Развитие электроники | Интересные факты

Развитие электроники

Радио и ионосфера

Мы довели тему ядерной физики до границ нашего нынешнего познания. Но ядерная физика, хотя она и представляет собой самый далекий аванпост в продвижении опыта и теории в неизвестное, еще не вся физика и даже не самая полезная ее часть. В самом деле, она не могла бы зародиться, если бы в то же самое время не делались большие успехи в других областях физики. Наиболее серьезные из этих успехов были достигнуты в области радиоволн и электроники.

Здесь развитие физики шло параллельно с развитием промышленности. Электромагнитные волны, как мы видели, были получены в 1886 году Герцем, вслед за выяснением в теории Максвелла их природы и свойств. Для практической же связи эти волны были использованы только в конце столетия. К тому времени вызванный ими интерес привел к успешным испытаниям их во многих странах; в числе многих других, занимавшихся ими, следует назвать Оливера Лоджа в Англии, Попова в России и Бозе в Индии. Однако полный успех в финансовом отношении выпал на долю не ученого со специальной подготовкой, а талантливого и оптимистически настроенного любителя.

Здравомыслящий физик сказал бы в начале века, что посылать электромагнитные волны на большие расстояния—вещь совершенно невозможная. Они попросту ушли бы с поверхности земного шара в воздух и не вернулись бы обратно. Тем не менее Map кони, который не имел достаточной физической подготовки, чтобы поверить в это, попытался посылать через Атлантический океан радиосигналы, которые действительно были приняты на другой его стороне. Это означало, что должно существовать какое-то подобие зеркала, отражающего радиоволны обратно па землю. В 20-х годах сэр Эдуард Эпплтон занялся изучением данного вопроса и показал, что такие слои, состоящие нз ионов, производимых солнечной радиацией, существуют не на одном только, а на нескольких уровнях атмосферной толщи и являются тем, что называется ионосферой. Он измерил высоту этих слоев, послав вверх очень короткие сигналы и отметив то время, которое потребовалось для отражения. Открытие Эпплтона легло в основу радиолокационного прибора, созданного в ходе второй мировой воины и воплотившего, по сути дела, тот же принцип, что и метод эхолотов, использовавшихся уже во время первой мировой войны для обнаружения подводных лодок с помощью значительно более медленного движения упругих волн вводе, а также, конечно, прием, которым пользуются летучие мыши, чтобы не натолкнуться на препятствие в темноте.

Электронная лампа

Эффектный и неожиданный успех Маркони обеспечил быстрое развитие радиосвязи если не для других целей, то, по крайней мере, для связи с находящимися в море судами. Она, однако, не заняла бы того места в повседневной жизни, какое фактически занимает, если бы не создание электронной лампы. Этот важный вклад в электронную физику XX века явился почти в равной степени даром как промышленности, так и науки. Ее превращение меньше чем за 10 лет из лабораторного курьеза в ходкий товар может служить мерилом того, как быстро могла промышленность поглощать и использовать открытия физики XX века. Первые наблюдения, приведшие к созданию лампы, были получены в самой промышленности, в частности в собственной научно-исследовательской Моратории Эдисона в Менло-парке. Уже в 1884 году Эдисон заметил, что накаленный волосок электрической лампочки мог удерживать положительный, но не отрицательный заряд. Он впаял в лампочку металлическую пластинку и обнаружил, что можно пропускать ток от пластинки к волоску, но не от волоска к пластинке. Это была первая электрическая лампа, и ее действие легко объяснялось теорией электронов Дж. Дж. Томсона. Накаленная проволока волоска испускала электроны, которые переходили к пластинке только в том случае, если она была заряжена положительно, холодная же пластинка не могла испускать их даже в том случае если была заряжена отрицательно. Зависимость лампы от свойств электронов оправдывает ее современное имя—электронной лампы. Двуэлектродная лампа оказалась полезной для использования в качестве выпрямителя в радиотелеграфии. Однако в 1905 году она была изменена несколько эмпирически Форестом, который добавил к ней еще один электрод в форме сетки, чтобы сделать трехэлектродную лампу (триод), что придало ей действительно революционные возможности усиления и генерации воли. Этот прибор сделал возможным радиотелефонию и радиовещание и представляет собой основу всей сегодняшней техники высокой частоты как в области радио, так во все возрастающей степени и в электроэнергетике.

Усиление и регенерация

Триодная лампа и ее многочисленное и сложное потомство не являются просто или даже по самой своей сущности лампами. Ее подлинная новизна заключается в том, что она представляет собой усилительный прибор; она позволяет превращать небольшие колебания вольтажа или тока в более мощные. Принцип усиления заключается в том, что небольшие изменения энергии могут быть непосредственно преобразованы в большие. Ранее существовавшие приспособления, такие, как рычаг, усиливали механическое действие, или, подобно линзе, увеличивали изображение, но во всех этих случаях имел место простой перенос приложенной энергии, часть которой всегда при этом терялась. В усилении, осуществляемом электронной лампой, энергия поступает извне, однако эта энергия может быть значительно более слабой. Электронная лампа представляет собой тип прибора, действие которого основано скорее на знании, чем на силе.

Это был действительно первый вполне удобный кибернетический прибор, огромный шаг вперед от его грубого прообраза—регулятора хода средневековых часов или электрического реле XIX века. Лампу, включенную в резонансный контур, можно заставить генерировать колебания определенных частот, осуществив обратную связь. Усиление и регенерация, или обратная связь, делают электронную лампу в одно и то же время прибором как для наблюдения колебаний, так и для создания их. Это, быть может, наиболее характерный продукт техники XX века.

Развитие производства электронных ламп нашло свою основу в производстве электрических лампочек, а все более строгие требования, предъявляемые к электронным лампам, в свою очередь стимулировали развитие вакуумной техники. Огромным стимулом для этого послужило использование электронных ламп для радиосвязи в последние годы первой мировой войны и вскоре после нее—новый спрос широких народных масс на радио. Ну, а как только ее смогли производить дешево и в массовых масштабах, лампа эта смогла вернуться на службу физической науке. В самом деле, невозможно представить себе, как бы физическая наука смогла добиться достигнутых ею во второй четверти XX века результатов, если бы не универсальное применение электронных ламп, которые могли производиться достаточно дешево только благодаря тому, что имели широкое промышленное применение. Развитие методов высокого напряжения, вакуума и электронных ламп с неизбежностью привели в XX веке к такой же тесной интеграции академической физики и электрической промышленности, какая существовала между академической химией и химической промышленностью в XIX веке. Родилась новая прикладная наука, получившая весьма меткое название электроники.

Радио и радиолокация

Впервые она была применена для усовершенствования и расширения радиосвязи. Наблюдалась устойчивая тенденция к использованию все более коротких волн, отчасти в связи с тем, что непрерывно возраставшее количество радиовещательных станций исчерпало все свободные длины волн. Другим преимуществом более коротких волн была увеличившаяся возможность направления их по точно определенным лучам. Направленное радио (радиопеленгация) было порождено потребностью обнаружить происхождение грозовых явлений, вызывавших атмосферные помехи, а позднее оно было использовано для антенных радиопередач на далекие расстояния. Точность в направлении, однако, зависела в основном от использования все более коротких волн, а это, в свою очередь, оказало влияние на производство электронных ламп и контуров, применяемых для их возбуждения.

От направленных волн естественно было перейти к изучению отражения, а отсюда к радиолокации. Непосредственным и действенным стимулом для ее практического развития явилась угроза воздушного нападения, нависшая над миром перед второй мировой войной. Стоило только сформулировать проблему обнаружения присутствия самолета с помощью отражения импульса радиации, как вскоре же после этого интенсивная и организованная научно-исследовательская работа привела к эффективному ее решению. В Англии благодаря инициативе Уотсона—Уатта был разработан радиолокационный экран как раз вовремя для того, чтобы воспрепятствовать воздушному вторжению на второй год войны. Вскоре после этого был достигнут новый крупный успех в этом направлении, выразившийся в изобретении многокамерного магнетрона как мощного источника сантиметровых волн, позволяющих осуществить значительно более высокую точность локации. В дальнейшем ходе войны радиолокация начала находить себе все более разнообразное применение—для нахождения пути, съемки карт с воздуха, управления полетом самолетов, а затем также и полетом бомб и снарядов.

Короткие волны. Радиоастрономия

В конце войны коротковолновые и ультракоротковолновые радиоаппараты являлись предметом повседневного производства—событие, которое опять-таки потребовало бы для своего осуществления в условиях мирного времени многих и многих лет, а вместе с этими аппаратами у радиста-коротковолновика выработался новый орган чувств, более приспособленный к наблюдениям и связи на дальних и средних расстояниях, чем какой-либо другой, который может использовать обычный свет. В то время как с помощью обычных оптических средств могут быть определены только направление и характер далекого сигнала, радиолокация обеспечивает дополнительно определение расстояния. Таким образом эти новые методы могут использоваться для целен астрономии, в частности для проверки расстояния до Луны. Оказывается, что еще более удивительно, само Солнце и звезды также излучают подобного рода лучи, наличие которых порождает таким образом новый вид астрономии—радиоастрономию, показывающую существование невидимых звезд.

Катодные трубки и телевидение

Начиная с первых опытов Дж. Дж. Томсона, движущиеся электронные лучи использовались во всевозможных видоизменениях катодных трубок для анализа быстро меняющихся потоков посредством превращения их в видимые движущиеся изображения. Сам по себе катодный осциллограф представляет собой своего рода микроскоп времени, способный прослеживать значительно более быстрые изменения, чем любая система механических рычагов или зеркал. Он нашел себе многообразное применение в науке и промышленности. Сейчас он хорошо известен миллионам людей как телевизионный экран. В телевидении движущиеся электронные лучи используются в передатчике для того, чтобы различать изображение, образованное электрическими зарядами, полученными фотоэлектрическим путем, от изображения, даваемого линзой. Получившееся изображение воспроизводится другим синхронно движущимся лучом, чтобы отразиться на флуоресцирующем экране в приемнике. Развитие телевидения было медленным не потому, что принципы его не были давно усвоены (предложения Кэмпбелла Суинтона, шедшие в основном по тем же самым линиям, что и применяемые сейчас, выдвинуты им в 1911 году), и не из-за технических трудностей получения изображения широкополосной коротковолновой передачи. Оно запоздало главным образом потому, что крупные электрические фирмы, даже новые фирмы, выросшие вместе с радио, были слишком поглощены стремлением к немедленным прибылям, чтобы увлекаться дорогостоящими работами. Сделать решающие успехи и убедить коммерческий мир в возможности заработать на этом выпало на долю энтузиастов-любителей вроде Бэрда (1888—1946).

Телевидение было хотя и наиболее непосредственным, но не единственным продуктом использования возможности передачи изображения методом катодных лучей. Потребности войны, в особенности необходимость видеть незаметно для противника, породили и многие другие способы использования этой возможности. Большое количество рецепторов, разлагающих и передающих контуров и экранов сделали сейчас возможным брать любой вид начальной радиации— рентгеновские, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи или коротковолновое радио—и применять катодную трубку, чтобы построить видимое для глаза изображение. Значение этой возможности для расширения человеческого восприятия особенно велико, потому что сам человеческий мозг более чем наполовину занят процессом видения и интерпретации виденного. Комплекс глаз—мозг как указал Винер, сам представляет изумительно компактный и эффективный нервный контур Для распознавания, анализа и прослеживания изображений. Сделать какое-то явление видимым—означает в огромной степени расширить нашу способность понять его.

Электронные устройства для определения упреждения при стрельбе без пристрелки

Другим непредвиденным побочным продуктом развития радиотехники по время войны явилась разработка электронно связанных сочетаний рецепторов и сервомеханизмов, осуществленных в машинах для определения упреждения при стрельбе, а позднее в счетных машинах. Последние использовались в первую очередь для прицельного, управляемого и взрывного оружия, начиная от управляемой посредством радиолокации системы зенитных пушек и кончая миллионами выпускаемых ими управляемых по радио снарядов. Это придало новый размах механическому производству. Подобно тому как орудие служит заменой когтей или зубов, а машина—руки или тела, которые действуют этим орудием, так электронный сервомеханизм замещает всего человека—его глаза, мозг и руки, вместе взятые. Такой механизм расширяет автоматизм обычной повседневной формы, которой соответствует старая машина, до такой, в которой могут происходить изменения в пределах очень широких допусков.

Сервомеханизм должен содержать такие чувствительные элементы, как фотоэлементы, и такие моторные элементы, как электромоторы. В нем должна быть также предусмотрена какая-то связь между этими элементами, обеспечивающая постоянные инструкции, инструкции, соответствующие определенным условиям, и даже предварительные извещения, с помощью которых различные стимулы, получаемые прибором, должны воплощаться в соответствующие внешние отклики посредством контуров, о чем будет подробнее сказано ниже в связи с электронными вычислительными машинами.

В настоящее время путем различного рода сочетаний контуров электронных ламп можно начать использовать исключительно легкий и гибкий характер электронных движений для многого такого, для чего в прошлом необходима была деятельность человеческой мысли. В этом направлении уже удалось увеличить в несколько сот тысяч раз скорость всех операций более отвлеченного, чем материального, характера, то есть делать в одну десятитысячную долю секунды то, для чего при использовании механических средств благодаря присущей твердой материи инерции обычно требовалась минута.

В то же самое время возможно также уплотнить в чрезвычайно маленькое пространство электрические контуры, которые, если их заменить деталями, приводимыми в действие механической силой, заняли бы во много тысяч раз больше места. Даже и сейчас этот процесс еще только начинается, и некоторые из успехов, достигнутых в направлении такого уменьшения размеров во время войны, показывают, что он может пойти значительно дальше. Еще в начале войны мысль о том, что полноценный передающий и принимающий радиоаппарат может иметь такие маленькие размеры и стоить так дешево, что его можно уложить в каждый выпущенный и потерянный зенитный снаряд, показалась бы фантастичной. Сейчас это обыденная вещь, и новейшие достижения дают гарантию в том, что такой процесс ускорения во времени и сокращения в пространстве пойдет гораздо дальше. В полупроводниковом триоде из германия, движение электронов в кристаллическом полупроводнике занимает место их движения в вакууме. Он уже заменил электронные лампы для многих целей, особенно там, где важны небольшие размеры; в дополнение к нему, вероятно, придут и другие новые материалы, специально созданные для еще большей чувствительности. Подобную же функцию выполняют коэрцитивные магнитные вещества, обеспечивая «решающие элементы» для хранения сведений.

Электронные счетно-вычислительные машины. Кибернетика

Однако подлинная новизна современных электронных приборов заключается скорее не в самих нх составных частях, а в связях между ними. И опять-таки для целей воины было необходимо создать аппараты, которые могли складывать и подсчитывать достаточно быстро, для выполнения всех сложных операций по наводке и пристрелке, а также расчета траекторий снарядов и ракет. Эти приборы позволили к концу войны создать первые чисто электронные счетные машины. Как счетные машины они начали с того, на чем больше чем за сто лет до того остановилась механическая счетная машина, когда Бэббедж ценой огромных средств попытался создать машину для более быстрого и точного вычисления математических таблиц, чем это мог сделать человек. Теперь мы только еще начинаем нащупывать возможность электронного вычисления. Здесь мы имеем обобщенное средство для перевода сложных и методических процессов, совершающихся в уме вычисляющего, в движение электронов.

Такая машина не только может точно выполнять заданные ей приказы, но и реагировать—а в этом и заключается главная ее новизна—на непредвиденные обстоятельства, обусловленные результатами первых стадий сделанных ею самою вычислений. Подобно сервомеханизмам, высокоспециализированный и усовершенствованный тип которых она сама представляет, она может реагировать на непредвиденные случайности и даже уже начинает, отбирая согласующиеся и отбрасывая несоответствующие результаты, показывать некоторые черты суждения и знаний в выборе легчайших путей для совершения того,что некогда уже делалось, и, таким образом, до известной степени создает в процессе своей работы свои собственные правила. Для всего этого она должна содержать внутри себя большое количество сведений, или отрывочных знаний, одни из которых получаются извне, другие порождаются работой машины, причем все это должно сохраняться для дальнейшего использования, сохраняться бесконечно, но так, чтобы быть в состоянии проявить себя по первому же требованию. Это—запоминание, основная черта электронного вычисления, и в то время как известное число уже имеющихся воспоминаний имеет статический характер, то есть нанесено на какую-то очень тонко градуированную проволоку или диск, другие числа представляют собой динамические воспоминания, существующие в виде сигналов, непрерывно текущих, как текут через жидкость упругие волны, вновь и вновь регенерируемых в идентичной форме до тех пор, пока они нужны. Все это, безусловно, похоже, в очень грубом и упрощенном виде, на быстрый и никогда не прекращающийся поток нервных импульсов, которые благодаря своему специфическому устройству могут явиться средством для сохранения наших собственных воспоминаний на протяжении множества лет. Как показал Винер в своей книге «Кибернетика» (или наука управления), это поистине новая отрасль творческой науки, связывающая математику, электронику и технику связи, руководимых новой отраслью математики, которая называется информационной теорией, с физиологией нервной системы и с самой психологией. Возможность создания того, что является действительно мыслящими машинами, каким бы низким ни был уровень их мышления, безусловно будет иметь глубокое влияние не только на науку, но и на экономику и жизнь общества.

Волновая природа электрона

В то время как овладение длинными электромагнитными волнами обеспечило создание новых телескопов, результатом изучения самих электронов явились новые микроскопы. Де Бройль в своей теории 1924 года выдвинул гипотезу, что каждый электрон сопровождается волной, длина которой обратно пропорциональна количеству движения электрона. Тремя годами позднее Дэвиссон и Джермер случайно открыли дифракцию электронов кристаллами, аналогичную дифракции рентгеновских лучей кристаллами, открытую за 14 лет до того. Это открытие могло быть сделано при попытке проверить теорию де Бройля. Фактически оно было обнаружено чисто экспериментальным путем и притом с запозданием. Дифракция электронов могла быть замечена даже до открытия рентгеновских лучей, ибо узкие пучки электронов простреливались через металлические пластинки еще в 1894 году, но никто не подумал о фотографировании возникавшего при этом луча. Если бы электронная дифракция была замечена и из нее был бы сделай вывод о волновой природе электрона, то весь ход развития физики XX века был бы изменен и, вероятно, весьма ускорен, хотя те же открытия были бы, вероятно, сделаны в другом порядке.

Электронный микроскоп

Даже до того, как был понят параллелизм между электроном и светом в их действенной роли как частиц и как воли, начала применяться идея использования отклоняющих электрических и магнитных полей для их фокусировки. Мы сейчас знаем, как концентрировать и фокусировать электроны для использования всех технических методов рефракции и интерференции, уже применяющихся в обычных оптических инструментах. Встретившиеся при этом затруднения были вначале связаны главным образом с проведением экспериментов, поскольку электроны могут свободно двигаться только в вакууме и «линзами» для них должны были служить нематериальные, электрические и магнитные поля; однако по мере усовершенствования технических методов трудности эти были преодолены и выросла новая наука—электронная оптика. Величайшим ее триумфом явился электронный микроскоп. Действие обычного светового микроскопа ограничено тем обстоятельством, что, используя длинные волны, он может применяться только для наблюдения объектов определенных размеров, и хотя для наших органов чувств световая волна имеет исключительно малую величину— менее одной пятидесятитысячной дюйма,—она все же очень велика по сравнению с размерами атома, который фактически примерно в 2000 раз меньше. Ну а электронные волны могут быть еще значительно короче, и удобнее всего использовать те из них, длина которых составляет около одной десятой атомного диаметра. Поэтому посредством комбинации электрических или магнитных линз должно оказаться возможным имитировать микроскоп, в котором можно добиться в сто или тысячу раз большего увеличения, чем в световом микроскопе. Сделать это удалось физику Ручке, сконструировавшему в 1937 году первый электронный микроскоп. С тех пор эти микроскопы были значительно усовершенствованы в смысле их разрешающей силы увеличения, так что с их помощью можно отчетливо видеть такие малые объекты, как отдельные молекулы.

Электронный микроскоп представляет собой даже еще больший шаг вперед по сравнению с обычным микроскопом, чем был этот последний по сравнению с невооруженным глазом. Он позволяет нам увидеть и воспроизвести на фотографиях все виды структур, начиная с тех, которые ясно видны в обычном микроскопе, и кончая такими, которые имеют практически атомные размеры. Это наиболее прямой путь приведения структуры микровещей в сферу наших обычных органов чувств. И как таковой он имеет большое философское значение, ибо придает осязаемую реальность таким единицам, как молекулы, которые вначале рассматривались как абстрактно гипотетические. Структуры таких размеров являются самыми интересными и важными для понимания характерных свойств жизни. В электронном микроскопе вирусы и бактериофаги впервые становятся видимыми и различимыми, и более тонкая природа структуры таких тканей, как мускулы и кожа, начинает давать представление о том, почему они имеют своеобразные и полезные свойства, проявляемые ими в живых организмах. Было показано даже, что митохондрии и другие органоиды, обнаруживаемые внутри клеток, имеют внутреннюю слоистую структуру, впервые раскрыв тем самым наличие давно подозреваемого внутриклеточного аппарата. Масштабы увеличения сейчас настолько велики (X500 ООО), что стало возможным объяснять видимое в микроскоп, с точки зрения молекулярных моде лен, чье поведение было установлено с помощью биохимии, тем самым в принципе образуется последнее звено в цепи между атомом и организмом. Использование электронного микроскопа явится источником открытия целой повой области биологии.