Тайны электромагнитых излучений электрической искры волновали известнейших физиков всех стран, они посвятили им многие годы упорной исследовательской работы.
Начало изучению электрической искры положил профессор анатомии в Болонье Луиджи Гальвани (Lug Galvan, 1737–1798) и его молодая жена Лючия Галеаци 26 апреля 1786 года, когда препарировали лягушку, одновременно извлекая искры из электрической машины. Сочинением Гальвани «О влиянии электрических сил на движение мускулов животных» заинтересовался Алессандро Вольта. После восьми лет упорного изучения электрических явлений Вольта в 1799 году изобрел гальванический элемент и батарею, так называемый вольтов столб. В 1802 году физик Раньози открыл, что гальванический ток отклоняет свободно подвешенную намагниченную иголку. Этим было положено начало новой науке – электромагнетизму. Это явление особенно тщательно изучал французский физик Андре Мари Ампер. 18 сентября 1820 года он сообщил во Французской академии наук свое знаменитое «правило пловца». В 1823 году англичанин Вильям Стерджон изобрел электромагнит. Это открытие было применено на практике русским ученым Якоби. Он в 1834 году изобрел первый применимый электродвигатель, установив его на своем «электрическом судне».
Однако лишь телеграф приблизил электричество к жизни. Первый «электрикомагнитический телеграф» изобрел русский ученый Павел Львович Шиллинг в 1830 году. Этому изобретению предшествовал в 1812 году применение Шиллингом электрического тока для взрыва на расстоянии подводных мин.
В 1835 году телеграфные аппараты Шиллинга были установлены в кабинете Николая I в Зимнем дворце и на квартирах царских приближенных.
Аппарат Шиллинга послужил прототипом для создания целой серии так называемых стрелочных телеграфов, но все они были несовершенны. Надежный телеграфный аппарат и простой код изобретает американский художник Самуэль Морзе в 1840 году. Именно телеграфный аппарат Морзе применил А. С. Попов в своем радиоприемнике.
В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, это открытие легло в основу современной электротехники. Через тридцать лет, в 1863 году, Джеймс Клерк Максвелл продолжил работу Фарадея и предположил, что свет – это электромагнитные волны особой длины. В 1888 году Генрих Герц впервые на опыте доказал правильность электромагнитной теории Маквелла и подтвердил, что световые и электромагнитные волны подчиняются одним и тем же законам. Герц сконструировал вибратор – излучатель электромагнитных волн и резонатор – приемник этих волн, он описал это в своей первой работе, носящей название «О весьма быстрых электрических колебаниях».
Резонатор Герца ученые назвали «электрическим глазом», а открытые электромагнитные волны – «лучами Герца». Луч по-латыни – радиус, излучение электромагнитных волн иначе называется радиацией. Отсюда и произошло название «радио».
Попов не сомневался в правоте Максвелла. Он был взволнован открытием Герца совсем по другой причине. Это открытие давало в его руки то оружие, с помощью которого он сможет еще успешнее вести исследования в своей любимой области «быстрых электрических колебаний».
«В это время, – пишет профессор В. К. Лебединский, – в Петербургском университете были два физика, близко интересовавшиеся этими новыми вопросами: И. И. Боргман и Н. Т. Егоров. Проф. Егоров с большим увлечением и настойчивостью обратился к воспроизведению опытов Герца; при этом он копировал установку до мелочей. Каковы были достижения, можно себе представить из следующего факта: когда он демонстрировал (1889 г.) их на заседании Физического общества, то никто из присутствовавших, несмотря на полную темноту в помещении, не видел того, что ожидалось (искорки в резонаторе Герца); тогда председательствующий подошел к прибору и, всмотревшись, констатировал, что действительно явление происходит.
Во второй раз Егоров демонстрировал опыты Герца в актовом зале университета, на съезде естествоиспытателей. Зал был переполнен: «лучи Герца» стали уже тем первым поражающим открытием физической науки, за которой на пороге XX века последовали два других (лучи Рентгена и радио); новое в науке захватывало уже широкие слои масс. «Опять требовалась совершенная темнота, и мне уже не пришлось увидеть результатов эксперимента, так как, исполняя обязанности «студента-распорядителя», я был поставлен с наружной стороны двери, чтобы не допустить ни на одну секунду света при их открывании напирающей толпой».
Велико было удивление ученых, когда скромный молодой физик Александр Степанович Попов – ему тогда было всего 30 лет – этой же весной и в том же зале, где демонстрировал свои опыты профессор Егоров, стал производить эксперименты с электромагнитными волнами при полном дневном освещении.
Попов свои лекции и доклады богато иллюстрировал опытами, и его, конечно, не могла удовлетворить заметная только в лупу искорка резонатора. Он искал более действенный способ обнаружения «лучей Герца». Русский изобретатель произвел десятки опытов. Он испробовал всевозможные формы вибраторов и резонаторов. Наконец, он сконструировал приборы, вполне пригодные для лекционного демонстрирования опытов с электромагнитными волнами. Эти приборы состояли из вогнутых параболических зеркал-рефлекторов. Рефлекторы в этих приборах имели высоту около 40 сантиметров, тогда как в приборах Герца их высота достигала 2 метров. Вместо одной искры, получаемой в вибраторе Герца, прибор Попова давал сразу три искры.
Теперь уже не требовалось больше затемнять аудиторию и пользоваться лупой для наблюдения искорки в резонаторе. Искра получалась настолько яркой, что она была видна при дневном свете.
Прежде всего присутствовавших поразили приборы Попова. Громоздкие копии аппаратов Герца, которыми оперировал Егоров, были доставлены на ломовой подводе. Свои приборы Попов принес в небольшом чемодане. Гениальный ученый не только значительно уменьшил размеры приборов Герца, но и усовершенствовал сами приборы.
Ученый знакомил морских офицеров и со своими работами в области быстрых электрических колебаний. Первую такую лекцию он прочитал в Кронштадте в 1889 году. К этому времени им были сконструированы приборы для опытов с «лучами Герца». Лекция называлась: «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями». Помещая между рефлекторами тонкий металлический лист, заменяя этот лист доской, картоном или толстой книгой, через которые свободно проходили волны, он показывал, что плохие проводники пропускают волны. Затем при помощи того же металлического листа и решетки, состоящей из параллельно натянутых проволок, Попов показывал, что проводники не поглощают волны, а только отражают их и дают им новое направление.»
Этой лекцией, сопровождаемой перечисленными и другими опытами, Попов впервые ознакомил флот с достижениями науки и техники в области электромагнитных волн.
На этой лекции Попов показал целую серию блестящих опытов, подтверждавших, что невидимые электромагнитные волны подчиняются всем законам видимого света.
В заключение он посетовал на несовершенство своего резонатора, который улавливает электромагнитные волны лишь на незначительном расстоянии. По свидетельству участника этого собрания профессора Н. Н. Георгиевского, свою лекцию Попов закончил следующими словами: «Человеческий организм не имеет такого органа чувств, который замечал бы электромагнитные волны в эфире. Если бы изобрести такой прибор, который заменил бы нам электромагнитное чувство, то его можно было бы применять и в передаче сигналов на расстояние…»
Несмотря на существенный прогресс в области кораблестроения и в улучшении тактических свойств новых кораблей, связь их между собой и берегом оставалась на сравнительно низком уровне – эпохи парусного флота. Первые электрические прожекторы были установлены на кораблях российского флота в 1870 году, а в 1877 году на Черном море будущим адмиралом С. О. Макаровым уже проводились опыты по осуществлению дальней связи с помощью лучей прожекторов, направляемых в небо. Связь осуществлялась между Одессой и Очаковым на расстоянии 50 миль. В 1881 году на Парижской электротехнической выставке в числе экспонатов, представленных Минным офицерским классом, был «сигнальный фонарь со свечой Яблочкова». Разработки Минного офицерского класса, представленные на выставке, получили почетный диплом. В 1884 году лейтенант Е. П. Тверитинов, преподаватель Минного офицерского класса, разработал и осуществил систему дальней сигнализации с помощью гирлянды из 40 электрических ламп накаливания, поднимаемой воздушным шаром на высоту до 120 метров. Видимость такого сигнального устройства достигала 35 км. В 1893–1894 годах Морским министерством была организована и действовала специальная комиссия, задачей которой была разработка новых методов сигнализации на флоте.
Живя в Кронштадте, в самом сердце русского военного флота, Попов все более убеждался в необходимости для флота «курьера-невидимки» или в более совершенных способах дальней связи. Сигнализация же на военно-морских флотах как средство общения и управления использовалась испокон веков. Все флоты Древнего мира, Средневековья и более поздних периодов всегда имели весьма хорошо для своего времени разработанные методы сигнализации, то есть методы информации, которые основаны на передаче и приеме условных сигналов. В период изобретения радиосвязи Поповым на Российском военно-морском флоте действовала отработанная еще со времени Петра Первого флажная сигнализация. Такая сигнализация для военных флотов имела свои преимущества: во-первых, она давала возможность легко менять ключи сигналов, то есть их условные значения. Это делало такую сигнализацию более-менее секретной. Во-вторых, она была достаточно быстрой. Это и было причиной ее распространения на флотах мира.
Лекции А. С. Попова «Об электродвигателях постоянного тока». 1897 г.
Российский флот нуждался в радиосигнализации. Попов стал серьезно задумываться над использованием электромагнитных волн для беспроволочного телеграфирования.