Я встретил путника; он шел из стран далеких
И мне сказал: вдали, где вечность сторожит
Пустыни тишину, среди песков глубоких
Обломок статуи распавшейся лежит.
Из полустертых черт сквозит надменный пламень,
Желанье заставлять весь мир себе служить;
Ваятель опытный вложил в бездушный камень
Те страсти, что могли столетья пережить.
И сохранил слова обломок изваянья: —
«Я — Озимандия, я — мощный царь царей!
Взгляните на мои великие деянья,
Владыки всех времeн, всех стран и всех морей!»
Кругом нет ничего… Глубокое молчанье…
Пустыня мeртвая… И небеса над ней…

П. Б. Шелли. Озимандия

Сегодня интернет, повсеместные беспроводные сети и смартфоны, которые мы не выпускаем из рук, позволяют связаться с любой точкой мира моментально и без труда. Мы обмениваемся электронной почтой, беседуем в Skype, переписываемся в Twitter, веб-сайты распространяют новости и иную информацию, сокровищница человеческого знания открывается прямо у нас на ладони. Но в постапокалиптическом мире придется вернуться к более ранним технологиям коммуникации.

Письмо

До изобретения письменности знания хранились в головах живущих и распространялись только устно. Но устная традиция вмещает лишь небольшой объем данных, и со смертью людей многие идеи могут исчезнуть навсегда. Если же мысли записываются на физическом носителе, они могут надежно храниться; к ним можно возвращаться через годы, накапливать знания и пр. Цивилизация, которая изобрела письменность, способна собрать гораздо больший объем знаний, чем когда-либо сможет удержать коллективная память населения.

Письменность — одна из важнейших технологий прогресса, это концептуальный скачок, трансформация звучащей речи в последовательность графических символов: либо произвольных знаков-букв, передающих звуки языка (фонемы английского, например), либо иероглифов, изображающих предметы и идеи (как в китайском). На первичном уровне это дает возможность навечно зафиксировать оговоренные условия сделки, границы земельных участков и своды законов. Но именно накопление знаний дает человечеству возможность прогрессировать в науке, культуре и технике.

Мы привыкли, что в современном мире такие орудия цивилизации, как бумага и перо, всегда под рукой. Насколько они важны, мы понимаем, лишь когда не находим старого конверта, чтобы накорябать на обороте список покупок, или когда горестно недоумеваем, куда исчезла ручка, две минуты назад положенная на стол. Хотя бумаги после гибели нашей цивилизации, должно быть, останется море, материал этот весьма тленный: бумага погибает в огне пожаров, которые заполыхают в обезлюдевших городах, она плесневеет от воды и сырости. Можно ли наладить массовое производство бумаги, пропустив исторические предшествующие этапы и не тратя времени на освоение материалов типа папируса и пергамента?

Бумагу изобрели в Китае около 100 г. н.э., но до Европы она добиралась более 1000 лет.

Вместе с тем бумага из древесной пульпы — это удивительно недавнее усовершенствование. До конца XIX в. бумагу делали в основном из льняной ветоши. Лен — это ткань, выделанная из волокон одноименного растения (см. главу 4), и, в сущности, бумагу можно сделать из любого волокнистого растения — конопли, крапивы, тростника или иной грубой травы. Но с ростом спроса, который, как мы увидим, стимулируется изобилием книг и газет, извергаемых печатным станком, человек все старательнее искал другие подходящие волокна. Дерево — замечательный источник добротного бумажного волокна, но как превратить плотный и твердый древесный ствол в жидкую кашицу из коротких мягких волокон и при этом не надорваться?

Волокна, благодаря которым бумага так легка, но притом прочна, — это целлюлоза. С точки зрения химии это длинная сложная цепь, которая у всех растений служит главной строительной молекулой, связывающей воедино клетки организма, особенно в стволе и ветках, — именно жилистые волокна целлюлозы застревают в зубах, когда вы жуете сельдерей. В прочных древесных стволах, однако, волокна целлюлозы усилены другим структурным компонентом — молекулой лигнина, которая, скрепляя целлюлозные пучки, образует древесину. Лигнин обеспечивает дерево идеальным материалом для строительства крепкой несущей центральной «колонны» и широко расходящихся сучьев и ветвей, на которых листья «вывешиваются» на солнце, но из-за него волокно целлюлозы остается досадно недоступным для человека.

Традиционно для получения растительного волокна стебли разминали, замачивали на несколько недель в стоячей воде, чтобы микроорганизмы принялись разрушать структуру материала, а затем интенсивно толкли, высвобождая целлюлозу грубой силой. Но не все так плохо: можно сберечь много времени и сил и перейти сразу к более эффективной схеме.

Связи, удерживающие вместе в ткани дерева целлюлозу и лигнин, легко разрушает химический процесс под названием гидролиз. При нем происходят те же самые молекулярные превращения, что и при сапонификации мыльного сырья, и добиваемся мы этого ровно теми же мерами: призываем на помощь щелочь. Лучшая для наших целей часть дерева или иного растения — ствол или стебель и ветви, поскольку корни и листья не богаты целлюлозным волокном. Растительную ткань крошат на мелкие кусочки, чтобы максимально увеличить площадь поверхности, контактирующей с агентом, и опускают на несколько часов в чан с кипящим щелочным раствором. Это разрушает химические связи, скрепляющие молекулы полимеров, так что растительная ткань размягчается и распадается. Щелочной раствор действует и на лигнин, и на целлюлозу, но гидролиз лигнина происходит быстрее, так что у нас остается возможность, пока лигнин разрушается и растворяется, собрать драгоценные бумажные целлюлозные волокна. Мягкие белые волокна всплывут на поверхность мутно-бурого окрашенного лигнином варева.

Подходит любая из щелочей, которые мы описали в главе 5, — поташ, едкий натр, известь, — но исторически чаще всего применялась гашеная известь (гидроксид кальция), поскольку ее легко получать в больших объемах, обжигая известняк, тогда как поташ производится вымачиванием древесной золы, что весьма трудозатратно. Однако, если вы наладили искусственный синтез едкого натра (об этом пойдет речь в главе 11), он подойдет для варки целлюлозы гораздо лучше любого другого агента, способствуя интенсивному гидролизу. И вы получаете его прямо в варочном чане, смешивая гашеную известь и соду.

Собрав на сите отделившиеся волокна целлюлозы, их несколько раз промывают, пока не отмоют от грязноватого лигнинового налета. Затем, если нужно, чтобы готовая бумага вышла чисто-белой, пульпу замачивают в отбеливателе. Хорошими отбеливателями служат хлорная известь и хлорноватистый натр: их получают, соединяя газообразный хлор (добываемый путем электролиза соленой воды) с гашеной известью или едким натром соответственно. Химическая природа такого отбеливания — окисление: распадаются молекулярные связи в окрашенных веществах, и молекулы распадаются или преображаются, так что вещество утрачивает цвет. Отбеливание необходимо не только при производстве бумаги, но и в текстильной промышленности, так что в дни перезагрузки потребность в нем, вероятно, станет главным стимулом развития химической индустрии.

Вылейте добрую порцию этого густого целлюлозного супа на частое сито или полотняный экран с деревянной рамой-бортиком, чтобы, когда вода стечет, волокна улеглись в виде как попало сплетенного коврика. Отпрессуйте его, чтобы выжать оставшуюся воду и получить ровные гладкие листы, и оставьте сушить.

Небольшое бумажное производство будет значительно легче организовать, если вам удастся кое-что найти в руинах погибшей цивилизации. Щеподробилка или даже большой кухонный блендер, подключенный к генератору, облегчит «разжевывание» растительной массы в густой целлюлозный суп; но можно применить ветряк или водяное колесо, которые создадут усилие, необходимое для подъема свайных молотов, измельчающих массу.

Впрочем, получение чистой гладкой бумаги — только половина дороги к организации письменной коммуникации и постоянных запасов знания. Когда высохнут или затеряются все оставшиеся от доапокалиптических времен авторучки, понадобится изготовить яркие и долговечные чернила, которыми можно писать по бумаге.

В принципе, в качестве чернил на первый случай можно использовать все, что оставляет досадные пятна, если капнет вам на рубашку. Можно взять, к примеру, горсть спелых ягод насыщенного цвета, растолочь, чтобы дали сок, процедить его и растворить в нем немного соли для консервации. Но с растительными экстрактами чаще всего связана проблема недолговечности. Чтобы сохранить собственную речь и заново собранный возрождающимся человечеством запас знаний навсегда, нужны чернила, которые плохо смываются со страницы и не выцветают на солнце. Средневековая Европа пришла к такому решению, как железистые (железо-галловые) чернила. Можно сказать, что ими написана сама история западной цивилизации. Ими делал записи Леонардо да Винчи. Записывал свои концерты и сюиты Бах. Делали наброски Ван Гог и Рембрандт. Не без участия железистых чернил дошла до потомков Конституция Соединенных Штатов. Состав, весьма похожий на оригинальные железистые чернила, поныне широко употребляется в Великобритании: канцелярские чернила, которыми должны заполняться такие документы, как свидетельства о рождении, смерти и браке, готовят по той же средневековой формуле.

Как явствует из названия, главных компонентов у этих чернил два: соединение железа и экстракт галла — чернильного орешка. Галлы образуются на листьях и ветках деревьев, например дубов, когда оса-паразит откладывает яйца в почки и, раздражая дерево, заставляет его образовать вокруг кладки нарост. Эти орешки богаты галловой и дубильной кислотами, они обе реагируют с сульфатом железа, полученным растворением железа в серной кислоте. Железистые чернила в чистом виде практически бесцветны, и трудно видеть, что ты ими выводишь, если не добавить в смесь еще какой-то растительный краситель. Но на воздухе железная составляющая чернил окисляется, и линия приобретает густую и устойчивую черную окраску.

Простейшее перо также можно изготовить по освященному веками патенту. Подержите птичье перо (использовались в основном гусиные и утиные) в горячей воде и удалите материал, заполняющий его стержень. Обрежьте кончик стержня, подрезав с двух сторон, чтобы получилось острое жало, а затем придайте острию плавный округлый изгиб, классическую форму стального пера. Если острие надсечь вдоль посередине, перо будет удерживать в себе небольшой запас чернил, и макать его в чернильницу придется не так часто.

Печать

Появление письменности было историческим шагом, обеспечившим сохранение и накопление идей, изобретение же книгопечатания подарило нам машину для их размножения и быстрого распространения. Сегодня развитые страны могут похвастать практически поголовной грамотностью населения, и ежегодно в них отпечатывают приблизительно 45 млрд страниц текста: книги, газеты, журналы, брошюры.

Если бы не было печати, копирование текста требовало бы нескольких недель кропотливого труда целой группы переписчиков. Заказывать такие работы могли бы лишь влиятельные и богатые люди, а значит, в обращение выходили бы только отобранные и одобренные ими тексты. Изобретение печатного пресса демократизировало знание. Печать дает каждому возможность не только учиться, но и распространять собственные идеи: от новых научных теорий до радикальных политических воззрений, стимулируя широкое обсуждение и перемены в общественном устройстве.

Главный принцип печати — замена рукописной страницы набором литер: рядами уложенных в деревянную раму небольших кубиков, у каждого из которых на верхней грани выточена рельефная буква. Набор смазывается чернилами и прижимается к странице. После того как рамка наполнена литерами, одну страницу текста можно быстро напечатать еще, и еще, и еще раз, а когда нужное число копий отпечатано, из тех же литер составляется следующая страница. Даже на примитивном печатном прессе текст репродуцируется в сотни раз быстрее, чем от руки.

Есть три главные проблемы, которые вам предстоит решить, чтобы возродить печатный станок с подвижными литерами, изобретенный в XV в. в Германии Иоганном Гутенбергом. Во-первых, нужно придумать способ массово изготавливать литеры точного размера. Затем понадобится механизм, равномерно и плотно прижимающий набор к странице. Наконец, придется изобрести новый вид чернил — не таких, что свободно стекают с кончика пера, а таких, которые хорошо держатся на металлических деталях сложной конфигурации.

Первый вопрос: из какого материала делать литеры? Дерево легко резать, но потребуется долгая кропотливая работа искусного резчика, который должен будет вырезать вручную каждую отдельную литеру: около 80 букв (считая прописные и строчные), цифры, знаки препинания и другие употребительные символы — и впоследствии множество точных копий каждой из них. И это лишь для одного шрифта в одном размере и одном начертании.

Выходит, чтобы массово печатать книги, вам нужно сначала научиться массово производить орудия для этого. Здесь может помочь литье — отлив одинаковых блоков-литер из расплавленного металла. Гутенберг понял: чтобы блоки-литеры имели ровные и гладкие грани и абсолютно прямые углы и плотно укладывались в ряды-строки, их нужно отливать в форму в виде пустого куба. Четкое очертание буквы можно без лишних усилий получить на нижнем торце блока, если на дно формы установить сменную матрицу. Матрицы можно делать из мягкого металла вроде меди, а точный оттиск буквы на них легко получить, впечатав его так называемым пуансоном из твердой стали. Остается один раз вырезать каждую букву, цифру и знак на пуансоне, и можно спокойно отливать без счета литеры одного шрифта.

Здесь есть еще одна трудность, возникающая из природы европейских букв: они сильно разнятся по ширине, от изящной i или стройной l до круглобокой O или плечистой W. Чтобы текст легко читался, буквы должны стоять рядом тесно, и вокруг узких символов не должна зиять пустота. Таким образом, нужно на­учиться отливать кубики-литеры одинаковой высоты, чтобы они составлялись в строку, но разной ширины.

Это тоже предусмотрел Гутенберг, озаренный идеей массового и удобного изготовления кирпичиков печатного текста. Форму нужно сделать из двух зеркальных половин — L-образных створок, которые, складываясь, образуют внутри кубическую полость. Стенки такой камеры легко сдвигаются и раздвигаются, плавно регулируя ширину литеры, но не меняя ни глубины, ни высоты (сложите рамку, растопырив большие и указательные пальцы, и вы наглядно увидите остроумный принцип этого изобретения). Чтобы отлить идеально подогнанную литеру, остается положить на дно формы нужную матрицу, задать ширину камеры, залить расплав, а когда он застынет, извлечь готовую литеру, просто разняв L-образные половинки.

Когда страница текста набрана, набор смазывают чернилами и получают тонко детализированный оттиск на чистом листе. Есть целый ряд механических устройств, позволяющих приложить интенсивное давление, в том числе простой рычаг или система блоков: и то и другое в истории бумагоделания применяли для удаления избытков жидкости. Но Гутенберг вырос в немецком винодельческом краю и для своего революционного изобретения применил другой старинный патент. Винтовой пресс — это древнеримская технология, восходящая к I в.: такими прессами повсеместно отжимали оливковое масло и виноградный сок. Пресс оказался идеальным механизмом для жесткого, но равномерного давления на две пластины, прижимающие смоченный краской набор к книжной странице. Память об этом важнейшем инструменте печатного процесса дожила до наших дней в коллективном названии всех печатных изданий, да и работающих там журналистов — «пресса».

Для печати вовсе не обязательно налаживать производство бумаги: станок Гутенберга отлично печатает на пергаменте, выделанном из телячьей кожи (но не на ломком папирусе). Однако без ее массового производства невозможно сделать книги доступными широкому покупателю, так что их революционный в аспекте социального развития потенциал останется под спудом. Если бы книга, которую вы сейчас держите в руках, была напечатана на пергаменте и в том же формате, что и первая Гутенбергова Библия, на каждый экземпляр ушло бы около 48 телячьих шкур.

Но успех печати зависит еще от качества чернил. Разработанные для письма от руки текучие составы на водной основе, вроде железистых чернил, здесь совершенно не годятся. Чтобы четко оттиснуть тонкие буквы, нужны вязкие чернила, они должны крепко пристать к металлическим поверхностям сложной формы, а потом оставить четкий оттиск на бумаге, не размазываясь, не растекаясь и не расплываясь. Гутенберг эту задачу решил, обратившись к новинке, которая тогда только входила в обиход художников Возрождения, — масляным краскам.

Черную краску на основе сажи древние египтяне и китайцы придумали примерно в одно время, около 4500 лет назад. Углеродные крупицы сажи служат идеально черным пигментом, если смешать ее с водой и специальным загустителем типа древесной смолы или желатина (костный клей: см. главу 5). Так готовят китайскую тушь, изобретенную в Китае, распространившуюся тогда же в Индии и поныне широко применяемую художниками. В сущности, суспензия частичек угольно-черного красителя представляет собой тонер для ксерокса и лазерного принтера. Сажу можно собрать из дымного пламени горящих масел (так называемая ламповая копоть) или сжигая различные органические материалы — древесину, кость или деготь.

Хотя угольные черные пигменты имеют почтенную историю, для печатного пресса загущенная смолой или клеем тушь не годится, здесь нужен состав совсем иной вязкости и с иным порядком высыхания. И Гутенберг нашел решение в только-только зарождавшейся ренессансной живописи. Ламповая копоть в смеси с льняным или ореховым маслом быстро сохнет и держится на металлических литерах значительно лучше, чем жидкая тушь на водной основе (хотя льняное масло перед применением нужно обработать: вскипятить и снять поднявшийся слой густой слизи). Нужную вязкость чернилам можно сообщить с помощью двух дополнительных ингредиентов — скипидара и камеди. Скипидар — это растворитель, им разводят масляные краски, а получают его перегонкой смолы хвойных деревьев, в частности сосновой. А вот твердая густая смола, остающаяся при перегонке после отделения летучих компонентов, напротив, сгущает краску. Добившись нужного баланса двух ингредиентов-антагонистов, вы придадите чернилам оптимальную вязкость, а скорость высыхания можете варьировать, изменяя пропорцию льняного и орехового масел.

Итак, книгопечатание позволит быстро распространять знание среди возрождающегося человечества, а письменные сообщения дадут возможность поддерживать связь между людьми, живущими в разных местах. Но ведь, наверное, можно не затрудняться доставкой бумажных писем и на большом расстоянии вести общение с помощью электрических сигналов?

Электрическая связь

Электричество — удивительная материя: ток летит по проводу практически моментально и производит заметную нам работу вдали от места, где его включили, например зажигает свет в другой комнате. Но чтобы передать сигнал между зданиями, городами и даже странами, мало просто размотать провода с лампочками и мигать друг другу. Вам будет мешать электрическое сопротивление, гасящее энергию сигнала, и, для того чтобы зажечь лампочку на сколько-нибудь значительном удалении, просто не хватит напряжения. Однако подходящий электромагнит, снаряженный, как описано в главе 8, создаст заметное магнитное поле даже от слабого тока. Расположите над его концом неустойчиво сбалансированный металлический рычажок, и он послужит исключительно чувствительным переключателем, который при возникновении тока в магните будет замыкать цепь и активировать звонок. Релейный зуммер по разные концы длинной телеграфной линии помогает телеграфисту услышать электрический сигнал, посланный издалека.

Сообщения можно передавать побуквенно, обозначая каждую букву последовательностью длинных и коротких электрических сигналов — тире и точек. Вам только остается условиться с человеком на другом конце линии, как обозначается каждая буква, после этого можно обменяться первыми постапокалиптическими телеграфными письмами. Как вы построите систему кодирования, в сущности, неважно, но если вы заранее задумаетесь над тем, чтобы процесс был и быстрым, и надежным, то, вероятно, заново изобретете азбуку, весьма похожую на код Сэмюэля Морзе. У него наиболее употребительным буквам английского алфавита соответствуют самые простые комбинации: E — одна точка, T — тире, A — точка-тире, I — точка-точка.

Распределенные на равном расстоянии релейные радиостанции помогут передавать сигнал дальше по линии, так что вы сможете наладить глобальную сеть телеграфной связи. Но прокладка и содержание проводов через континенты и по океанскому дну — предприятие непростое. Не поискать ли более удобный способ? Нельзя ли наладить передачу электрических сигналов без хлопот с проводами, по которым бежит ток?

Рассмотрим поближе инь-яновскую взаимозависимость электричества и магнетизма. Если от колебаний электрического поля возникает магнитное поле, а колебания магнитного, в свою очередь, создают электрическое, значит, человеку под силу управлять колебаниями взаимно индуцирующихся энергий. Вообще-то такие электромагнитные волны (в отличие от волны на воде или звуковой волны) распространяются даже в полном вакууме, где нет материи, которая передавала бы возмущение: электричество и магнетизм вместе путешествуют по Вселенной, как призраки.

Золотой солнечный свет, льющийся в ваше окно, тоже не более чем сплетение электрического и магнитного полей. От рентгеновского аппарата, солярия, инфракрасных приборов ночного видения и микроволновых печей до радиолокации, телевидения и этой квинтэссенции современной жизни, бесплатного Wi-Fi, к которому я сейчас подключил свой ноутбук, — все это основано на разных формах света. Электромагнитный спектр — это широкая полоса частот, в которых колеблются соединенные электрическое и магнитное поля — от опасного интенсивного гамма-излучения до длинноволнового радио, и все эти волны распространяются со скоростью света.

Нас с вами интересуют именно радиоволны. Кроме того, что их относительно легко произвести и уловить, они могут переносить на большие расстояния информацию. Радиопередатчик и радиоприемник — вот технология, восстановление которой поможет вам наладить систему дальних коммуникаций.

Начнем с того, что попроще, — с приемника. Закиньте на дерево длинный кусок провода, нижний конец зачистите и воткните в землю для заземления. Это антенна, и быстрое колебание электромагнитного поля в проходящей радиоволне заставит электроны в металлическом проводе бегать вверх и вниз — создаст индуцированный переменный ток. Но для того чтобы присоединить сюда наушники и хоть что-то услышать, нужно найти способ отделить положительную или отрицательную половину волны, отбросив вторую.

Разрешить эту задачу поможет любой материал, пропускающий ток в одном направлении и блокирующий в противоположном: он «выпрямляет» переменный ток в серию импульсов постоянного. К счастью, таким волшебным и ценным свойством обладают многие кристаллы. Железный колчедан, прозванный за свою обманчивую наружность «самоварным золотом», прекрасно справляется с задачей, и его легко отыскать. Широко применяется в радиоприемниках с кристаллическими детекторами и другой минерал — галенит (сульфид свинца). Это основная руда свинца, ее богатые залежи есть по всему миру, в разные века человек добывал из нее свинец для изготовления водопроводных труб, церковных кровель, мушкетных пуль и свинцово-кислотных перезаряжаемых аккумуляторов.

Включите кристалл в цепь с антенной и наушниками, поместив его в металлическую капсулу и приделав к ней еще один контакт в виде тонкого провода, так называемый «кошачий ус». Выпрямление происходит в месте соединения кристалла и тонкого контакта, но этот эффект неустойчив, и требуется терпение, чтобы методом проб и ошибок определить оптимальное расположение этих двух частей. Однако даже в отсутствие радиопередачи это примитивное устройство может улавливать радиоизлучение, порождаемое природными явлениями, например грозами. По сути, примитивный радиопередатчик работает по принципу искрового генератора, создавая быстрые последовательности искусственных грозовых разрядов.

В искровых генераторах искра проскакивает между двумя контактами под высоким напряжением. Каждая такая искра вызывает в антенне движение электронов и испускание краткой серии радиоволн. Если передатчик ежесекундно производит тысячи искр, испуская быструю череду радиоволн, в наушниках приемника будет раздаваться жужжание. Смонтируйте выключатель на стороне низкого напряжения трансформатора, питающего разрядник, чтобы управлять разрядами и испусканием радиоволн и кодировать сообщение в тире и точках.

В идеале вам нужно передавать по радиоволнам звуки, чтобы радиооператоры могли переговариваться друг с другом или вести передачи на широкую аудиторию. Морзянка основана на полном прерывании и возобновлении сигнала, но, чтобы передавать звук, требуется более тонкое воздействие, так называемая модуляция несущего сигнала. Простейший алгоритм называется «амплитудная модуляция» (AM): интенсивность несущего сигнала плавно меняется в пределах двух крайних значений, изящный график звуковых колебаний как бы пропечатывается поверх размашистой амплитуды радиоволны. К счастью, кристаллический детектор отлично справляется с «демодуляцией» сигнала в приемнике. Односторонняя проводимость кристаллического перехода в соединении с выравнивающим действием конденсатора убирают высокочастотный несущий импульс, оставляя только голос оператора и музыку.

Но если в округе не единственный мощный передатчик, а хотя бы несколько, через такой примитивный приемник вы будете слышать нераспознаваемую мешанину разных сигналов: антенна улавливает все передачи на различных частотах и все это транслирует вам в наушники. Для точной настройки в систему нужно добавить некоторые компоненты. Настройка передатчика повышает эффективность передачи, раскладывая ее энергию по узким полосам радиочастотного спектра, а приемник выбирает из многоголосой какофонии всего радиоэфира ту полосу, которая вам нужна.

Как мы видели, радиоволна — это, в сущности, колебание, и составляющие ее электрическое и магнитное поля чередуются в некотором ритме, качаясь, будто маятник часов. Чтобы настроить радиоприемник или передатчик, нужно добавить устройство, которое электрически колеблется в определенной частоте и не реагирует на другие, близко расположенные частоты. Для этого используется явление резонанса.

Его можно представить следующим образом. Ребенок на качелях качается туда-сюда с определенной частотой, как любой маятник. Если в нужный момент вы слегка подталкиваете его, ребенок взлетает все выше и выше. Но если толкать не в ритме качания, все ваши усилия пропадут втуне.

Сконструировать простейший колебательный контур, поддерживающий заданную частоту, поможет восхитительно изящная комбинация конденсатора и индукционной катушки-дросселя. Конденсатор изготавливается из двух металлических пластин, разделенных слоем изоляции. Любая подача напряжения гонит электроны в одну из пластин, пока там не образуется негативный заряд такой емкости, что дальнейшее наполнение невозможно. Конденсатор служит хранилищем электрического заряда и испускает его одним резким мощным импульсом, как, например, во вспышке фотоаппарата. Катушка-дроссель — это, в сущности, электромагнит, но она делает кое-что поинтереснее, чем просто притягивает металлические предметы. Если сопротивление препятствует прохождению тока вообще, то индуктивность препятствует флуктуациям в потоке электронов. Таким образом, пара «конденсатор–дроссель» служит надежным запасом электрической энергии: конденсатор в форме поля между его пластинами, а дроссель — в виде магнитного поля, окружающего катушку. Соедините эти два устройства в цепь, и эта простая кольцевая электрическая цепь как по волшебству оживет.

Когда насыщенная электронами пластина конденсатора отдает свой заряд, ток идет по цепи и через индукционную катушку, где создается магнитное поле, пока заряд на пластинах не сравняется. Тогда магнитное поле на катушке исчезает, но до тех пор линии убывающего поля, проходя сквозь катушку, вызывают в ней ток (эффект генератора) и, значит, закачивают электроны в другую пластину конденсатора — удивительно, схлопывающееся магнитное поле способно какое-то время поддержать тот же самый ток, которым оно и создано. К тому времени, кода поле в дросселе исчезнет совсем, вторая пластина конденсатора полностью зарядится и запустит ток в противоположном направлении, и он опять пройдет через катушку.

И так энергия течет то туда, то сюда между конденсатором и дросселем, то и дело переходя из электрического поля в магнитное и обратно, как мятник, совершающий тысячи колебаний в секунду — на частоте радиоволны.

Прелесть этого очаровательно несложного колебательного контура именно в том, что работает он исключительно на своей природной частоте, не сбиваясь ни на какие другие. Вы можете изменить эту частоту, то есть перенастроить свой передатчик или приемник, изменив характеристики одного из двух компонентов. Легче это проделать с конденсатором: вращая полукруглые металлические пластины относительно друг друга, можно регулировать площадь их пересечения, а значит, максимум собира­емого заряда. Ручка настройки на старых приемниках чаще всего и была соединена с переменным конденсатором в колебательном контуре. Современные передатчики и приемники настраиваются с такой точностью, что радиоэфир в наши дни нарезан на тончайшие ломтики, будто окорок на гастрономическом прилавке, и поделен под тысячи разных нужд: коммерческое радио- и телевещание, GPS-навигация, переговоры экстренных служб, управление воздушным движением, сотовая связь, беспроводной интернет и Bluetooth, радиоуправляемые игрушки и т.д. Искровые передатчики сейчас и вовсе запрещены: их радиоизлучение плохо сфокусировано и рассеивается по широкому диапазону, так что они серьезно засоряют области соседних частот.

Конечно, для передачи звуковых сообщений необходимы еще такие компоненты, как микрофон, преобразующий звуковые колебания в кривые напряжения электроцепи передатчика, и наушники, транслирующие полученные электрические импульсы обратно в звук. Фактически микрофон и наушники — это одно и то же устройство. И там, и там есть мембрана, которая, вибрируя, создает звук или улавливает его, присоединенная к катушке, внутри которой находится магнит, так что в обоих устройствах наблюдаются те же явления электромагнетизма, которые лежат в основе электромотора и электрогенератора.

Более чувствительный вариант радиостанции можно собрать, применив пьезокристалл, обладающий занятным свойством создавать при деформации электрическое напряжение. Кристаллические наушники с такой чувствительностью нужны, чтобы расслышать исчезающе слабый сигнал с «кошачьего уса». В качестве пьезокристалла отлично подойдет виннокислый калий-натрий, он же сегнетова соль — по имени французского аптекаря, впервые получившего это вещество в XVII в. Приготовить эту соль можно, смешав горячие растворы кальцинированной соды и кислой винно-калиевой соли (известной под названием «винный камень»), кристаллы которой оседают на стенках бочек, где выдерживается вино.

Можно не сомневаться, что постапокалиптическое человечество быстро возродит радиосвязь с нуля — даже без сложных волновых уравнений и без производственной базы для выпуска тонких радиоприборов. Это уже было в недавней истории.

Во Вторую мировую войну солдаты в траншеях на переднем крае и военнопленные в лагерях, чтобы слушать сводки с фронтов и музыку, собирали приемники из подручных средств. В этих остроумных конструкциях использовался широкий набор материалов, приспособленных под радиодетали. Антенны забрасывали на деревья или маскировали под бельевые веревки, а иногда использовали в этой роли даже проволочные заграждения. Для заземления хорошо служили холодные водопроводные трубы в лагерных бараках. Дроссели изготавливали, наматывая проволоку на картонную трубку, а раздобытый где-то голый провод изолировали свечным воском или, как в японских лагерях, жидким тестом из муки и пальмового масла. Переменные конденсаторы для настройки сооружали из фольги, например от сигаретных пачек, прокладывая ее изолирующими слоями газеты; получившийся широкий и плоский колебательный контур для компактности сворачивали в трубку.

Наушники смастерить значительно труднее, поэтому их чаще просто снимали с разбитых машин. Примитивную замену собирали, наматывая проволоку на стальные гвозди, на конце приспосабливая магнит, а на проволоку сверху пристраивая крышку от консервной жестянки, чтобы она слегка вибрировала под действием принятого сигнала.

Но, пожалуй, самого остроумного подхода потребовало создание такого необходимого устройства, как выпрямитель, снимающий звуковые частоты с несущего сигнала. Кристаллов вроде железного колчедана или галенита на фронте было не достать, но оказалось, что заржавленные бритвенные лезвия и окисленные медные монетки тоже годятся. Лезвие втыкали в кусок дерева рядом с разогнутой английской булавкой. К острию булавки прочно крепили (например, туго приматывали проволокой) заточенный грифель, и за счет своей упругости булавка отлично служила «кошачьим усом», позволяя точно настроить примыкание грифеля к поверхности окисленного металла, чтобы чисто демодулировать сигнал.

Кристаллические радиоприемники (как и «ржавчинно-грифельные» детекторы) прекрасны своей простотой и не нуждаются в источнике электропитания, поскольку получают необходимую для работы энергию прямо из уловленных радиоволн. Но кристаллический детектор ненадежен, и звук такой приемник производит негромкий. Решает эту проблему и дает начало новой революционной технологии, имеющей самый широкий спектр применений, вакуумная трубка — близкий родственник другого убиквиста современной цивилизации, электрической лампочки.

Как и лампочка Эдисона, вакуумная трубка состоит из металлической нити накаливания, помещенной в стеклянную капсулу, но есть важное отличие в том, что вокруг нити выставлен металлический экран, а внутри капсулы почти абсолютный вакуум. С нити, раскаленной добела, электроны отрываются и образуют вокруг нее облако-заряд. Это явление называется «термоэлектронная эмиссия» и используется в рентгеновских аппаратах, люминесцентных лампах, старых телевизорах и компьютерных мониторах. Если экран заряжен более положительно, чем нить, высвободившиеся электроны притягиваются к нему, и в нем возникает ток. В обратную сторону ток пойти не может, потому что металлический экран не нагревается и не испускает электронов, следовательно, такого рода диод (прибор с двумя металлическими контактами или электродами) действует подобно клапану, пропуская ток лишь в одну сторону. Основанный на совсем иных физических процессах, этот термоэлектронный клапан выполняет те же функции, что и кристаллические детекторы, и его можно сразу использовать как демодулятор в радиоприемниках. А одно простое дополнение к конструкции дает нам важнейшую инновацию и целый спектр небывалых возможностей.

Если взять обычный вакуумный диод и поместить между нитью накаливания и экраном проволочную спираль или сетку, можно наблюдать кое-что фантастическое. Такое трехконтактное устройство называется триодом, и, варьируя напряжение, подаваемое на сетку, можно влиять на ток, возникающий между нитью и экраном. Подавая на сетку небольшое отрицательное напряжение, мы отклоняем траектории электронов, испущенных нитью и летящих к экрану. Усилив напряжение, мы еще больше разредим их поток — это как пережимать коктейльную соломинку, дозируя прохождение напитка. Но главное — триод дает возможность, варьируя напряжение на одном из контактов, управлять напряжением на другом. Гениальное применение этого свойства заключается в том, что микроскопическими колебаниями малого напряжения на контрольной сетке можно вызвать значительные вариации напряжения на выходе. Вы усилили входящий сигнал.

Триод делает то, чего не могут кристаллы: усиливает полученный сигнал так, что через динамики его слышно во всей комнате. Также триод позволяет получать электрические колебания строго заданной частоты, что идеально для узкополосного несущего сигнала, и без труда накладывать на этот сигнал звуковую модуляцию. Все это важнейшие функции для радиовещания, но не менее полезны вакуумные радиолампы и в роли переключателей, регулирующих направление тока много быстрее механических рубильников. Монтируя множество таких ламп в одну сеть, где они управляют друг другом, можно выполнять математические вычисления и даже собирать полностью программируемые электронно-вычислительные машины.