Мы теперь возвращаемся к концу 19 столетия, во времена сразу же после публикации (1873 г.) знаменитой работы Treatise on Electricity and Magnetism Максвелла.

Несмотря на прогресс, сделанный Максвеллом и его первыми последователями в теории электромагнитных колебаний, связь между классической электродинамикой и теорией света не была найдена, кроме интуитивной идеи Максвелла, что электромагнитные волны и световые волны имеют одну природу. Ирландский физик Джордж Френсис Фитцджеральд (1851 — 1901) заложил первый камень в 1882 г., указав, что если унификация, указанная Максвеллом, правильна, то должна быть возможность генерировать излучаемую энергию чисто электрическими способами. Он утверждал: «Представляется высоко вероятным, что энергия переменных токов частично излучается в пространство и, тем самым, теряется для нас», обращая внимание только на отрицательную сторону явления, и описывал методы, с помощью которых можно было бы получить излучаемую энергию. Однако он замечал, что трудность лежит в обнаружении таких волн, когда они будут получены, поскольку подходящих детекторов еще не существовало.

 

Экспериментальное открытие электромагнитных волн

Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и выявляемые как осциллирующий ток в этой цепи. С 1847 г. Герман фон Гельмгольц доказал, что в некоторых случаях разряд конденсатора должен носить колебательный характер. Вильям Томсон в 1853 г. дал математическую формулу, устанавливающую, при каких параметрах компонентов цепи в ней получаются колебания.

Работая с колебательными цепями такого вида, Генрих Герц, молодой и тогда неизвестный немец, добился успеха в генерировании и обнаружении электромагнитных волн.

Генрих Герц (1857—1894) родился в Гамбурге. Он был сыном прокурора, ставшего позднее сенатором. Будучи блестящим студентом, он в равной степени преуспевал и в гуманитарных дисциплинах, и в науках. Также он показал большие способности в проектировании и создании научной аппаратуры. Предполагалось, что молодой Герц последует традициям семьи в области права, но с десяти лет он стал интересоваться естественными науками и после обучения в ряде школ решил изучать инженерное дело в Дрезденском политехникуме в 1876 г. Когда ему исполнилось 20, он был призван в армию. После службы он решил закончить свое инженерное обучение в Мюнхене, но вскоре оставил инженерное поприще ради физики. В 1878 г. он поступил в Берлинский университет для работы под руководством Гельмгольца и Кирхгофа и в 1880 г. получил докторскую степень.

Герман фон Гельмгольц переехал в Берлин в 1870 г. из Гейдельберга, сменив кафедру физиологии на кафедру физики. В течение многих лет Гельмгольц интересовался физическими свойствами организмов и биологическими процессами, в частности процессами ощущений. Эти изучения убедили его в том, что полное описание процессов, касающихся нервной системы, требует понимания обмена энергией в живых телах, и важную роль играет термодинамика и электричество. Здесь уже были важные достижения, включающие закон сохранения энергии. Когда он приехал в Берлин, то начал серию исследований в области электричества, и Герц, который появился в 1878 г., принял участия в этом деле. Ему посчастливилось обратить на себя внимание Гельмгольца, который, после получения Герцем ученой степени, назначил его своим ассистентом. В 1883 г. Герц стал по рекомендации Кирхгофа приват-доцентом Киле, а в 1885 г. стал профессором физики в Карлсруе. Для этого университета требовался кто-нибудь, кто мог бы преподавать электрические технологии. В то время последние успехи в передаче энергии, электрический свет и другие применения электричества сделали электричество принципиальной технологией. Работы Герца, уже сделанные в этой области, а также поддержка Гельмгольцем помогли ему получить это место. Герц скончался очень молодым от хронического заражения крови в тот же год, в который скончался его покровитель Гельмгольц.

Как часто случается, Герц пришел к открытию электромагнитных волн, первоначально не стремясь их обнаружить.

В 1879 г. Берлинская Академия наук установила награду за исследование проблемы экспериментально установить соотношение между изменяющимися электрическими полями и откликами материалов на эти поля (поляризуемость). В это время Герц занимался электромагнитными исследованиями в Берлинском Физико-техническом институте и его наставник Гельмгольц привлек его внимание к этой проблеме. Первоначально Герц подошел к изучению электрических колебаний, используя для их получения лейденскую банку (вид электрического конденсатора), но вскоре пришел к заключению, что только эффекты, «лежащие за пределами наблюдений», могут быть интересны. Поэтому он подошел к проблеме с другой стороны, вернувшись к ней девятью годами спустя, в 1888 г., и успешно решив ее, как часть его классических экспериментальных работ по электромагнитным волнам. В 1886—1887 гг. он при выполнении некоторых экспериментов обнаружил что если кусок медной проволоки согнуть в виде прямоугольника так, чтобы между концами проволоки был маленький воздушный промежуток, и поместить этот прямоугольник рядом с искровым разрядом индукционной катушки (мы будем называть ее первичной цепью), то в промежутке открытой цепи прямоугольника проскакивает искра. Он правильно интерпретировал это явление, показав, что согнутая проволока (мы будем называть ее вторичной цепью) имеет такие размеры, которые делают свободный период колебаний в ней, почти равный периоду колебаний в первичной цепи.

Открытие, что в воздушном промежутке вторичной цепи могут возникать искры (при подходящих размерах для резонанса), давало метод наблюдения электрических эффектов в воздухе на расстоянии от первоначального возбудителя: детектор, требуемый Фитцджеральдом для наблюдения распространения электрических волн, теперь был в руках.

Неизвестный Герцу Давид Эдвард Хьюз (1830—1900) несколькими годами ранее опередил его. Он показал, что электрические искры можно обнаружить на расстоянии до около 500 м микрофоном (позднее он был назван «когером»), включенным в телефонную трубку. Он правильно утверждал, что эти сигналы были от электрических волн в воздухе. В 1879—1980 гг. он продемонстрировал эти эксперименты президенту Королевского Общества сэру Джорджу Стоксу и В. Прису — Главному электрику Почтовой службы. К сожалению, они пришли к другому объяснению этого явления, и Хьюз, разочаровавшись, не опубликовал своих результатов, которые стали известными много позже.

После короткого перерыва, в течение которого Герц был занят изучением влияния облучения ультрафиолетовыми лучами на электрический разряд, проведя, тем самым, первые наблюдения фотоэлектрического эффекта, он в 1888 г. улучшил схему получения искр. Регистрируя эффект с помощью вторичной цепи, удалось продемонстрировать, что испускаются электромагнитные волны. Оливер Лодж (1851-1940) также в начале 1888 г. открыл электромагнитные волны. Он продемонстрировал их распространение и отражение вдоль проволок и выполнил точные измерения их длин волн. Однако, вместо того, чтобы немедленно опубликовать свои результаты, он отправился на отдых в Альпы, полагая, что его эксперименты произведут впечатление на очередном конгрессе Британской Ассоциации развития науки, который должен был быть в сентябре. На этом конгрессе, Фитцджеральд, который ничего не знал о работе Лоджа, громогласно объявил, что неизвестный немец Генрих Герц сумел генерировать и детектировать электромагнитные волны в воздухе.

Рис. 24. На верхней части показан вибратор (осциллятор) Герца, а на нижней — резонатор. А — катушка Румкфорда, В — два шарика, между которыми проскакивает искра; С и С’ — два больших проводника, которые заряжаются от катушки. Цепь abcd — резонатор Герца, а M — два шарика, между которыми можно видеть искорку

Для получения своих искр Герц использовал различные экспериментальные конфигурации. Одна из них показана на рис. 24. Две металлические сферы диаметром около 30 см были каждая на конце прямой медной проволоки. Центры сфер были на расстоянии 1 м. В середине проволока разрывалась с двумя шариками на концах разрыва. Расстояние между этими шариками (несколько см в диаметре) можно было регулировать до типичного значения порядка 1 мм. Размеры были выбраны так, чтобы возникающие волны можно было обнаружить вторичной цепью соответствующего размера. Для возбуждения цепи была использована катушка Румкорфа, с помощью которой две сферы заряжались противоположным знаком. При достижении нужного напряжения происходил искровой пробой, и искра проскакивала между шариками. При этом система разряжалась через ряд колебаний с частотой, определяемой размерами сфер и их взаимным расположением. Эти колебания затухали, когда энергия, связанная с первоначальным зарядом, испускалась в пространство в виде электромагнитных волн. К концу года Герц продемонстрировал сходство электромагнитных волн со светом, показав, что они могут отражаться» распространяться прямолинейно после прохождения отверстия в экране, испытывают дифракцию, и другие свойства, подобные свету,

В первых экспериментах длина волны составляла несколько метров, но, в тот же год, Герц смог сгенерировать волны порядка 10 см. Парадоксально, но Герц не оценил возможное практическое применение своего открытия. Когда один немецкий техник высказал ему предположение, что открытые им волны можно использовать для беспроволочного телеграфа, Герц отверг эту идею, утверждая, что токи в его резонаторе совершают колебания в миллионы раз в секунду и не могут быть воспроизводимы в телефонном устройстве, которое работает с токами с частотой в несколько тысяч раз в секунду.

Рис. 25. Резонатор Риги был сделан из стеклянной посеребренной пластинки (как обычное зеркало). Слой серебра на стекле имеет тонкую щель 7, в результате которой получаются две металлические, проводящие части а и b изолированные друг от друга. Когда на такой резонатор по падают электромагнитные волны, в щели Т проскакивает искорка, которую можно увидеть в темноте

Эксперименты Герца были продолжены итальянцем Аугусто Риги (1850-1921), профессором физики в университете Болоньи. Он сумел генерировать волны длиной в несколько см и регистрировать их с помощью резонатора, который он сделал из прямоугольной полости станиолевой фольги, закрепленной на стеклянной пластине. В середине фольги делался очень тонкий разрез, в котором могла появляться искра (рис. 25).

Риги родился в Болонье и после окончания технической школы поступил в 1867 г. на математический факультет Университета Болоньи. Получил степень в 1872 г. в области инженерной специальности. В рамках своей диссертации по гражданской инженерии (единственной в то время) он построил электростатическую машину для измерения очень малых электрических зарядов. Ее можно рассматривать как уменьшенный аналог знаменитого ускорителя частиц, построенного в 1930-х гг. Робертом ван дер Графом (1900—1967). Еще в школе Риги проявил большие способности в физике. Используя школьную лабораторию, он сумел улучшить телефон, разработанный в то время А. Г. Беллом (1847—1922), создал и запатентовал первый микрофон с проводящим порошком, а также громкоговоритель, который он представил на Всемирной выставке в Париже в 1878 г. Он начал свою университетскую карьеру в Палермо (1880—1885), а затем в Падуе. В 1889 г. он вернулся в Болонью, где был профессором физики вплоть до своей кончины. Здесь он проводил свои исследования по оптическим свойствам электромагнитных волн. В Болонье он организовал Институт современной физики. Риги первым наблюдал гистерезисный цикл в магнитных материалах. Он изучал электрические разряды в газах, магнитные эффекты света и был одним из первых, кто исследовал фотоэлектрический эффект, построив фотоэлектрическое устройство.

С помощью построенного им осциллятора, который он назвал «трех искровой осциллятор», Риги выполнил серию знаменитых экспериментов, собранных в его книге Ottica delle Oscillazioni Elettriche («Оптика электрических колебаний», 1897 г.). В них он продемонстрировал точность электромагнитной теории.

 

Маркони и радио

Итальянец Джулиельмо Маркони (1874—1937) сумел превзойти многих великих ученых своего времени в создании системы беспроволочного телеграфа. «Дело Маркони» можно рассматривать как хороший пример определенного типа изобретений. Фактически, все технические устройства — генераторы и резонаторы, использованные Маркони, — не были оригинальными, но он систематизировал и улучшал их. Он сумел использовать все преимущества экстраординарной и сулящей прибыли ситуации, когда почти все элементы, необходимые для создания системы беспроволочного телеграфа, уже существовали. Он осознал потенциальные возможности техники, которые никто не рассматривал, и с огромным упорством устремился к своей цели. Факт того, что все существенные элементы для создания беспроволочного телеграфа уже были известны, а также и то, что многие исследователи провели успешные эксперименты с электромагнитными волнами, после первых успехов Маркони, вызвал среди ведущих держав соперничество за право на законное обладание этим «изобретением». В действительности «изобретение» заключается не в открытии нового эффекта или изобретении какого-нибудь нового устройства, а в умелом использовании того, что уже существует, собирая вместе все нужное правильным способом, и в достижении с непоколебимой решительностью технологии, которая многим людям казалась недостижимой. В то время люди, безусловно, верили, что электромагнитные волны, несмотря на различия в длинах волн, ведут себя как свет и распространяются прямолинейно. Поэтому передатчик и приемник должны располагаться в пределах прямой видимости, что невозможно на расстояниях, превышающих несколько километров. Маркони не считался с этими соображениями, в частности, из-за того, что он был в основном самоучкой, не имел теоретических основ и над ним не довлел научный авторитет признанных научных талантов. Он шел своим путем в духе пионера, искателя приключений.

Джулиельмо Маркони был вторым сыном преуспевающего землевладельца и богатой ирландки. Хотя их дом был в 15 км от Болоньи, мать с сыновьями проводили долгий зимний период в Ливорно и во Флоренции. С раннего обучения молодой Маркони стал проявлять большой интерес к экспериментальным наукам, в особенности в сфере электричества. В 1892 г. он построил устройство для обнаружения атмосферного электричества, которое установил на крыше дома в Ливорно. Он также старался сделать аккумулятор для питания системы освещения загородного дома. Из его записей в записной книжке, очевидно, что для молодого человека большее значение имела финансовая сторона, а не слава изобретателя. Он четко понимал коммерческую значимость изобретений. Его мать организовала дружеский визит к Аугусто Риги и, конечно, это было очень полезно для него, даже, если Риги не принимал серьезно молодого ученого-любителя, полагая, что если он действительно хочет посвятить себя науке, то должен сперва закончить свои исследования. Разумеется, он дал ему советы и предложения и позволил помогать в некоторых экспериментах, пользоваться библиотекой со всей научной литературой по интересующему вопросу.

В 1894—1995 гг., в своем доме вблизи Болоньи, Маркони начал серию экспериментов, направленных на использование электромагнитных волн для связи на расстоянии в системе беспроволочного телеграфа. Он использовал в качестве передатчика осциллятор Риги, в качестве приемника когерер с металлическими опилками.

Когерер представляет собой устройство, сделанное из отпаянной стеклянной трубочки диаметром несколько миллиметров, в концах которой располагаются два серебряных цилиндра, разделенных коротким промежутком. Каждый из цилиндров соединен с платиновой проволочкой, проходящей через расплавленное стекло наружу. Между цилиндрами засыпаются металлические опилки (никель или серебро). Эти опилки (зерна) обладают значительным электрическим сопротивлением, но когда они подвержены действию электромагнитной волны, то сцепляются (отсюда и название: cohere — быть сцепляемым, склеенным), т.е. выстраиваются в направлении электрического тока, и их сопротивление резко уменьшается. Это явление уже было открыто в 1884 г. Т.К. Онести (1853—1922) и было использовано Маркони, который усовершенствовал устройство лучшим подбором материалов и, добавив молоточек, который после каждого импульса электромагнитной волны автоматически восстанавливал первоначальное сопротивление (встряхивал опилки), что делало устройство готовым для регистрации следующего импульса. Также французский физик Э. Брэнли (1844—1940) в 1890 г. наблюдал, что металлические опилки в стеклянной трубке изменяются от непроводящего состояния к проводящему, когда на некотором расстоянии происходит электрическая искра. Вероятно, это свойство так никого и не заинтересовало, если бы эта трубка, содержащая опилки, позднее названная английским физиком Оливером Лоджем когерером, не стала существенным элементом первых радиотелеграфных приемников, благодаря его использованию Маркони. Это вызвало волну претензий на авторство среди К. Онести, Брэнли, Лоджа и Попова, российского физика, который использовал его с той же самой целью.

После более или менее удачных экспериментов, известных к тому времени, и позволяющих сигналам передаваться на расстоянии в несколько метров, в августе 1895 г. Маркони выяснил, что для наблюдения заметных эффектов на расстоянии нужно соединить конец осциллятора, а также схему приемника с одной стороны закопанным проводником (земля), а с другой стороны изолированным проводником (антенна), который следует поднять как можно выше над землей. Это блестящее изобретение системы антенна—земля позволило уверенно принимать телеграфные сигналы на расстояниях до 2400 м. Удивительно, что сигналы регистрировались на другой стороне холма, расположенного между системами передачи и приема. В одном из этих экспериментов брат Маркони подтвердил прием на другой стороне холма выстрелом из ружья, что вошло в легенду об изобретении Маркони.

Этот успех убедил молодого человека, что идея заслуживает патента. Итак, с помощью своей матери, которая всегда поддерживала его, и, преодолев скептицизм отца, Маркони отправился в Англию. Там с помощью двоюродного брата со стороны своей матери, Дж. Дэвиса, который держал консалтинговую фирму в Лондоне и был хорошо известен среди лондонских инженеров, он сумел привлечь интерес к своему изобретению со стороны технического генерального директора Британского почтового ведомства, В. Пирса, который к тому времени стал бароном. В результате Маркони 2 июня 1896 г. получил первый патент на систему нового беспроволочного телеграфа. В то время Великобритания занимала ведущее положение в области проводной телеграфии. Это касалось и доминирующей роли британских компаний, осуществлявших прокладку и эксплуатацию трансконтинентальных линий. Так что выбор Маркони был, несомненно, удачен во всех отношениях. Между июнем 1896 г. и мартом 1897 г. Маркони выполнил ряд экспериментов от имени Почтового ведомства, что было разрекламировано тем же самым Пирсом. В 1897 г. Маркони организовал Wireless Telegraphic and Signal Co Ltd, в которой его кузен Дэвис стал первым административным директором. 2 июля 1897 г. был получен полный патент, который в наиболее подробной форме описывал его изобретение. Его получению способствовали два юриста, один из которых хорошо разбирался в области электрических технологий, а другой изучал физику и математику в Кембридже.

Маркони осуществил первую беспроволочную связь (радио) между Англией и Францией в марте 1899 г., что вызвало интерес во всем мире к его экспериментам, а 12 декабря 1901 г. установил связь между США и Великобританией на расстоянии 3200 км, осуществив, тем самым, первую трансатлантическую радиосвязь. Этот результат вызвал удивление и изумление. Дело в том, что для реализации связи на английском побережье была сооружена огромная антенна из проводов высотой 61 м и диаметром 61 м, а на американском побережье также была построена антенная система, что потребовало годы напряженной работы. Так вот, обе эти антенны были уничтожены во время шторма, и Маркони начал использовать для передачи антенну значительно меньших размеров, а антенна приемника поднималась на воздушном змее.

Сразу же после этой сенсационной радиосвязи О. Хэвисайд (1850—1925) в Англии, А.Е. Кеннеди (1861-1939) в США и Х. Нагаока (1865-1950) в Японии, независимо друг от друга выдвинули в 1902 г. гипотезу, что высоко в атмосфере существуют области, отражающие радиоволны. Только эта гипотеза могла объяснить, почему прямолинейно распространяющиеся электромагнитные волны способны обогнуть Землю. Ее достоверность была экспериментально подтверждена Е. В. Эплтоном (1892—1965), который в 1925 г. нашел, что на высоте между 100 и 200 км слои обладают электрической проводимостью из-за того, что молекулы газа ионизируются различными агентами. Радиоволны, отражаясь от этих слоев, осуществляют связь вне пределов прямой видимости. Эплтон был награжден в 1947 г. Нобелевской премией по физике «за его исследования верхней атмосферы и, особенно, за открытие т.н. слоя Эплтона».

Хотя в своих экспериментах в 1896 г. Маркони использовал микроволны (т.е. волны длиной порядка нескольких сантиметров), впоследствии он использовал более длинные волны и с ними сделал первые главные географические связи. Так он вначале полагал, что электромагнитные волны могут достигать приемной антенны только благодаря дифракции, распространяясь вокруг поверхности земли и очень близко к ней. Поэтому он считал нужным стремиться к более длинным волнам. Он был убежден, что для увеличения расстояния связи требуются длинные волны и, чтобы получить их, требуется более мощные машины. Только в 1916 г. он возобновил эксперименты с короткими волнами, которые в 1920-х гг. были отданы радиолюбителям, поскольку считалось, что они не имеют коммерческой ценности.

Маркони также проделал много экспериментов в Италии. Он предоставил правительству Италии безвозмездно пользоваться его патентами и получил разрешение установить его аппаратуру на крейсере Carlo Alberto, на котором король Витгорио Эммануил путешествовал с июля по сентябрь 1902 г., из Неаполя в Кронштадт, чтобы нанести визит царю Николаю II. Во время плавания Маркони обнаружил, что дистанция связи увеличивается ночью и уменьшается днем: еще одно явление, связанное с наличием слоя ионизированной атмосферы вокруг Земли. Позднее, осенью, он на борту того же крейсера выполнил новые эксперименты во время плавания из Англии в Канаду. Когда в 1916 г., во время Первой мировой войны Итальянский флот обратился к Маркони с просьбой изучить возможности нового устройства для радиосвязи во флоте, причем ставились условия защиты от перехвата сообщений противником даже на ограниченных расстояниях, Маркони вернулся к коротким волнам, принимая во внимание определенную роль, играемую ионизованными слоями. Между тем были изобретены электронные лампы, что привело к замене искровой техники.

Джон Амброуз Флеминг (1849—1945), который работал с Максвеллом, был научным консультантом «Маркони Компании», научным консультантом «Эдисон Электрик Лайт Компании», а также был профессором Лондонского университетского колледжа, в 1890 г. изобрел термоионную лампу. Она являлась устройством выпрямления переменного тока, основанного на эффекте, открытом Томасом Эдисоном (1847—1931). Диод Флеминга представлял обычную электрическую лампу накаливания, в которой вблизи от нити, но не касаясь ее, помещалась маленькая пластинка, проволочка от которой выводилась через баллон к цоколю. При соединении этой пластинки с положительным полюсом батареи, а нити с отрицательным полюсом, между двумя электродами мог протекать ток. Если же полярность переворачивалась, то никакого тока не было. В первом случае электроны, испускаемые горячей нитью, притягиваются положительно заряженной пластинкой в то время, как во втором случае отрицательно заряженная пластинка отталкивает электроны. В 1904 г. Флеминг понял, что это устройство может найти применение, запатентовал его в Великобритании, а затем и в США. Американский изобретатель Ли де Форест (1873—1961), который получил ученую степень в Йельском университете в 1899 г., причем его диссертация была первой в Америке по радиокоммуникациям, поместил в диоде Флеминга тонкую сетку между нитью и пластинкой. Тем самым был создан триод, который он запатентовал в 1907 г. под названием «аудион». Сетка, соединенная нужным образом, позволяет усиливать ток и амплитуду сигнала, подаваемого на нее, чрезвычайным образом. Это изобретение стало ключевым в развитии беспроволочных систем связи. Аудион был прототипом термоионной лампы, разработанной в 1912 г. Ирвингом Ленгмюром (1881 —1957).

Для проведения экспериментов с целью проверки эффективности коротких волн Маркони с 1923 г. использовал яхту, которую купил в 1919 г. и превратил ее в плавучую лабораторию. В 1924 г. «Маркони Компании» подписала контракт с Британским правительством на постройку серии радиостанций, которые устанавливали связь со всеми колониями Британской Империи (с Австралией, Индией, Южной Африкой и Канадой). Компания решила использовать короткие волны. Первый «мост» этой сети был торжественно открыт в 1926 г.

Решение Маркони использовать для этих радиостанций коротких волн радикально изменило технологию. В 1928 г. Маркони был назначен президентом Итальянского Национального исследовательского совета (CNR). В 1932 г. он установил коротковолновую радиотелефонную связь между Ватиканом и летней резиденцией папы Кастель Гандольфо вблизи Рима. За свою активную деятельность Маркони в 1909 г. был награжден Нобелевской премией по физике вместе с немецким физиком К. Ф. Брауном (1850-1918), который кроме изобретения кристаллического диода и осциллоскопа, улучшил беспроволочные системы связи с помощью создания соответствующих схем. Маркони был президентом Итальянской академии, личным другом Муссолини и получил титул маркиза. Когда он умер, были устроены государственные похороны, и все радиостанции на Британских Островах объявили две минуты молчания.

 

Попов

В России использование радиоволн для связи было связано, независимо от Маркони, с профессором А. С. Поповым (1859—1906), который разработал один из первых приемников электромагнитных волн. Аугусто Риги писал: «Новые характеристики аппаратуры Попова для регистрации волн заключаются в использовании молоточка и звонка, управляемого электрическим током, для восстановления первоначального сопротивления когерера, а также использование вертикального проводника, позднее названого антенной».

Александр Попов родился (1859) в рабочем поселке на Урале в семье священника, и предполагалось, что он пойдет по стопам отца согласно семейной традиции. Вместо этого он поступил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета, где блестяще защитил диссертацию по электрическим машинам. В 1883 г. он был приглашен в Кронштадт для преподавания в Минных классах Российского Флота. Эти классы организованы в 1874 г. и были наиболее прогрессивным российским институтом в области электротехники. Попов провел там 18 лет, удовлетворяя свои интересы в физической лаборатории и выполняя исследования в рамках курса обучения. Он стал признанным авторитетом в области электричества, и Российский флот много раз обращался к нему для решения практических проблем.

После его успехов он в 1901 г. был назначен профессором Электротехнического института в Санкт-Петербурге, а в 1905 г. был выбран его ректором. В начале XX в. ухудшились отношения России с Японией, и в 1904 г. разразилась Русско-японская война. 1905 г. был годом бурных политических событий. Забастовки, стачки и собрания проходили по всей стране. В декабре Правительство постановило среди других распоряжений запретить публичные собрания в помещениях института. Попов отказался исполнять этот приказ, направленный властями против студентов. В результате сильных волнений он тяжело заболел и скоропостижно скончался от инсульта в январе 1906 г.

После публикаций Герца в 1888—1889 гг. Попов заинтересовался волнами Герца и, зная о когерере, в начале 1895 г выполнил серию исследований, надежность результатов которых обеспечивалась использованием маленького молоточка, который срабатывал, когда ток протекал через устройство, и маленьким ударом восстанавливал первоначальные условия (рис. 26).

Рис. 26. Система Попова для детектирования электрических колебаний. Рисунок показывает расположение частей и электрические соединения между ними. (Из работы А.С. Попова «Аппаратура для обнаружения и регистрации электрических колебаний», Журнал Русского физико-химического общества, 1, 1-14(1896).)

Первая демонстрация этого приемника состоялась перед Физическим обществом Санкт-Петербурга 7 мая 1895 г. В то время Попов был преподавателем Минных классов, и его результаты не могли быть опубликованы по соображениям секретности.

Проводя свои эксперименты на открытом воздухе, Попов обнаружил, так же как Лодж и другие, что когерер реагирует на атмосферные электрические явления, и его чувствительность можно увеличить, если один из его концов соединить с вертикальной проволокой, связанной с воздушным шаром, или с громоотводом, а другой соединить с землей. Попов использовал это, чтобы построить специальный прибор («грозоотметчик») и установил его в Лесном институте Санкт-Петербурга, Он также публично продемонстрировал в 1896 г., эксперименты по связи, и установил свой грозоотметчик на знаменитой Нижегородской ярмарке. Там был в 1885 г. построен павильон достижений в области электричества и демонстрировалась электростанция с производимостью до 400 кВт. Грозоотметчик предупреждал о приближении грозы и позволял принять меры для защиты. Во время этой ярмарки Попов прочел об экспериментах Маркони и при поддержке Российского Флота возобновил свои эксперименты по связи. Однако его обязали опираться на зарубежных производителей, так как Россия не имела нужной промышленности. Парижский инженер и бизнесмен Евгений Дюкре (1844—1915), который первым во Франции построил устройства беспроволочного телеграфа, очень заинтересовался Поповым и в 1898 г. стал строить радиотелеграфные станции на основе его систем. Сотрудничество Дюкре—Попов поддерживалось политическим сближением России с Францией, начавшимся в конце XIX в. В период 1899—1904 гг. Компания Дюкре получила несколько заказов от Российского Флота. Однако эта компания была слишком мала и слаба, и Русский Флот во время русско-японской войны использовал системы связи, сделанные в Германии фирмой «Телефункен».

 

Микроволны

Как уже говорилось, потребовалось время, чтобы использовать короткие волны, хотя именно они и получались в первых экспериментах. Для того, чтобы получать микроволны, необходимо было уменьшать размеры ламп, которые тогда использовались в схемах генерации, а также размеры самих схем. Вскоре обозначилась проблема, вызванная временем, требуемым электронам для пролета от сетки к аноду лампы.

Напоминаем, что в вакуумной лампе, такой, какая использовалась в то время, электроны испускаются нитью, нагреваемой током, помещенной в эвакуированную стеклянную колбу, и окруженную металлической сеткой. Эти электроны собираются электродом, называемым анодом, производя тем самым ток. Величину этого тока можно контролировать путем электрического потенциала на сетке. Очевидно, что, двигаясь от нити к аноду и проходя через сетку (все эти элементы обозначаются как электроды лампы), электронам требуется время, и если в течение этого времени электрический потенциал на сетке заметно изменится, то это исказит сигнал, снимаемый с анода.

Чтобы уменьшить это время пролета, старались делать лампы меньшего размера, более компактными, уменьшая расстояния между нитью, сеткой и анодом до минимума. Эта проблема очень хорошо была описана в работе Ирвинга Ленгмюра и Карла Комптона (1931 г., США). В ней они указали, как можно продвинуться в область высоких частот, просто уменьшая размеры и расстояния между электродами.

Уже в 1933 г. в США фирма RCA выпустила лампу акрон, a Western Electric — знаменитую «кнопку звонка». Эти миниатюрные лампы позволяли генерировать частоты до 1500 МГц (длина волны около 20 см). Однако мощность была очень мала.

 

Магнетрон

На сцене появилось новое устройство, магнетрон, которое стало в середине 1920-х гг. преимущественным генератором. Было показано, что с помощью магнетрона можно получать очень высокие частоты.

В магнетроне используется комбинация электрического и магнитного полей. В первой реализации прямая нить накала (катод) окружалась цилиндрическим анодом. Внешнее магнитное поле было направлено так, чтобы заставить электроны, летящие к аноду, двигаться по спирали между двумя электродами.

Это устройство было изобретено Альбертом В. Халлом (1880—1966), который родился на ферме в штате Коннектикут и после получения степени в Йельском университете в 1913 г. стал работать в исследовательской лаборатории Дженерал Электрик (GE). В 1914 г. он изобрел «динатрон», первый в длинном ряду радиоламп впервые созданных им. Он также проводил исследования по проблемам кристаллографии и использовал рентгеновские лучи.

В течение 1916 г. Халл начал эксперименты по контролю потока электронов в лампах с помощью магнитного поля как альтернативный способ вместо сетки, который использовался в то время. Контроль с помощью сетки в то время был объектом спора между Дженерал Электрик и Американской Телефонной и Телеграфной Компании, касающимся оплаты автору изобретения Ли де Форесту.

В 1920-х гг. Халл и его сотрудники в Дженерал Электрик продемонстрировали, что устройство, первоначально имевшее несколько названий, но, в конце концов, стало называться магнетроном, может быть использовано на низких частотах в качестве усилителя или генератора в радиосистемах, а также в качестве электронного ключа в преобразователях мощности. Летом 1921 г. права на изготовление ламп, по-видимому, сделали магнетрон не очень важным для радиотехники. В Дженерал Электрик продолжались работы с магнетроном, но для высоких мощностей. В 1925 г. Халл изготовил магнетрон высокой мощности для получения волн с длиной 15 км и мощностью 15 кВт.

Важное открытие, что магнетрон может генерировать колебания с очень высокой частотой, было независимо сделано в Германии и в Японии в середине 1920-х гг., но оно оставалось неизвестным в Америке вплоть до 1928 г. Чешский физик Август Цачек опубликовал в 1924 г. на чешском языке результаты экспериментов, в которых он сумел генерировать волны длиной 29 см. Однако эти результаты получили распространение только, когда его работа была описана в немецком специализированном журнале в 1928 г. В 1924 г. аналогичные результаты были получены Эриком Хабаном в университете г. Йена.

В Японии электрофизик Хидетсугу Яги (1886— 1976) и его студент Кинийро Окабе (1896—1984) внесли важный вклад в разработку магнетрона высоких частот. Яги родился в Осаке и получил степень по техническим наукам в Токийском университете в 1909 г. Перед Первой мировой войной он учился в Англии вместе с Джоном Флемингом, изобретатель лампового диода для детектирования радиоволн. Яги заинтересовался возможностью связи на коротких волнах, когда провел некоторое время в Дрездене (Германия) с Генрихом Георгом Баркгаузеном (1881 — 1856), изобретатель особой ламповой схемы для генерации высоких частот. С началом войны Яги возвратился в Японию для преподавания в Тохоку Имперском университете, где он в 1919 г. получил докторскую степень. В начале 1920-х гг. он узнал о магнетроне Халла от японского морского офицера, который возвратился после посещения США.

Окабе, который стал первоклассным специалистом по магнетронам, окончил университет Тохоку в 1922 г., а в 1928 г. защитил под руководством Яги диссертацию. В 1927 г. Окабе сообщил, что ему удалось получить генерацию с длиной волны около 60 см, используя магнетрон. Он исследовал множество электродов разной геометрии, и обнаружил, что если разрезать цилиндрический анод на два полуцилиндра (конфигурация известная как «разрезной анод»), то можно получить большую мощность. В 1928 г. Яги посетил США, чтобы обсудить эксперименты Окабе, который к тому времени уже генерировал волны в 12 см. Яги также описал разработанную им направленную антенну сверхвысоких частот, которая состояла из активного элемента и нескольких отражающих и пассивных элементов. Эта антенна нашла широчайшее применение в телевизионной технике.

После того как в 1931 г. англо-французская группа установила связь через Ла-Манш, используя волны 18 см, во всем мире возник огромный интерес к коммуникациям на микроволнах (релейные радиолинии). Один журнал опубликовал редакционную статью, в которой утверждалось, что эта система открыла нетронутую землю, что обеспечивает диапазон частот для тысяч радиоканалов. Редактор писал, что эксперимент через Ла-Манш означает «новую эпоху в области электрических коммуникаций», он настолько революционен, что требует нового имени. Он отмечал также, что аппаратура настолько компактна, что подобные системы можно устанавливать на кораблях и самолетах.

Также хорошо известный специалистам американский периодический журнал Electronics объявил, что потрясающая линия между Дувром и Кале показала, что ультракороткие волны, рассматриваемые как мало полезные, вдруг приобрели огромную важность.

Магнетрон начал свое триумфальное шествие: число научных публикаций об этом устройстве стремительно росло до 1933 г. и оставалось на высоком уровне вплоть до 1940 г., когда в связи с разразившейся войной публикации прекратились по соображениям секретности. Важные исследования, приведшие к существенным улучшениям, были сделаны в 1930-х гг. во Франции, Англии и Германии.

 

Клистрон

В 1930-х гг. магнетрон был единственным хорошим генератором, пригодным для работы на очень высоких частотах. Ч.Э. Клитон (г. р. 1907) и Н.Г. Вильяме (1870—1956) из Мичиганского университета, выполнили первые спектроскопические измерения на микроволновых частотах. Они использовали магнетрон для исследования спектра поглощения аммиака. В исследованиях с целью определить практический предел длин волн, которые можно генерировать с помощью магнетрона, было показано в 1936 г., что можно получить колебания с длиной волны 6,4 мм. Однако эффективность магнетрона была не очень высокой. Поэтому новое устройство, названное «клистрон», было разработано в Стэнфорде, в Калифорнии Расселом Варианом (1898-1959), Сигердом Варианом (1901 —1961) и др.

Клистрон работает на совершенно другом принципе по сравнению с системами, использовавшимися до него для генерации высоких частот. В нем электроны сбиваются в сгустки, которые снабжают энергией объемный резонатор.

Объемный резонатор состоит из полости проводящего материала, в которой образуются стоячие электромагнитные волны. Чтобы эта полость стала резонатором, нужно, чтобы ее размеры соответствовали длине волны. Для полостей простой формы, например куб, это соотношение гласит (как мы уже видели), что сторона полости должна быть кратной целому числу полуволн. Уменьшение длины волны сказывалось на микроволновой технике. Было установлено, что для передачи микроволн с одного места в цепи до другого нужно направлять их в подходящие металлические структуры. Волноводы, как их стали называть, представляют металлические трубы круглого или прямоугольного сечения, и волна распространяется в них за счет отражений от стенок. Эти волноводы могут быть и антеннами, если они имеют открытый конец.

 

Радар

Микроволновые устройства и технологии получили мощный импульс развития между 1930 и 1945 гг. из-за необходимости получения ультракоротких волн, нужных для разработок и создания радаров (аббревиатура, введенная американцами: radio detection and ranging).

Принцип работы радара очень прост: импульс радиоволн посылается на цель, частично отражается обратно к приемнику, где и регистрируется. Посылаемый и отраженный импульсы визуализируются на осциллоскопе, и, измеряя временной интервал между моментами, когда импульс был послан и когда пришел обратно, можно определить расстояние до цели.

Еще Герц и другие наблюдали, что радиоволны могут отражаться металлическими предметами. В 1904 г. немецкий инженер Хулсмейер получил патент на использование этого свойства для обнаружения препятствий при плавании кораблей. Он построил устройство, с которым получил хорошие результаты в Роттердамском порту. Но никто не заинтересовался разработкой этой системы, которая была слишком передовой для того времени.

Результаты первых экспериментов по ионосферному радиозондированию атмосферы, которые провел Эплтон (1925 г.) с целью доказать существование ионизованных слоев в атмосфере, способных отражать микроволны, оживил идею использовать методы, основанные на отражении радиоволн, для локализации объектов, расположенных на больших расстояниях. Принцип использования импульсов излучения, что является характерной особенностью современного радара, впервые был реализован в 1925 г. Д. Брейтом (1899—1981) и М.А. Тьювом (1901-1982) из Вашингтонского Института Карнеги для измерения высоты ионосферы. Итак, ряд экспериментов по применению принципа локализации земных объектов и определения расстояний до них начался в Европе и США. При проведении исследований, связанных с использованием микроволн для связи, было найдено, что можно обнаружить присутствие судов и самолетов путем регистрации энергии, которую они отражают.

В США, в Исследовательской лаборатории Военно-морского флота (NRL), уже с 1920-х гг. была известна возможность обнаружения движущихся объектов путем отражения электромагнитных волн. В. Делмар Гершбергер и его сотрудники использовали для этой цели магнетроны, изготовленные фирмами «Вестингауз» и RCA, для проведения экспериментов на сантиметровых волнах. Были получены успешные результаты. Однако в то время было мало квалифицированных специалистов, чтобы довести устройства до практического использования.

 

Разработки радаров в Великобритании

В Великобритании, в 1934 г., желание защитить страну от воздушного нападения привело Г. Э. Вимперса, директора исследований при Министерстве авиации к обращению за советом к А. В. Хиллу (1886—1977), видному физиологу из Кембриджа, который получил в 1922 г. Нобелевскую премию по физиологии, и который был офицером артиллерии в Первой мировой войне. Конкретно, задавался вопрос о возможности уничтожения вражеских самолетов. Результатом обсуждений было обращение Вимперса 12 ноября 1934 г. к Государственному секретарю по военно-воздушным силам с просьбой организовать комитет для рассмотрения того, насколько последние успехи в науке и технике могут быть использованы для усиления противовоздушной обороны» Вимперс предложил, чтобы председателем этого комитета был профессор Г. Т. Тизард (1885—1959), декан химического факультета Империал Колледжа. А членами предлагалось назначить Хилла и профессора П. М. С, Блэккета (1897—1974), который характеризовался «как морской офицер в войне (1914-18), который с тех пор проявил себя своей работой в Кембридже, как один из лучших молодых научных лидеров». Эта характеристика была вполне оправдана, так как в 1948 г. Блэккет получил Нобелевскую премию по физике «за развитие метода камеры Вильсона и открытие с ее помощью в области ядерной физики и космических лучей». Комитет был немедленно создан и 28 января 1935 г. состоялось первое заседание. Вимперс обратился с запросом к Суперинтенданту радиоисследовательского отдела Национальной Физической лаборатории Роберту Ватсон-Ватту (1892—1973), нельзя ли выводить из строя вражеские самолеты или их экипажи с помощью интенсивных пучков радиоволн. Ватсон-Ватт немедленно ответил, что произвести такие «лучи смерти» нереально, но вместо этого возможно обнаруживать вражеские самолеты. Он представил расчеты, показывающие, что энергию, отражаемую самолетом, облучаемого мощным пучком радиоволн, можно использовать для этой цели. Немедленно была проведена работа по демонстрации, которая дала прекрасные результаты 26 февраля 1935 г. Она была настолько успешной, что было начато сооружение системы радиолокационных станций. Было продемонстрировано обнаружение корабля на расстояние около 30 км и возможность обнаружения самолета на расстояние 160 км. Роберт Ватсон-Ватт написал фундаментальное уравнение радара, которое показывает, что максимальное расстояние, на котором можно обнаружить самолет, пропорционально линейным размерам антенны и только лишь корню четвертой степени из мощности. Это означает, что для увеличения дальнодействия радара в 2 раза нужно увеличивать мощность в 16 раз.

Расстояние также увеличивается при уменьшении длины волны, но это не представляло интереса для Ватсона-Ватта. В то время не было генераторов высокой мощности, работающих на длине волны меньшей чем 10 м. Поэтому была выбрана длина волны 50 м, руководствуясь тем соображением, что радиоволны будут хорошо отражаться от бомбардировщика, когда размах его крыльев будет приблизительно равен половине длины волны. Но вскоре было установлено, что радиолокационные станции создают взаимные интерференционные помехи, и длина волны была уменьшена до 26 м, а затем и до 13 м.

К сентябрю 1938 г. побережье в районе устья Темзы было покрыто сетью радаров, и радары были также установлены на главных британских линкорах. Благодаря этому Великобритания смогла противостоять врагу и получить преимущества в битве с немецкими военно-воздушными силами во Второй мировой войне (август 1940 г.), а установка радаров на кораблях позволила британскому флоту добиться впечатляющих успехов (сражение у мыса Матапан, март 1941 г.).

В марте 1935 г. корабли британского флота могли обнаруживать самолеты лишь с помощью биноклей с увеличением 7х. А вскоре после Мюнхенского кризиса (1938 г.) они могли обнаружить самолет на расстоянии до 100 км благодаря радару.

Разработки радаров для флота продолжались в течение всей войны, иногда сопровождаясь некоторыми странностями. Один эпизод может показать нам, как в то время плохо понималось использование радиоволн, а некоторые эффекты казались таинственными. В 1943 г. немцы стали атаковать английские военные корабли летающими бомбами, управляемыми по радио. Это вызывало страх среди команды. Однажды флотские специалисты, случайно, во время одной из таких атак в Бискайском заливе включили электрические бритвы и к своему, а также и всей команды, изумлению, увидели, что бомба стала поворачиваться в небе, а затем направилась в сторону самолета, который запустил ее. Немедленно Адмиралтейство разослало приказ включать все имеющиеся на корабле электрические бритвы и размахивать ими против летающих снарядов. Эффективность этой меры не зарегистрирована в официальных бумагах, но она, определенно, повышала моральный дух команды.

После разработки цепи радаров, защищающих Темзу, Ватсон-Ватт и его сотрудники обратили свое внимание на радар для установки его на самолете. Радары второго поколения с длиной волны 1,5 м имели размеры, позволяющие установить их на самолетах, предназначенных для обнаружения подводных лодок, всплывающих ночью. Каждый согласится, что длина волны 10 см еще лучше, и поэтому старались освоить этот диапазон длин волн. Одна из причин улучшения — резкое уменьшение размеров аппаратуры и повышение эффективности определения целей. 12 августа 1940 г. впервые был испытан радар для самолета, работающий на длине волны 10 см.

 

Резонаторный магнетрон

В первые месяцы войны был сформирован Британский комитет по координации разработок радиоламп. Он заключил ряд научно-исследовательских и промышленных контрактов на разработку радиоламп для передатчиков и приемников с длиной волны 10 см. Один из контрактов был заключен с группой профессора М. Олифанта (1901—2000) из Бирмингемского университета, который в 1937 г. перешел из Кавендишской лаборатории для организации в Бирмингеме лаборатории ядерной физики. Эта группа первоначально интересовалась разработкой генератора на основе клистрона, с которым Олифант ознакомился во время своей поездке в США в 1938 г. В результате, к концу 1939 г., его группа создала клистрон, который генерировал около 400 Вт непрерывной мощности на длине волны 10 см, а несколькими месяцами позже был создан и импульсный вариант, пригодный для радара.

Однако это устройство оказалось слишком громоздким для установки на самолет, и хотя клистроны меньшего размера использовались в самолетных радарах, продолжались поиски альтернативного варианта. В группе также работали и другие специалисты, включая Дж. Рэндала (1905—1984). Он получил докторскую степень в Манчестерском университете, выполняя исследования по рассеянию рентгеновских лучей, и провел год в лаборатории Британской Компании Дженерал Электрик, где приобрел опыт в области устройств высокого вакуума. Г. Бут (1917—1983) получил высшее образование в области физики в 1938 г. и в 1941 г. стал доктором в Бирмингеме. Олифант попросил их исследовать схемы, которые требовались для мощного генератора. Поэтому в 1940 г. они начали исследование с целью улучшить магнетрон, на основе идеи использовать цилиндрический резонатор, выполняющий двойную функцию: определять частоту и служить анодом магнетрона. Они испробовали новое устройство, которое было названо «резонаторным магнетроном», 21 февраля 1940 г. и получили около 400 Вт на 9,8 см.

Немедленно это устройство было внедрено Компанией Дженерал Электрик в улучшенной модификации с увеличенной до 10 кВт мощностью. И в мае уже работал радар, использующий этот новый магнетрон. Он способен был обнаружить перископ подводной лодки на расстоянии 10 км.

Осенью 1940 г. британская научная и техническая миссия, возглавляемая сэром Генри Тизардом, привезла этот резонаторный магнетрон в США.

После триумфа по обороне Темзы ожидалось, что Тизард будет назначен Главным Научным Военным Консультантом. Так и было некоторое время, но когда Уинстон Черчилль стал премьер-министром, он выбрал на эту должность другого специалиста. Тизард стал менее влиятельным, но был назначен главой деликатной миссии в США. Эта миссия должна была убедить США, в то время нейтральных, разрабатывать и производить технику, нужную для войны. Англичане сначала не решались разглашать перед американцами устройство магнетрона, опасаясь, что это попадет в руки немецкой разведки, но последующее полностью оправдало усилия миссии Тизарда. Впервые резонаторный магнетрон был 6 октября 1940 г. продемонстрирован американцам в Bell Telephone Laboratories, Раскрытие этого устройства привело к созданию Лаборатории излучений в Массачусетском технологическом институте, знаменитом MIT в Бостоне. Была сколочена элитная группа ученых и инженеров, набранных из университетов и промышленности. В результате, в годы войны было создано множество магнетронов и более 100 радарных систем, которые обеспечили союзникам техническое преимущество. Более двух миллиардов долларов было вложено в эти разработки в течение войны, и это дало импульс развития микроволновой технологии и в послевоенный период.

По предложению Тизарда многие из приглашенных специалистов были ядерными физиками, потому что, как сказали британские визитеры на основе своего опыта, они более легко адаптируются в новые исследования, чем радиоинженеры. Ли Ду Бридж (1904—1996) из Рочестерского университета был назначен главой новой лаборатории. Среди других в ней были И. Раби, Кен Бэйнбридж (1904—1996), Норман Рамси, Эд Парсел, Эрни Полард и Луис Альварец, многие из которых еще сыграют роль в нашей истории.

 

Радар в других странах

Во время войны радар также разрабатывался в Германии для противовоздушной обороны и в Италии для целей навигации. Немцы уже начали исследования по магнетронам и микроволновым системам в 1930-х гг. Фирма Телефункен в Берлине экспериментировала с системой овладения «таинственными лучами» для обнаружения самолетов, которая была в 1935 г. описана в статье американского журнала Electronics. Эта фирма разработала Wirzburg, систему противовоздушного радара, используемого Люфтваффе в течение всей войны.

Однако оказалось, что предложение оборудовать истребители радаром встречает сопротивление Геринга, который утверждал, что немецкие пилоты настолько умелые, что им не нужны «кинематографические инструменты».

Первый работающий радар был построен в 1935 г. и был продемонстрирован Гитлеру, Герингу и сопровождающим их лицам. Соперничество между немецкими министерствами, недостаточное привлечение университетов и стремление к секретности были причиной неполного использования радара в Германии.

В Италии в 1924 г, профессор Н. Каррара (1900—1993) был назначен заведующим кафедрой физики в Военно-морской академии. Здесь проводились исследования по генерации и приему сантиметровых волн. Вначале 1930-х гг. разные авторы писали о возможности использовать микроволны, чтобы получать эхо от неподвижных или движущихся объектов, и в 1933 г. Маркони выполнил успешный эксперимент, используя моторный экипаж, движущийся рядом с микроволновым пучком. Новость была подхвачена СМИ, которые заговорили о «лучах смерти», с помощью которых Маркони выключал двигатели автомобилей и самолетов.

В 1935 г. профессор Тиберио (1904—1980), офицер флота, представил комиссии Министерства лекцию, в которой продемонстрировал возможность использовать микроволн для ночного обнаружения (так тогда писали), и на следующий год Флот начал секретные исследования. Тиберио проводил эти исследования с целью разработки радиодальномера. С 1936 по 1941 г. несколько прототипов было реализовано, а в 1942 г. были созданы 50 систем для Флота и для обнаружения самолетов. Одной из этих систем было обнаружено соединение американских самолетов, которые в мае 1943 г. провели сильную бомбардировку Ливорно. На стадии изготовления аппаратуры возникли значительные трудности, поскольку нельзя было получать нужные материалы из США, а Германия требовала невыполнимых условий. Были попытки организовать нужное производство в Италии, но они оказались неудачными. Хорошо известным результатом было сражение у мыса Матапан, в котором итальянские корабли были лишены радаров.

В Японии, несмотря на интенсивные исследования в области магнетронов и микроволн, разработка радаров тормозилась из-за разногласий между Армией и Флотом и отсутствием централизованных усилий, подобных тем, что были в США.

В Советском Союзе были активные исследования в области магнетронов, но, по-видимому, решающий шаг в сторону использования импульсов, а не непрерывного режима, не был сделан.

В течение войны лучшие английские и американские ученые были вовлечены в исследования по микроволнам и радарам, и в конце войны микроволновые системы легко перешли в исследовательские институты с целью продолжения фундаментальных исследований в этой области. Поэтому в конце войны эти исследования естественным образом оказались связанными с микроволнами.

Взаимодействие микроволн с веществом может привести к переходам между энергетическими уровнями молекул, лежащими близко друг от друга. Малая энергия соответствует энергии микроволновых фотонов. Также микроволны могут взаимодействовать с магнитным моментом электрона (спин) или атомных ядер. В этих случаях магнитное поле волн воздействует на магнитный момент частицы (электрона или ядра) и ориентируют его путем соответствующего изменения энергии. Эти явления взаимодействий между микроволнами и веществом составляют предмет радиоспектроскопии. Радиоспектроскопия естественным образом возникла из разработок радаров и генераторов микроволн во время Второй мировой войны. После войны эти генераторы стали использовать в спектроскопических исследованиях, которые позволяли выявить малые детали молекулярных структур и атомных ядер. Единственным измерением, выполненным до войны с помощью микроволн, было измерение частоты инвертированного перехода в молекуле аммиака, лежащей в сантиметровом диапазоне. Как мы уже говорили, это измерение было выполнено Клитоном и Вильямсом в 1934 г.

Из-за научного интереса эти работы быстро перешли из промышленных лабораторий, где проводились исследования, в университеты, где добывалась информация, относящаяся к фундаментальным проблемам физики и химии. Для этих исследований частотная чистота или когерентность излучения была очень важным свойством. Было необходимым иметь источники, которые испускают одиночную частоту, или, если это невозможно, то, по крайней мере, иметь частоты в очень ограниченном диапазоне, которые не подвержены сильным флуктуациям.

Для лучшего понимания взаимодействий микроволн с веществом нам следует обратиться к дальнейшему развитию спектроскопии.