Как человек научился превращать электрический ток в информацию?

Ваша интуиция в целом правильная. Идея с тем, чтобы соединить электричество и передачу информации, пришла людям в голову задолго до того, как изобрели транзистор, и даже до электрических лампочек. В принципе, я могу просто отослать посмотреть весёлый рассказ Дилана Бити о проблеме кодирования текста, но он на английском и с некоторыми техническими подробностями, которые могут быть сложны для понимания. Поэтому я перескажу историю заново и с немного другого угла.

Но начнём с определения. Фундаментальные понятия вроде информации традиционно самые трудные для определения. Поэтому отложив в сторону Шеннона, я назову информацией некоторое сведение или сообщение, которое отправитель хочет передать получателю.

С самой зари человечества было придуманно бесчисленное количество способов передачи информации. Из наиболее частых, что приходят на ум это голос (и его эрзац — письменность), картинки (и их современные изводы — фотография и кинематограф) и разнообразные системы условных сигналов, когда обстоятельства таковы, что уже не докричишься и картинку не разглядишь (например, сигнальный костёр или барабан).

Вот за развитием последних давайте наблюдать, ведь именно из них и рождаются современные компьютерные системы передачи информации.

Историю условных сигналов можно начинать с доисторических времён и из любой точки планеты. Потому что люди во все времена и на всех континентах хотели передавать сообщения друг другу и успешно с этой задачей справлялись. Но я буду европоцентричен и начну с телеграфа, то есть удалённого письма, если переводить с греческого. Первая система названная телеграфом принадлежит французу Клоду Шаппу. Она была введена в строй в 1792-м и выглядит совсем не так, как мы привыкли думать о телеграфе:

Этот класс систем называется оптическим телеграфом (или, по имени изобретателя, телеграфом Шаппа), и по своей сути представляет усовершенствованную версию сигнального костра на башне. Вместо костра — система балок, взаимное положение которых можно регулировать с помощью вращения ручек внутри башни. Для удобства считывания сигнала положение балок задавалось с шагом в 45º, а также исключались те позиции, где все балки вытягиваются в одну линию. Так получился первый код, который можно по праву назвать телеграфным:

Дальше дело за малым — договориться о том, что «42» это «а», «33» это «б» и так далее (я такой таблицы соответствия не нашёл), — и вот у нас возможность передать произвольный текст на расстоянии.

Кстати, из-за дяди-астронома Шапп с юных лет имел дело с телескопами и хорошо в них разбирался. Он предложил оснащать ими телеграфные башни, и благодаря этому расстояние между ними удалось увеличить до 12-25 км, что заметно снизило операционные расходы. В результате система Шаппа охватила всю Францию за следующие 50 лет:

Собственно, до современного телеграфа здесь уже рукой подать.  Остаётся только перейти от воздуха к среде, которая способна передать электрический ток. При жизни Шаппа это сделать было невозможно, потому что навыки работы с электричеством ограничивались лейденскими банками и экспериментами Гальвани над лягушками. То есть идея передавать текст с помощью электричества была, её можно найти в журналах уже середины XVIII века. Но до практического употребления не хватало двух важных изобретений. Во-первых, Алессандро Вольта в 1800-м патентует «вольтов столб» — первый источник постоянного тока, прообраз современной батарейки. А во-вторых, в период 1820-30-х много разных учёных (Эрстед, Ампер, Вольта, Фарадей и др.) открывают и подробно исследуют явление получившее название электромагнитной индукции. Оно состоит в том, что электрический ток, создаёт магнитное поле, способное отклонять железные предметы и намагниченную стрелку компаса (и наоборот, изменяющееся магнитное поле будет порождать электрический ток в замкнутой электрической цепи).

И прямо в 1820-м начинается поиск вариантов как электрическую индукцию использовать для практической задачи передачи текста. Тут можно упомянуть усилия Павла Львовича Шиллинга, русского дворянина и изобретателя немецкого происхождения. Его решение — подвесить над электромагнитом металлическую иглу соединённую с двуцветным диском, так что когда по электромагниту течёт ток, он создаст магнитное поле и игла отклонится:

Каждая игла может быть в одном из трёх положений:

Для передачи одной буквы и цифры Шиллинг использовал 6 игл, то есть, говоря современным языком, использовал 6-значное троичное кодирование:

К сожалению, Шиллинга подвело здоровье, он не успел закончить своё изобретение. Император Николай I заморозил проект сразу после смерти изобретателя в 1837-м году.

Свою 5-битную систему удалось довести до коммерческого использования англичанам Куку и Уитстону в 1838-м. По принципу работы устройство было похоже: 5 игл могли находится в двух активных и одном нейтральном положении. Уильям Фотергил Кук («коммерческий директор, ООО Кук и Уитстоун») настоял на том, чтобы Чарльз Уитстоун («технический директор») сделал устройство максимально доступным в использовании. Думаю вы согласитесь, что у них в итоге это получилось, если взглянуть на переднюю панель их аппарата:

Две иглы аппарата поворачивались так, что на продолжении линий, формируемых ими и была передаваемая буква. Но удобство стоило очень дорого. Вместо возможных 3 ^ 5 = 243 комбинаций осталось лишь 20, которых не хватило даже на полный английский алфавит (C, J, Q, U, X и Z оказались за бортом). Но главная проблема этого телеграфа была в том, что требовалось целых пять проводов между телеграфными станциями. А если один из них обрывался, то вся система приходила в негодность. Учитывая то, что медный кабель был для тех времён настоящим хай-теком, то систему пришлось дорабатывать и усложнять в использовании, увеличивая надёжность. Кук и Уитстоун выпустили двух- и одно-игольную системы, требовавшие два и всего один сигнальный провод. Но в этих версиях операторам приходилось смотреть на лицевую панель прибора внимательнее, потому что символы уже передавались последовательными подёргиваниями двух или одной иголку влево или вправо. Вот кодовая таблица для всех трёх версий сразу:

Вторая и третья итерации их телеграфа интересны тем, что в ней впервые появляются кодовые комбинации, которые не соответствуют букве алфавита, но обозначают контрольные сообщения между операторами, вроде «Подожди», «Повтори» и «Конец передачи». Это прообраз современных управляющих последовательностей (escape sequences) в компьютерных терминалах.

Но давайте сделаем ещё одну последнюю остановку перед компьютерными системами. Как же не поговорить про систему Морзе (1844), the телеграф для нас, так сказать. Самуэль Морзе  разработал её совместно с Альфредом Вейлем и Джозефом Генри. Их аппарат выдаёт кодовую последовательность не на панели, а пишет её на ленту, что сильно снижает требование к моментальной внимательности принимающей стороны. Каждая буква кодируется последовательностью двух символов, точки и тире. Точка формируется, если передающий оператор кратковременно зажимает передающий ключ, тире — если держит рычаг дольше. Оба оператора должны помнить кодовую таблицу Морзе («морзянку»), чтобы быстро переводить коды в буквы, потому что скорость подачи ленты в аппаратах фиксирована. Ах, да, используется всего один сигнальный кабель — меньше некуда. Это конечно до разработки беспроволочного телеграфа Гильермо Маркони.

Ещё одна интересная инновация, которую придумали для системы Морзе: кодировать более часто встречающиеся буквы более короткими последовательностями точек и тире. Это увеличивает скорость передачи при прочих равны (Альфред Хаффман генерализировал эту идею век спустя).

Как видите, все элементы системы были готовы задолго до транзистора. Достаточно иметь кнопку, провод, воспроизводящую ленту и международный договор, какая последовательность нажатий на неё значит «А», а какая — «Б». Транзисторы в этой истории появились даже не на следующем этапе. В цифровых системах (тех, что оперируют на фиксированных уровнях и положениях, вместо произвольных) успели смениться две эпохи — релейная и электронно-вакуумная. В течение них вычислительная мощь и скорость работы передающих и принимающих систем выросла настолько, что операторы уже набирали символы на клавиатуре, вроде печатной машинки и они сразу превращались в необходимую кодовую последовательность без необходимости её запоминать. Система получила название teletypewriter или телетайп, буквально печатная машинка с удалённым вводом. Вот, например, Teletype Model 33, используемых на закате транзисторной эпохи:

Телетайпы естественным образом стали консолями, то есть устройствами для ввода вывода команд компьютеров (тех, что занимали целый этаж в здании) в транзисторную эпоху. И только в эпоху интегральных микросхем, ленту принтера заменили на экран с электронно-лучевой трубкой. В этом периоде мы с вами и живём.

Единый стандарт общения компьютерных систем (ASCII, читается «áски») был сформулирован впервые в США и является прямым наследником международной морзянки. ASCII был завершён в 1963-м году, был длиной в 7 двоичных бит (128 возможных комбинаций) и (вот наглость!) имел в виду только английский алфавит:

Но в нём хотя бы были большие и маленькие буквы, большинство знаков пунктуации. Для кодирования других алфавитов было использовались сотни вариантов расширения таблицы ASCII до восьми бит, чтобы в верхних 128 позициях расположить все буквы не совпадающие с теми, что видно выше. Для русского языка и кириллиц вообще таких кодовых страниц не менее десятка. С регулярными трудностями переноса документов между компьютерами. Это я вам как пользователь компьютеров Apple говорю. Даже в 2022-м попадаются люди, которые хранят русскоязычные текстовые файлы в Windows-1251, которая требует конвертации на macOS.

Только в 21-м веке жизнь немного устаканилась, и большинство компьютеров и телефонов сейчас работают с кодировкой UTF-8 по умолчанию. Она настолько хорошо растягивается, что вмещает в себя буквы всех возможных алфавитов, все китайские иероглифы и даже место для новых эмоджи остаётся 😉 А мой любимый кодовый символ из UTF-8 идёт под номером 42606 (0xA66E) — ꙮ, мультиокуллярная О. Это символ использовался лишь однажды за всю историю письменности, в XV веке:

Шутка средневекового переписчика, которая неожиданно затянулась на многие века.