На службе у кайзера: как Эрнст Румер усовершенствовал фотофон Белла

В начале XX века всем ученым и инженерам было очевидно, что фотофон Александра Белла имеет реальное будущее там, где проводное телеграфно-телефонное сообщение невозможно в принципе. Например, между кораблями в море, или при крупномасштабных съемках местности в геодезии, или на поле боя, где тянуть проводную связь смертельно опасно, и т.д. Иными словами, это был современный вариант гелиотропа Гаусса или, если угодно, того мифического гелиографа, с помощью которого древние греки сообщили о взятии Трои, а император Тиберий на расстоянии в 200 км управлял Римом с острова Капри. 

В конце XIX века появилась достаточно надежная беспроводная радиосвязь на километровые расстояния, а в 1920 году – устойчивая радиотрансляция человеческой речи. Тем не менее, и после этого оптический фотофон не потерял актуальности, разве что окончательно ушел в область военной связи. В июле 1902 года немецкий физик Эрнст Румер в своих опытах на озере Ванзее близ Берлина довел расстояние передачи голоса оптофоном до 1,5 км, причем под дождем, затем до 2,6 км при легком тумане, а его рекордом стало расстояние передачи в 3,8 км. 

В своем варианте оптофона Румер использовал ^[1] «говорящую дугу», изобретенную в 1897 году доцентом университета Эрлангена Германом Симоном, который, как писал Румер, «заметил, что дуга лампы постоянного тока издает громкий дребезжащий звук, если ее провода проходят вблизи цепи, в которой протекает быстро прерывающийся ток. Саймон заставить дугу заговорить, используя небольшие переменные токи, создаваемые микрофоном, когда в него говорят». 

В следующем 1903 году у Румера было все готово для голосовых передач с помощью мощного 60-сантиметрового военного прожектора c угольной дуговой лампой, установленного в Астрофизической обсерватория в Браухаусберге близ Потсдама. Приемник стоял в 20 км оттуда на водонапорной башне в Берлине, а потом приемник планировалось перенести в Бранденбург (37 км). Но эти опыты пришлось свернуть, потому что военные забрали у Румера свой прожектор, который им срочно понадобился в Юго-Западной Африке (ныне Намибии), где туземцы восстали против немецких колонизаторов.

Кому интересны подробности насчет оптофона Румера, могут полистать его монографию ^[2] 1907 года «Беспроводная телефония в теории и на практике». В ней 225 страниц, но для понимания сути его усовершенствований оптофона Белла достаточно просмотреть в ней фотографии. А прочитать стоит предисловие автора к этому труду. Оно короткое, и довольно интересное. 

«В простейшем случае воздух служит переносчиком звуковых волн, в то время как голос говорящего является передатчиком, а ухо слушателя – приемником, – пишет профессор Румер. – Этот вид передачи данных настолько привычен для нас, что мы с трудом привыкаем воспринимать его как беспроводную телефонию, хотя с помощью этой простейшей из всех систем, особенно с помощью таких хорошо известных инструментов, как рупор, можно преодолевать гораздо большие расстояния, чем с помощью многих более сложных методов».

Чем это не иллюстрация «бритвы Оккама», призыв Румера к коллегам-изобретателям «не множить число сущностей без необходимости», актуальный, хочется надеяться, и для нынешних изобретателей. Но дальше – еще интереснее. Профессор Румер не останавливается на рупоре, а приводит еще один пример. «О том, как удивительно хорошо может работать обычный метод при определенных условиях, свидетельствуют "шепчущие галереи " в церквях и подобные явления». 

В физике «эффект шепчущей галереи» объясняется тем, что наблюдается он в помещениях круглой или эллиптической формы, каковыми часто бывают подкупольные хоросы (в античных храмах) и средокрестия (в христианских церквях). В таких помещениях круглой формы шепот стоящего у стены человека будет слышен вдоль стен, что связано с распространением вдоль стены акустической волны, испытывающей многократное полное внутреннее отражение. 

Интересно здесь то, что Румер писал это за три года до того, как лорд Рэлей в 1910 году описал ^[3] физику мод шепчущей галереи на примере собора Святого Павла в Лондоне. А что еще интереснее: попробуйте найти здесь, как говорится, 10 различий с принципом работы оптоволокна. Румер умер в 1913 году в возрасте 35 лет, и кто знает, проживи он дольше, не появилось бы монтеры с катушками говорящего оптоволокна намного раньше, чем в 1970-х годах, когда они пришли тянуть оптоволоконную связь в штаб-квартиру ВВС США в Колорадо и в советский горисполком Зеленограда. 

Если же вернуться из такой параллельной реальности в реальную историю оптической связи, то после того, как 14-тысячный экспедиционный корпус германских войск, вооруженный по последнему слову военной техники, включая мощные прожекторы, в 1903-04 гг. перебил восставших гереро и готтентотов, а оставшихся в живых изгнал из их родной Намибии, больше военные не отнимали у инженеров-оптиков свои прожекторы, причем не только в Германии. Напротив, всячески поощряли их исследования с целью увеличить радиус беспроводной оптической телеграфии и телефонии.

В 1917 году эксперименты с угольными дуговыми лампами с модуляцией тока привели к созданию компанией Siemens-Halske военного фотофона с радиусом около 8 км. В том же 1917 году помимо фотоэлектрических детекторов на основе селена появились детекторы на основе талофида (окисленного сульфида таллия) и молибденита. Они имели более низкий уровень шума, чем селеновые, и быстрее реагировали на инфракрасное излучение. Такой фотофон начала выпускать в 1918 году американская компания Case Research Laboratories, радиус его действия тоже был в районе 8 км. 

Но это уже другая интересная и длинная история от использования врачами при полостных операциях изогнутых стеклянных стержней для подсветки внутренних органов до создания фотонно-кристаллического волокна, пропускающего свет уже не за счет эффекта полного внутреннего отражения световых волн, как звуковых волн в церковных шепчущих галереях, а за счет более изощренных механизмов, позволяющих преодолеть ограничения этого эффекта.