Кабельная теория и подводные кабельные линии
Проводя своё расследование источников современных представлений о нейроне, я раскопал и эту историю. Она показалась мне настолько интересной, что рискнул вам о ней рассказать.
О строительстве первых трансатлантических телеграфных линий написал тогда ещё не фантаст, но уже замечательный писатель Артур Кларк в своей научно-популярной книге «Голос через океан» [41] в 1940-х годах.
Поэтому, возможно, в 1940-х годах, с подачи Лудимара Германа, Алан Ходжкин со своими коллегами математически применили кабельную теорию Томсона (Кельвина) к аксонам беспозвоночных, тем самым положив начало современному математическому описанию и моделированию нейронов.
С чего всё началось. Первый подводный кабель, передающий электрический сигнал, был проложен в Мюнхене по дну реки Изар в 1811-м году. Идея принадлежала немецкому врачу и изобретателю Зёммерингу (Samuel T. von Soemmering).
Однако из-за отсутствия технологии эффективной гидроизоляции долгое использование подобного кабеля не представлялось возможным. Лишь изобретение в 1847 году Сименсом технологии изготовления изоляции из гуттаперчи позволило начать работы по прокладке кабеля между Кале и Дувром (который, кстати, разорвался после пересылки первой же телеграммы, а год спустя после замены его новым армированным кабелем, тоже прослужил недолго).
В 1856 году было основано акционерное общество «Atlantic Telegraph Company», которое в 1857 году приступило к укладке 4500-километрового армированного телеграфного кабеля через Атлантический океан. Кабель, весивший около 550 кг/км, состоял из семи медных проводов, покрытых тремя слоями гуттаперчи и защитной оболочкой из стальных тросов.
В августе 1857 года корабли «Агамемнон» и «Ниагара» начали прокладку от
юго-западного берега Ирландии, однако, из-за разрыва кабеля работу пришлось
отложить на год.
Вторая попытка была предпринята летом 1858 года. На этот раз решили начать прокладку от точки стыковки в океане, примерно посередине между Ирландией и Ньюфаундлендом. 26 июля «Агамемнон» и «Ниагара», каждый со своей половиной кабеля на борту, встретившись в Атлантическом океане, соединили половины кабеля, опустили его в воду и начали укладку в разных направлениях.
В процессе прокладки кабель несколько раз разрывался, и кораблям приходилось возвращаться, чтобы начать заново.
5 августа корабли достигли своих пунктов назначения – островов Валентия и Ньюфаундленд, – и была установлена первая трансатлантическая телеграфная линия, соединяющая Старый и Новый Свет. 16 августа 1858 года королева Великобритании Виктория и президент США Джеймс Бьюкенен обменялись поздравительными телеграммами. Приветствие английской королевы состояло из 103 слов, передача которых длилась 16 часов! Никто до этого и предположить не мог, что скорость передачи будет столь далека от скорости света. Телеграфировать в таком медленном темпе приходилось потому, что из-за огромной электрической ёмкости и сопротивления длинного кабеля короткие импульсы тока «расплывались» на приёмном конце подобно чернильным кляксам на промокашке.
Уже в сентябре 1858 года связь была нарушена. Видимо, ввиду недостаточной гидроизоляции, кабель был испорчен коррозией. Другой возможной причиной разрушения стали слишком высокие напряжения – 2000 вольт, подаваемые на линию с английской стороны с целью ускорения передачи.
В пятидесятых годах XIX века Уильям Томсон (Кельвин, William Thomson, 1-st Baron Kelvin, 1824 – 1907) заинтересовался проблемами трансатлантической телеграфии. Вообще-то, предметом его исследований были процессы, происходящие в проводнике между моментом подачи на него напряжения и тем моментом, когда это напряжение достигнет заданной величины. Побуждаемый собственным любопытством и неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследовал вопрос распространения электрических импульсов по кабелю и пришёл к заключениям величайшей практической важности, давшим впоследствии возможность осуществить телеграфирование через океан.
Многие ошибочно полагают, будто электрический ток идёт по проводу со скоростью света, равной 300 000 километров в секунду. На самом же деле ток течёт по проводам в несколько раз медленнее, чем распространяется свет.
Скорость тока в кабеле тем меньше, чем больше его электрическая ёмкость, измеряемая в Фарадах. К счастью для телеграфной связи, на первых порах это явление не оказывало практически никакого влияния. Ёмкость коротких линий была столь мала, что сигналы проходили по ним без сколько-нибудь заметной задержки. Но когда были проложены трансконтинентальные кабели, эта задержка послужила источником многих проблем.
Исследования Томсона привели к открытию его знаменитого «закона квадратов», согласно которому скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорциональна квадрату его длины. Иначе говоря, увеличив длину кабеля, например, в 10 раз, мы получим снижение скорости передачи в 100 раз. Безусловно, что такое открытие имело исключительно важное значение для подводного телеграфирования на дальние расстояния.
Компенсировать уменьшение скорости передачи по длинным телеграфным линиям инженеры того времени могли исключительно, увеличивая диаметр токопроводящей жилы и улучшая гидроизоляцию.
Спустя шесть лет, в 1864 году началась укладка 5100-километрового кабеля с улучшенной изоляцией, 7-проволочная медная жила была изолирована четырьмя слоями гуттаперчи и покрыта сначала пропитанной пенькой, затем десятью стальными бронепроволоками, каждая из которых предварительно обмотана слоем пеньки. На береговые концы трансатлантического кабеля конструкции 1865 года поверх глубоководного кабеля наложены пеньковая подушка и усиленная броня, состоящая из 12 тросов, каждый из которых скручен из трёх стальных проволок [41].
Рисунок 32. Трансатлантический телеграфный кабель конструкции 1865 – 1866 гг. Разделанный конец и поперечное сечение кабеля.
В качестве кабелеукладчика было решено задействовать крупнейшее судно тех времён – британский пароход «Грейт Истерн» водоизмещением 32 тысячи тонн. 31 июля 1865 года при укладке опять произошёл обрыв кабеля. Лишь в 1866 году со второй попытки удалось уложить кабель, который обеспечил долговременную телеграфную связь между Европой и Америкой.
Спустя 10 лет с помощью значительно лучше изолированного кабеля удалось проложить сразу несколько трансатлантических телеграфных линий с большей долговечностью. И к 1919 году число кабелей достигло 13, большинство из них принадлежали Великобритании.
А как же скорость и качество передачи данных? Предложенное Томсоном решение улучшило качество связи, но, увы, оно ещё долгие годы оставалось крайне низким.
В чём же заслуги Томсона? Во-первых, он объяснил причину возникающих проблем. Всё дело в том, что морская вода, несмотря на все усилия конструкторов кабеля попадала под его внешнюю броню и это приводило к значительному увеличению электрической ёмкости между ней и центральной жилой. При этом внешняя морская среда становилась участником процесса передачи сигнала, чего не происходило на суше. Во-вторых, Томсон предложил оригинальную идею, которая не решила возникших проблем, зато позволила их обойти. Суть её в том, чтобы приёмное устройство фиксировало не весь сигнал: точка или тире, а только его начальный фронт. Для этого нужно было вместо увеличения мощности отправляемого сигнала, усилить чувствительность принимающего устройства. Эта задача была частично решена благодаря внедрению сконструированного Томсоном же чувствительного зеркального гальванометра.
Окончательно все проблемы были сняты только при строительстве трансатлантического телефонного кабеля TAT-1, который был проложен почти сто лет спустя между городами Обаном (Шотландия) и Кларенвиллем (Ньюфаундленд) в 1956 г. Эта телефонная линия содержала 51 усилитель, расположенный на расстоянии 70 км друг от друга. Именно внедрение промежуточных усилителей-ретрансляторов позволило осуществлять телеграфное, и даже телефонное, сообщение приемлемого качества. До того момента, начиная с 1927 года, телефонное сообщение между Старым и Новым Светом осуществлялось по радио в длинноволновом диапазоне.
Вот такова предыстория кабельной теории распространения нервного импульса.