Fotofon Bella: telefon, który mówił wiązką światła

Na ścianie Franklin School w Waszyngtonie wisi tablica. Głosi, że 3 czerwca 1880 roku z najwyższego piętra budynku posłano "pierwszą bezprzewodową wiadomość telefoniczną w historii świata". Nośnikiem nie był kabel ani fala radiowa. Była nim wiązka światła. Aparat nazywał się photophone. Po polsku najczęściej: fotofon.^[1]

Bell miał już za sobą telefon. Mimo to uważał fotofon za ważne, a według relacji z ostatnich lat życia nawet za swoje największe osiągnięcie. W wywiadzie miał powiedzieć, że to "największy wynalazek, jaki kiedykolwiek zrobiłem, większy od telefonu".^[2] Samo to zdanie wystarczy, żeby zatrzymać się przy urządzeniu, które prawie zniknęło z pamięci potocznej.

Pytanie prowadzące jest proste: jak można przesłać głos na słońcu i dlaczego wynalazek, który Bell cenił wyżej niż telefon, nie zajął jego miejsca w codzienności?

Co właściwie przesyłano

Fotofon nie był "telefonem na baterię słoneczną" w dzisiejszym sensie. Nie magazynował energii światła, żeby zasilać rozmowę. Światło było nośnikiem informacji.

Najprostszy model wygląda tak:

1. Głos wprawia w drgania cienkie lustro.
2. Drgające lustro zmienia, ile światła leci w stronę odbiornika.
3. Odbiornik zamienia te zmiany jasności z powrotem na dźwięk.

Bell opisał modulator własnymi słowami. Najprostszy układ to płaskie lustro z giętkiego materiału, w którego tył kieruje się głos. Pod wpływem mowy lustro staje się na przemian wypukłe i wklęsłe, a więc na przemian rozprasza i skupia światło.^[3]

Zmiana kształtu lustra nie musi być duża. Wystarczy, że obserwator po stronie odbiornika widzi rytmiczne wahania jasności odbitej plamy. Te wahania niosą kształt fali dźwiękowej.

Selen zrobił z pomysłu odbiornik

Żeby usłyszeć głos, trzeba było coś zrobić ze zmiennym światłem. Bell i Charles Sumner Tainter skorzystali z selenu.

W latach 70. XIX wieku Willoughby Smith opisał zależność oporu elektrycznego selenu od oświetlenia. Późniejsze prace, między innymi Roberta Sabine'a w "Nature", pokazywały efekt na przyrządach pomiarowych.^[8] Bell wyciągnął z tego praktyczny wniosek: jeśli w obwodzie z baterią i słuchawką umieści się selen, wahania światła powinny dać się usłyszeć zamiast tylko oglądać na wskazówce.

W dojrzałej wersji odbiornika światło padało na ogniwo selenowe w ognisku zwierciadła parabolicznego. Przy słabym oświetleniu opór był większy, przy silniejszym mniejszy. Wahania prądu w słuchawce odtwarzały dźwięk.^[3][7]

Bell badał też odbiorniki bez elektryczności. Niektóre substancje, oświetlone szybko przerywaną wiązką, same wydawały dźwięk. Sadza lampowa dawała ton, który opisał jako boleśnie głośny, gdy ucho przycisnąć blisko urządzenia.^[3] To osobna ścieżka: fotoakustyka. Do transmisji mowy na dystansie bardziej przydał się jednak selen i słuchawka.

Laboratorium na L Street

Bell wynajął w Waszyngtonie laboratorium przy 1325 L Street NW. Watson był wtedy zajęty produkcją telefonów w Bostonie, więc Bell zatrudnił instrumentowca Charlesa Sumnera Taintera. Tainter wcześniej pracował przy amerykańskiej komisji przejścia Wenus z 1874 roku.^[2]

19 lutego 1880 roku para miała już działający układ. Do membrany przymocowano metalowe kratki przerywające wiązkę światła w rytm mowy. Gdy zmodulowane światło padło na selenowy odbiornik, Bell w słuchawkach usłyszał Taintera śpiewającego "Auld Lang Syne".^[2]

Kilka dni później, 26 lutego, Bell napisał do ojca, Alexandra Melville'a Bella:

I have heard articulate speech by sunlight! I have heard a ray of the sun laugh and cough and sing! [...] I have been able to hear a shadow and I have even perceived by ear the passage of a cloud across the sun's disk.

Tłumaczenie własne: "Słyszałem artykułowaną mowę dzięki światłu słonecznemu! Słyszałem, jak promień słońca śmieje się, kaszle i śpiewa! [...] Potrafiłem usłyszeć cień i nawet uchwycić uchem przejście chmury przez tarczę słońca."^[5]

W tym samym liście nazwał ojca "dziadkiem fotofonu". Entuzjazm jest szczery i trochę teatralny. Pokazuje też, że Bell traktował efekt jako odkrycie fizyczne, a nie samą patentową ciekawostkę.

Z alei na dach szkoły

1 kwietnia 1880 roku Bell i Tainter porozumieli się na dystansie około 79 metrów, wzdłuż zaułka do tylnego okna laboratorium.^[2]

Później przenieśli próbę na większą odległość: z dachu Franklin School do okna laboratorium Bella przy L Street. Dystans wynosił około 213 metrów. Nadajnik używał światła słonecznego odbitego od bardzo cienkiego lustra na końcu tuby mówionej. Tainter mówił z dachu. Bell słuchał w laboratorium i na umówiony sygnał energicznie machał kapeluszem z okna.^[2][7]

Tu pojawia się rozbieżność dat, której nie należy zamazywać. Tablica pamiątkowa na Franklin School podaje 3 czerwca 1880.^[1] Szczegółowe opisy próby na 213 metrach często wskazują 21 czerwca 1880.^[2] Bez wglądu w oryginalny dziennik laboratoryjny trudno rozstrzygnąć, czy tablica upraszcza chronologię, czy obie daty dotyczą różnych etapów. Fakt transmisji na tym odcinku jest dobrze poświadczony. Dokładny dzień wymaga ostrożności.

Patent główny, "Apparatus for Signaling and Communicating, called Photophone", otrzymał numer US 235,199 i datę 7 grudnia 1880.^[4] Bell i Tainter opracowali dziesiątki wariantów modulacji i demodulacji światła, zanim przenieśli uwagę na graphophone, czyli prace nad zapisem dźwięku.^[2]

W lutym i kwietniu 1880 roku Volta Laboratory Associates złożyli w Smithsonian Institution zapieczętowane puszki z dokumentacją fotofonu. Miały zabezpieczyć pierwszeństwo na wypadek sporu patentowego. Otwarto je dopiero w 1937 roku, w obecności rodziny Bella.^[6]

Dlaczego nie zastąpił telefonu

Telefon i tak był nowością. Radio jako praktyczna rozmowa bezprzewodowa miało dopiero nadejść. Fotofon wymagał linii wzroku i względnie stabilnego nośnika świetlnego. Chmura, mgła, deszcz, śnieg albo noc bez sztucznego źródła potrafiły przerwać łączność. Sam Bell przeniósł prawa do fotofonu na American Bell Telephone Company już w maju 1880.^[2]

Prasa potrafiła zareagować szyderstwem. Komentatorzy pytali, czy Bell zamierza rozwieszać między miastami "linię słonecznych promieni" na słupach i izolować je od pogody. Żart, powtarzany później w opracowaniach historii fotofonu, trafia w realną barierę: kabel można ułożyć i zostawić. Promień trzeba stale prowadzić.

To nie znaczy, że pomysł umarł. W XX wieku optyczne łącza głosowe wracały głównie w zastosowaniach wojskowych i morskich. Zaletą była trudniejsza przechwytywalność niż przy radiu. Laboratoria w kilku krajach poprawiały źródła, modulatory i detektory, zwiększając zasięg do kilometrów, nadal jednak w warunkach specjalnych, nie domowych.

Co zostało z zasady

Łatwo powiedzieć, że fotofon "przewidział światłowody". To uproszczenie. Bell nie antycypował lasera ani światłowodu w dzisiejszej postaci. Spekulował jednak, że będzie można rozmawiać światłem na dowolną widoczną odległość bez przewodu przewodzącego.^[3]

Współczesna telekomunikacja światłowodowa korzysta z tej samej podstawowej idei: informacja jedzie na modulowanym świetle. Różnica jest ogromna. Światło idzie w szklanym włóknie, a nie przez otwarte powietrze nad Waszyngtonem. Źródłem jest laser albo dioda, nie słońce. Detektor to fotodioda, nie ręcznie wyżarzany selen. Stabilność, zasięg i pojemność łącza nie mają wspólnego rzędu wielkości z próbą z 1880 roku.

Dlatego uczciwsze jest inne sformułowanie. Fotofon nie był niedokończonym światłowodem. Był wczesnym dowodem, że głos da się przenieść przez wahania promieniowania świetlnego. Dopiero późniejsza technika znalazła sposób, żeby tę zasadę osadzić w kanale odpornym na pogodę.

Bell przeczuwał też zastosowania naukowe: analizę widmową źródeł sztucznych, gwiazd i plam słonecznych.^[3] Tu znowu widać, że myślał o fotofonie szerzej niż o zamienniku aparatu na biurku.

Co zwykle się myli

"Bell wynalazł to sam"

Tainter był współwynalazcą i prowadził ważne próby terenowe. Tablica na Franklin School długo pomijała jego wkład.^[1][2]

"To pierwsza bezprzewodowość w ogóle"

Fotofon jest wczesnym systemem bezprzewodowego telefonu głosowego na świetle. Nie kasuje wcześniejszych sygnałów optycznych w sensie telegrafii świetlnej ani późniejszego radia. Ważne jest precyzyjne zdanie: mowa na zmodulowanej wiązce światła, z odbiornikiem selenowym, poza samym laboratorium.

"Skoro Bell cenił go wyżej niż telefon, musiał być lepszy w codziennym użyciu"

Bell oceniał rangę zasady. Rynek ocenia niezawodność. Telefon na drucie wygrywał pogodę, noc i miejską infrastrukturę.

"Słońce było jedynym źródłem"

W eksperymentach używano też sztucznych źródeł, gdy słońca brakowało. Nature z 1880 roku zaznacza, że bez słońca trzeba sięgnąć po dostatecznie mocne źródło sztuczne.^[7]

Po co wracać do fotofonu

Fotofon jest dobrym obiektem właśnie dlatego, że nie stał się domowym sprzętem. Pokazuje wynalazek oceniony przez twórcę bardzo wysoko, a przez warunki zewnętrzne mocno ograniczony. Pokazuje też, jak późniejsza technika może podjąć tę samą zasadę w innym opakowaniu.

Na tablicy w Waszyngtonie data może budzić spór. Same słowa są jasne: wiadomość poszła wiązką światła. Reszta historii to lustro, które ugina się pod głosem, selen, który zmienia opór, oraz długi czas oczekiwania, aż światło przestanie zależeć od chmury nad szkołą.

Źródła i dalsza lektura

1. Tablica pamiątkowa Telephone Pioneers of America na Franklin School. Tekst upamiętniający transmisję fotofonu; data na tablicy: 3 czerwca 1880.
2. Guinness World Records, First optical telephone. Datowanie pierwszej udanej transmisji laboratoryjnej na 19 lutego 1880 oraz próby na około 213 m na 21 czerwca 1880.
3. Alexander Graham Bell, "On the Production of Sound by Light", "Popular Science Monthly", październik 1880. Publiczna wersja wykładu z 27 sierpnia 1880; opis modulatora, selenu i nazwy "photophone".
4. U.S. Patent 235,199, Alexander Graham Bell, "Apparatus for Signaling and Communicating, called Photophone", data patentu 7 grudnia 1880. Opis metody i aparatury.
5. List Alexandra Grahama Bella do Alexandra Melville'a Bella z 26 lutego 1880 (cytowany w biografiach i zbiorach korespondencji Bella). Fragment o mowie przenoszonej światłem słonecznym.
6. Smithsonian National Museum of American History, The Volta Laboratory and the Smithsonian. Zapieczętowane puszki z dokumentacją fotofonu złożone w 1880 roku, otwarte w 1937.
7. "Bell's Photophone", "Nature" 23, 1880. Współczesny Bellowi opis ogniwa selenowego i zasięgu około 213 metrów.
8. Willoughby Smith i późniejsze prace o photoconductivity selenu (lata 70. XIX w.), w tym doniesienia Roberta Sabine'a w "Nature"; kontekst fizyczny odbiornika.

Informacja o ilustracjach

Schemat z "Meyers Konversationslexikon" (1888) oraz rycina nadajnika z "El mundo físico" Amédée Guillemina (ok. 1882) pochodzą z Wikimedia Commons i są w domenie publicznej. Pliki lokalne zostały tylko pobrane do publikacji sieciowej.