Переизобретатели алфавита
Переизобретатели алфавита
Как люди создавали телекоммуникации и что запатентовал Морзе 180 лет назад
20 июня 1840 года художник Сэмюэл Морзе запатентовал в США телеграфную систему. Морзе не был первым: к этому моменту другие подобные системы уже использовались в Европе — но именно морзянка стала широко распространенным кодом для передачи сообщений, который используется до сих пор. N + 1 рассказывает, что именно патентовал Морзе, его конкурентах, сподвижниках — и том, что из этого получилось.
Один из первых прототипов телеграфа был создан в 1774 году — за 24 года до рождения Морзе — французом Жоржем-Луи Лесажем. Передатчик и приемник соединялись друг с другом 26-ю отдельными проводами — по проводу на каждую букву латинского алфавита. Лесаж передавал сообщения из одной комнаты своего дома в другую, но об использовании его телеграфа на более серьезных расстояниях не могло быть и речи: прокладка многожильной линии стоила бы огромных денег. Кроме того, провода той эпохи не отличались надежностью, и чем больше их было, тем выше шанс, что хоть один сломается.
Опыты Лесажа
Figuier / Les Merveilles de la science, 1867 - 1891, Tome 2
Однако, если использовать не естественный язык, а разработать систему кодировки, чтобы уменьшить число проводов, то стоимость можно сократить во много раз. Поэтому основные инновации, которые в итоге привели к буму телеграфа примерно через век после появления машины Лесажа, были связаны не сколько с развитием технологии передачи сигнала (хотя и с этим изобретателям пришлось повозиться), а с изобретением специального алфавита. Возможно, поэтому не так удивительно, что многие из тех, с чьими именами связана революция систем связи в XIX веке, не были степенными учеными мужами — многие из них даже инженерами не были — а скорее Стивами Джобсами: эксцентричными людьми с идеями.
Факелы, стук, зеркала
Армии многих народов и эпох использовали столбы дыма от костров или огни факелов для передачи сообщений. Подобный сигнал виден издалека, но такая коммуникация была немногословной, медленной и не очень-то простой: надо было договориться о значении сигналов, а потом еще и разжигать огонь.
Тем не менее, универсальную азбуку под такой неповоротливый медиум древние придумали. Нам она известна, как квадрат Полибия, который в своей «Всеобщей истории» описал систему передачи любого сообщения при помощи факелов.
В ней 25 символов греческого алфавита записывались в таблицу 5×5. Каждой букве соответствовала пара цифр, первая из которых относилась к номеру строки, а вторая — столбца. Например B — 12, H — 23, и так далее. Если буквы записать не в алфавитном порядке, а в произвольном, то вы получите еще и криптографическую защиту вашего канала связи: сообщение прочитает только тот, у кого будет правильная таблица.
Квадрат Полибия для латинского алфавита
Поскольку каждой букве соответствовала пара чисел от одного до пяти, для передачи сообщения требовались две группы факелов и высокая платформа. Число факелов в левой части обозначало первую цифру, а в правой — вторую. Через какое-то время, когда получатель записывал пару, наборы меняли на другие, обозначающие следующую букву.
Два тысячелетия спустя, уже после изобретения азбуки Морзе, квадрат Полибия продолжал использоваться для общения заключенных при помощи перестукиваний. Стуки шли сериями от одного до пяти, пауза обозначала конец серии и переход к следующей букве. Историк криптографии Давид Кан в книге «Взломщики кодов» пишет, что так общались русские политзаключенные при царе и американские военнопленные во Вьетнаме — для координации своих показаний на допросах и моральной поддержки.
Передача слова ALLO факелами по квадрату Полибия
Jonathan Martineau / Wikimedia Commons
Не пропала и идея оптической сигнализации: само слово «телеграф» первоначально относилось к семафору братьев Шапп, изобретенному в конце XVIII века. Против революционной Франции выступила практически вся Европа, и Конвент был вынужден оборонять республику от превосходящих сил на огромной территории. По приказу правительства между Парижем и Лиллем построили двухсоткилометровую цепь из 22 высоких башен. На вершину каждой из них установили систему подвижных планок, «жестами» которых по цепочке передавали сообщения. Передача каждой буквы занимала около минуты, но в итоге депеша пролетала сотни километров меньше, чем за четверть часа — невообразимо быстро для мира конных гонцов и неспешных почтовых дилижансов. Через какое то время оптический телеграф связал всю территорию Франции, и неизвестно, был бы Наполеон столь же успешен без такого информационного превосходства.
«IN THE GARB OF KWAKER»
Неясно, знали ли создатели первых электрических телеграфов о квадрате Полибия, который бы в любом случае был неудобен из-за отсутствия внятного «пробела» и медленной скорости передачи. Каждую цифру пришлось бы отделять существенными паузами, а больше половины букв кодируются более, чем пятью знаками. Зато точно известно, что создатели первого коммерческого телеграфа — Уильям Кук и Чарльз Уитстон — вдохновлялись презентацией Павла Шиллинга, чей восьмипроводной телеграф в 1833 году связал Петергоф с базой флота в Кронштадте. Сам Шиллинг умер, не успев довести разработку до ума, поэтому первой коммерческой телеграфной линией на электричестве стала система Кука и Уитстона, установленная на двадцатикилометровом участке Большой западной железной дороги в Англии в 1838 году.
Здесь стоит сказать, что в первой половине XIX века электричество не было общедоступной вещью, от которой берегли детей. Промышленное применение динамо-машины началось в 1844 году, но даже после этого до повсеместной электрификации было еще очень далеко. Кроме того, развитие телеграфа долгое время сдерживалось законом Барлоу — ошибочной физической формулой, которая предсказывала огромные значения сопротивления для длинных проводов. Считалось, что из-за этого междугородняя связь попросту невозможна.
Телеграф Кука и Уитстона был бы невозможен без изобретения Вольтова столба — первой электробатареи, использовавшейся как расходник. Оператор нажимал клавиши на передатчике, которые подавали ток от батареи по проводам на сигнальную стрелку. Аппараты этой системы связывало шесть проводов — пять вели к стрелкам, а один, общий, использовался для замыкания цепи.
За счет большого числа проводов системе не нужен был код — буквы можно было прямо считывать с монитора. В зависимости от направления тока в проводах стрелки поворачивались либо по часовой, либо против часовой стрелки. Сходящиеся концы указывали на требуемую букву, которую записывал дежурный оператор.
Монитор пятистрелочного телеграфа Кука и Уитстона
Geni / Wikimedia Commons
Именно с пятистрелочным телеграфом связана история о задержании Джорджа Тауэлла, который отравил свою любовницу и попытался после этого скрыться на поезде в Лондон. Полиция выяснила, куда он направился, но не успела остановить состав и передала ориентировку по телеграфу. Та обогнала поезд, и Тауэлла на платформе встретили лондонские детективы. Эта история несколько недель не сходила со страниц британских газет и послужила электрическому телеграфу хорошей рекламой.
Система, которая позволила задержать убийцу, обладала существенным ограничением: в ней можно было закодировать только 20 символов, поэтому из алфавита выкидывались буквы C, J, Q, U, X и Z. Из-за этого, например, оператору было трудно передать характеристику Тауэлла «одет как квакер» (in the garb of quaker), и на другом конце несколько раз запрашивали ее вновь, полагая, что отправитель ошибся. Кроме того, использовать для каждой линии шесть проводов все равно было невероятно дорого, и заказчики требовали уменьшения. Поскольку при отказе от использования еще нескольких букв текст стал бы нечитаемым, то для двустрелочного и однострелочного телеграфа был разработан код.
Дву- и однострелочный коды телеграфа Кука и Уитстона. Количество палочек обозначает число поворотов стрелки, галочки - повороты в разные стороны
Каждой букве присваивалось определенное число поворотов стрелочки, для расшифровки которых оператору было необходимо специальное обучение. Чуть позже однострелочный вариант снабдили двумя гонгами с разными тонами — при повороте вправо или влево телеграф издавал разные звуки, что избавило от необходимости непрерывно пристально смотреть на аппарат.
Система Кука и Уитстона была успешной, и применялась многие десятилетия параллельно с другими системами. Не смотря на то, что проводов стало гораздо меньше, стрелочный телеграф обладал существенным недостатком — от него нельзя было отойти ни на минуту. Кроме того, стрелочка не могла двигаться быстрее, чем мог заметить человеческий глаз, что замедляло скорость общения.
Точки и тире
Прорыв изобретения Морзе заключался в том, что его телеграф сигнал записывал, и притом был простым и надежным. Аппарат напоминал однострелочный телеграф, но вместо стрелки в нем стоял пишущий стилус. Сверху аппарата находилась бобина с бумажной лентой, которая приводилась в движение заводным механизмом. При приеме сигнала лента бежала под стилусом, который, реагируя на электрические импульсы, периодически прижимался к бумаге, оставляя след.
Музейный образец аппарата системы Морзе
Zubro / Wikimedia Commons
Морзе решил кодировать сигнал при помощи черточек разной длины, и разработал свою азбуку. В первоначальном варианте, описанном в патенте 1840 года, она кодировала только цифры, а для преобразования их в буквы необходимо было сверяться со специальной кодовой таблицей.
Морзе не был ни физиком, ни инженером. Он был довольно успешным художником, а телеграфом заинтересовался во время возвращения из Европы в 1833 году. На пароходе один из пассажиров демонстрировал способ управления движением металлической стрелки при помощи электричества из новой книги Фарадея, и это привело Морзе к идее разработать метод коммуникации на этом принципе. Поскольку он ничего не слышал о разработках Шиллинга и других, то считал, что станет первооткрывателем электрической телеграфии.
Картина Морзе «Галерея Лувра», которую он вез в Америку из Парижа, когда решил переключиться на создание телеграфа
Terra Foundation for American Art
Спустя некоторое время Морзе встретил Альфреда Вейла, металлурга, который предложил художнику помощь в работе над телеграфом в обмен на 25 процентов будущей прибыли. Именно Вейл понял, что использовать цифровую кодовую таблицу необязательно. Вместо этого он подсчитал, сколько литер (металлических букв для печати оттисков) каждой буквы используется в типографии местной газеты, и на основе этого выбрал самые употребимые. Популярным буквам как I (· ·) и E (·) он присвоил короткий код, а редким буквам типа Q (· · - ·) — длинный.
С именем Альфреда Вейла также связаны споры — поскольку в их паре именно он был «технарем», то некоторые люди считали, что ведущая роль в разработке телеграфа также принадлежала ему. Этому никогда не было документальных подтверждений, а сам Альфред в частной переписке со своим отцом утверждал, что «Морзе переизобрел алфавит и выкинул словари».
Первая страница оригинального патента Морзе
Источник: Google Patents
Получившаяся в результате азбука сейчас известна как американская азбука Морзе. Она существенно отличается от той, с которой знакомы некоторые из нас, поскольку не состояла просто из точек и тире. В ней использовались также дефисы, ноль обозначался длинной чертой, не имеющей аналогов в типографике, а длительность паузы — пробелов — имела смысловую нагрузку.
В 1848 году немец Фридрих Герке упрощает азбуку Морзе, избавившись от всего, кроме точки и тире. Теперь в случае, если у оператора дрогнула рука и тире получилось длиннее чем нужно, не было необходимости начинать сообщение с начала. Кроме того, было замечено, что опытный оператор со временем начинает понимать сигнал даже не глядя на ленту, а просто слушая шуршание стилуса по бумаге. Если точная длина звуков не имеет значения, то для их расшифровки уже не нужен тонкий музыкальный слух. Все это привело к тому, что вариант Фридриха Герке на Международном телеграфическом конгрессе в Париже в 1865 году приняли в качестве международной азбуки Морзе, а оригинальную систему продолжали использовать в Америке вплоть до XX века.
Переводчик текста в морзянку
Телеграф Морзе был быстрым (около 13 слов в минуту) и надежным механизмом, который, наряду с железными дорогами, изменил повседневную жизнь XIX века. Его идея — временна́я модуляция сигнала, записываемая в строчку в виде точек и тире, впоследствии использовалась для передачи радиограмм, а также при дальнейшем развитии телеграфов.
Телетайп и код Бодо
Система Морзе тоже была неидеальна: она все-таки была кодом из точек и тире, для чтения которого необходим был квалифицированный оператор. Кроме того, сообщение морзянкой занимало на бумаге существенно больше места, чем традиционный текст, а печать была возможна только на узкой ленте. Поэтому следующим шагом в развитии телеграфии стал телетайп — печатная машинка, которая управлялась по телеграфу.
Одну из первых конструкций телетайпа предложил француз Эмиль Бодо. Он заметил, что чтение кода гораздо проще автоматизировать, если передача каждого символа занимает одно и тоже время, тогда как передача нуля азбукой Морзе (5 тире) занимает в 19 раз больше времени, чем буквы латинской буквы E. Чтобы преодолеть это, Бодо создал телеграфный код, названный впоследствии его именем.
Он придумал разделить условное время передачи символа на пять равных временных отрезков. В течение каждого этого отрезка передавалось одно из двух значений — есть ток или нет. По сути, его алфавит состоял из точек и пробелов между ними. Поскольку на каждый символ отводилось пять знаков, а всего знаков два, то таким образом можно зашифровать 25 = 32 символа, что покрывает все буквы латинского алфавита и позволяет использовать знаки пробела, конца строки, кавычек и завершения сообщения.
Код Бодо - поскольку его считывает машина, то указаны не точки и пробелы, а изменение напряжения
На принимающей стороне автоматическая печатная машинка считывала сигнал, и в зависимости от последовательности импульсов активировала один из печатающих молоточков. Поскольку Код Бодо никогда не предназначался для чтения человеком, его можно было бы не ставить в один ряд с азбукой Морзе. Однако ранние операторы телетайпов вынуждены были для отправления сообщений использовать код, а не буквы.
На их клавиатуре было всего пять клавиш, по числу столбцов из таблицы символов. Например, если оператор хотел передать букву F, ему надо было нажать три центральных клавиши. При нажатии они залипали, автомат передавал сигнал, после чего их отщелкивали и переходили к следующему символу. Опытный пользователь на такой машинке мог набирать до трех символов в секунду, что неплохо и для современных пользователей на обычной клавиатуре.
Клавиатура телетайпа Бодо, ранний вариант
Rothen / Wikimedia Commons
Зачем спешить
Емко и коротко о масштабе влияния телеграфии на человечество говорить в XXI веке тяжело: мы не можем в полной мере его осознать, так как никогда не видели прежней жизни, в которой новость о смене правителя могла идти к окраинам многие месяцы. Поэтому, вместо заключения можно рассказать две истории, совершенно разные по тональности.
В первой истории нет ярких красок, и на первый взгляд она не имеет отношения к телеграфу. Но американские историки, изучая рынок мяса конца XIX века, обнаружили следующее. До изобретения холодильной машины единственным способом переправить тушу животного с фермы в соседний город было послать живую корову в вагоне-стойле, так что доступность мяса сильно зависела от места жительства.
Морозильная камера технически позволяла реализовывать разделанную тушу далеко от места производства, но, если ферма и магазин разделены тысячей километров, то они не смогут сообщить друг другу, например, о том, что спрос упал и склад забит, и новую партию отправлять не нужно. Приехавшую в этом случае говядину останется только выбросить или раздать бесплатно. Однако, развитая телеграфная сеть позволила торговцам из многих городов координировать свои действия, централизовать производство и сформировать такой рынок, который есть сейчас — когда в любом городе можно просто прийти в магазин и купить говядину, даже если вокруг нет ферм на многие сотни миль.
Вторая история совершенно не похожа на первую: в ней нет ничего об экономике. Сэмюэл Морзе очень любил свою жену Лукрецию, что в эпоху браков по расчету и викторианской морали, осуждавшей в мужчинах эмоциональность, встречалось не очень часто. В начале 1825 года карьера художника пошла вверх — он уехал в Вашингтон, чтобы написать портрет маркиза Де Лафайета, героя Войны за независимость. 10 февраля Морзе пишет жене о том, как скучает по ней — не зная, что Лукреция умерла за три дня до этого. На следующий день, 11 февраля, он получает сообщение о ее смерти и мчится домой, но все равно опаздывает на похороны. Сын Морзе неоднократно вспоминал, что для отца был важен именно этот аспект его изобретения — эмоциональная связь близких людей, а не только канал, по которому шлют деловые новости. Если бы свой телеграф Морзе изобрел раньше, он, возможно, успел бы попрощаться.
Василий Зайцев
Читайте также:
Женский пол защитил мышей от перитонита