Постоянно контролируя кабель, Томсон всё-таки находил время, чтобы читать в кают-компании корабля научно-популярные лекции и работать над «Трактатом по натуральной философии». Этот фундаментальный труд, написанный в соавторстве с физиком Питером Г. Тэтом, вышел в свет в 1867 году и стал одной из важнейших вех в истории теоретической физики XIX века.
Через две недели, 27 июля, «Великий Восток» подошёл к Ньюфаундленду и бросил якорь, а на следующий день была установлена телеграфная связь между Америкой и Европой. Девятого августа «Великий Восток» в сопровождении трёх вспомогательных судов вновь вышел в море, чтобы отыскать конец кабеля, затонувшего годом раньше. Поиски, а затем попытки поднять его, длились три недели — дольше, чем прокладывали новый кабель. Наконец 2 сентября кабель удалось поднять. Он оказался полностью работоспособным. На судне срастили поднятый конец с запасным кабелем, и «Великий Восток» снова пошёл по направлению к Ньюфаундленду, прокладывая оставшиеся 1200 км линии. Восьмого сентября 1866 года континенты соединили вторым кабелем.
А 12 сентября, демонстрируя чувствительность принимающей аппаратуры, Латимир Кларк (Latimer Clark) в Валенсии проделал тестовый эксперимент. Он соединил оба кабеля в одну цепь длиной 6600 км и пропустил через неё электрический импульс от довольно слабой батареи. Сигнал был успешно принят.
Так завершилась десятилетняя история создания первой трансатлантической телеграфной линии. Вскоре, в 1869 году, собственной телеграфной линией в Новый Свет обзавелась Франция, а научным консультантом при её прокладке стал Томсон.
Первые морские кабельные линии в России были проложены через Каспий (1879), на Сахалин (1881), через Чёрное море: Одесса — Константинополь и Севастополь — Варна.
Тридцатого октября 1866 года в Mansion-House, официальной резиденции лордамэра Лондона, был дан банкет в честь создателей первой в мире трансатлантической телеграфной линии. В торжествах приняли участие члены кабинета министров и парламента, банкиры, крупные бизнесмены. Нескольких участников последней экспедиции, в том числе и Уильяма Томсона, возвели в рыцарское достоинство. Неудивительно поэтому, что среди множества тостов был предложен тост «за науку в её приложении к телеграфии» (Science as applied to Telegraphy).
В ответном слове Томсон сказал, что для любого учёного высочайшая награда — осознание, что его достижения могут послужить человечеству. Однако ещё большая награда для исследователя — возможность поиска истины, непрерывное стремление раскрывать тайны природы. К числу таких учёных Томсон отнёс Майкла Фарадея — гениального экспериментатора, чьи исследования редко преследовали практические цели, но зато позволили существенно продвинуться в понимании законов электричества. Эти исследования, в частности, помогли Фарадею чётко указать физические причины тех проблем, с которыми столкнулись создатели кабельных линий. Основная идея речи Томсона (её опубликовали в газетах) состояла в том, что наука может оказать наибольшую помощь обществу только тогда, когда идёт собственным путём, существенно опережая в своём развитии практику.
Вскоре после выхода из строя, в сентябре 1858 года, первого трансатлантического кабеля выяснилось, что плохо работают и другие длинные подводные линии, проложенные в Средиземном море и к Индии. В АТК царили пессимизм и уныние. Многие считали, что затея с созданием подводных линий значительной протяжённости обречена на провал. И вот в этих условиях руководство АТК наконец приходит к осознанию, что время дилетантов-самоучек прошло, и делает ставку на активное привлечение к работам учёных. Первым шагом в этом направлении стало создание научного комитета, в который вошли Томсон, Уитстон и несколько других специалистов. Перед ними поставили задачу исследовать процессы прохождения электрических импульсов по кабелю. При этом, опираясь на математическую теорию Томсона, объясняющую «расползание» импульсов, исследователи много внимания уделяли задаче их «заострения», то есть приданию импульсам как можно более узкой и правильной П-образной формы 5 . Позже, когда в 1866 году наконец удалось проложить надёжный трансатлантический кабель, результаты этих исследований позволили добиться передачи информации со скоростью не менее 10 слов в минуту.
Одной из важнейших предпосылок успешного развития телеграфии стало как можно более точное определение стандарта электрического сопротивления 6 . Уже летом 1861 года для выполнения этих работ влиятельная Британская ассоциация содействия развитию науки (British Association for the Advancement of Science) приняла, по рекомендации и при участии Томсона, решение о создании особого комитета. В число его первоочередных задач вошло вычисление отношения электростатической и электромагнитной единиц измерения, величина которого оказалась близкой к величине скорости света. Интерес к решению этой задачи резко усилился после того, как в середине 1860-х годов Джеймс Клерк Максвелл, отталкиваясь от этого результата, построил теорию электромагнитного поля и предсказал существование электромагнитных волн. Теория Максвелла привела к изобретению в конце XIX века радиосвязи, или, как тогда её называли, беспроволочного телеграфа. Можно только гадать, что написал бы Андерсен, если бы дожил до этого времени. Возможно, он сочинил бы сказку о Великом летающем драконе.
Комментарии к статье
1 Вернер фон Сименс (1816—1892) — немецкий изобретатель, инженер, исследователь, промышленник и меценат, основатель известной компании Siemens. Член Прусской академии наук (1874), член-корреспондент Петербургской академии наук (1882).
2 Отмечая заслуги У. Томсона (лорда Кельвина) в этой области, единицу СИ абсолютной температуры, равную 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды, назвали кельвином (К).
3 Этот метод используют, например, при расчёте сил взаимодействия электрических зарядов и проводящих поверхностей. При этом поверхности заменяются фиктивными зарядами, местоположение которых определяется по законам построения изображений в зеркалах.
4 Агамемнон — царь, возглавлявший греческое войско в Троянской войне.
5 Один из членов комитета, Кромвель Варлей (Cromwell Varley), предложил для заострения импульсов использовать в передающих устройствах конденсаторы.
6 Требования к точности были столь велики, что, например, при намотке катушек для магазинов сопротивлений значение числа «пи» брали до седьмого знака.
Источник
