Артур Кларк - Голоc через океан

Для удовлетворительной работы телеграфа достаточно передавать от 100 до 200 импульсов в секунду, причём незначительные искажения вполне допустимы, так как при этом сигнал кода Морзе воспроизводится приёмной аппаратурой более или менее правильно. Но для передачи речи требуется порядка 2500 импульсов в секунду, а искажения практически не допускаются. Нижние частоты грубого баса и верхние частоты визгливого сопрано – все должны передаваться с одинаковой чистотой.

В действительности так не бывает. Есть две причины, препятствовавшие разрешению проблемы передачи человеческой речи на значительные расстояния по обычному подводному кабелю. Первая причина заключается, выражаясь популярно, в ослаблении сигналов по мере прохождения их вдоль линии. Это обстоятельство осложняется тем, что высокочастотные сигналы затухают быстрее низкочастотных. С тем же, между прочим, мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Когда мы слушаем духовой оркестр на большом расстоянии, до нас доносятся звуки барабана, а не флейты. Таким образом, существует разница в проходимости сигналов высоких и низких частот при распространении звуковых волн по воздуху; в случае же подводного кабеля эта разница значительно возрастает.

Она может быть несколько скомпенсирована повышением напряжения высоких частот передачи; примерно с той же целью мы регулируем тональность, слушая радиопередачу через приёмник. Но при передаче по подводному кабелю наступает такой момент, когда и эта мера не помогает.

Вторая причина, препятствовавшая нормальной передаче человеческой речи по подводному кабелю, причём причина более серьёзная и коварная, чем первая, состоит в том, что сигналы разных частот проходят по кабелю с различной скоростью. К счастью, в обычной жизни, когда звуки передаются по воздуху, это практически мало заметно. В противном случае были бы просто ужасные результаты. Музыку, например, мы воспринимать бы не могли. В симфоническом оркестре инструменты звучат одновременно, но до нас звуки отдельных инструментов доходили бы в различные моменты времени, и вместо музыкального произведения человеческое ухо слышало бы бессмысленный хаос звуков. Даже разговорная речь была бы возможна только на определённом расстоянии. Если, скажем, в этих условиях произнести слово "нонсенс", то высокочастотный звук "с" достигнет ушей слушателя раньше, чем низкочастотное "н", и произнесённое слово полностью исказится, превратясь в то, что оно и означает (нонсенс – глупость, бессмыслица).

Это явление происходит в подводном кабеле в результате его значительной электрической ёмкости, о чём мы уже упоминали в пятой главе. Однако кабель характеризуется не только ёмкостью, но и индуктивностью. Двумя другими характеристиками кабеля – сопротивлением его токопроводящих жил и проводимостью изоляции – мы пренебрегаем, так как они несоизмеримо малы по сравнению с ёмкостью и индуктивностью [46] Проводимость изоляции ("утечка") в спектре частот человеческой речи оказывает действительно малое влияние на передающие свойства кабеля. Влияния же сопротивления, индуктивности и ёмкости кабеля на величину затухания (ослабления), передаваемых по нему сигналов, соизмеримы. Кларк здесь ограничивается рассмотрением ёмкости и индуктивности не из-за их доминирующего значения, а только ради упрощения поставленной задачи: как можно элементарнее объяснить суть открытия Хевисайда. . Эквивалентным понятием в механике является инерция. Электрическая цепь в этом смысле напоминает материю, обладающую определённой инертностью; требуется некоторое время для того, чтобы величина тока в цепи изменилась при изменении приложенного напряжения. У подводного кабеля очень малая индуктивность, что на первый взгляд может показаться фактором положительным. Но когда Хевисайд завершил исследование данного вопроса с помощью математического анализа, он, к своему удивлению, обнаружил, что с увеличением индуктивности передающие способности кабеля улучшаются. Нематематическим путём объяснить эту закономерность трудно. Но можно просто сказать, что индуктивность кабеля и его ёмкость находятся в противодействии.

Подобранные соответствующим образом, они могут полностью друг друга нейтрализовать, и получится то, что Хевисайд назвал "линией без искажений", т. е. линия, по которой сигналы всех частот передаются с одинаковой скоростью и с одинаковым затуханием.

Но лишь спустя десять, а то и более лет инженеры по-настоящему оценили это выдающееся открытие; возможно, и они с недоверием отнеслись к результатам, полученным Хевисайдом, так же, как в своё время – математики. Но в конечном счёте опыт подтвердил, что характеристики кабеля можно улучшить, если искусственно увеличить его индуктивность, либо установив по длине кабельной линии через равные интервалы специальные катушки, либо обмотав центральную медную токопроводящую жилу стальной проволокой.

Это открытие Хевисайда, применённое на практике Михаилом Пупином в Америке и Крарупом в Дании (в соответствии с пословицей, Хевисайд не стал пророком в своём отечестве), сделало возможной подводную телефонную связь на расстояние в несколько сот километров. Способ искусственного увеличения индуктивности был применён и к телеграфному кабелю, эффективность передачи по которому значительно возросла. Скорость прохождения сигналов по изготовленному таким образом трансатлантическому телеграфному кабелю стала в пять раз больше.

Так уравнения Хевисайда ещё при его жизни стали приносить телеграфным компаниям тысячи фунтов стерлингов дохода в день. Математика часто преподносит большие суммы денег, но они редко попадают в руки математиков.

Улучшение качества изоляционных материалов, специальные сплавы для повышения индуктивности позволили в конце 20-х годов всерьёз подумать о подводной телефонной связи через Атлантический океан. Пионером в этой области был Е. О. Бакли, работавший в научном центре – "Лабораториях Белла". В 1928-1931 годах Бакли совместно с Британским ведомством связи проделал у побережья Ирландии и в Бискайском заливе ряд опытов с подводными кабелями различных образцов. К сожалению, один кабель мог быть использован для передачи через Атлантику только одного разговора, что, конечно, неэкономично. Для повышения эксплуатационных возможностей линии впервые предусматривалось применение усилителей. Последние проектировались в виде плавучих шаров, удерживаемых в заданных точках трассы на якорях, и были рассчитаны на бессменную работу в течение шести месяцев. Эти громоздкие сооружения явились прообразами подводных усилителей современного трансатлантического телефонного кабеля.