Chương 7: Máy điện báo và rơle

Samuel Finley Breese Morse chào đời năm 1791 ở Charleston, Massachusetts, nơi đã diễn ra Trận Bunker Hill nổi tiếng và giờ là phần đông bắc của Boston. Vào năm Morse ra đời, Hiến pháp Hoa Kỳ chỉ vừa mới được phê chuẩn cách đây hai năm và George Washington đang trong nhiệm kì tổng thống đầu tiên của mình. Catherine đại đế đang trị vì nước Nga. Còn ở Pháp, vua Louis XVI và Marie Antoinette sẽ rơi đầu sau hai năm nữa. Trong năm 1791, Mozart hoàn thành bản The Magic Flute, bản opera cuối cùng của ông, để rồi mất vào cuối năm khi chỉ mới 35 tuổi, còn thiên tài Beethoven 20 tuổi lúc này đã hé lộ.

Morse được đào tạo tại Yale và nghiên cứu nghệ thuật ở London. Ông trở thành một họa sĩ chân dung thành đạt. Bức General Lafayette (1825) của ông đang được treo trong New York’s City Hall. Bức tranh cuối cùng mang tính cá nhân hơn: chân dung của Susan, con gái của ông, mang tên The Muse, được trưng bày tại bảo tàng nghệ thuật Metropolitan.

Ông cũng là một người đam mê nhiếp ảnh. Morse học cách tạo ra các tấm ảnh daguerreotype (là ảnh chụp trên một tấm kim loại bạc, không có bản âm để sao chép) từ chính Louis Daguerre và đã tạo ra một vài tấm thuộc dạng đời đầu ở Mỹ. Năm 1840, ông dạy quá trình này lại cho Mathew Brady 17-tuổi, người sẽ cùng với các đồng nghiệp của mình chịu trách nhiệm cho việc tạo ra các tấm ảnh đáng nhớ nhất cho cuộc nội chiến, Abraham Lincoln, và của chính Samuel Morse.

Nhưng những điều này chỉ đáng được viết bên lề cho sự nghiệp muôn màu của ông. Samuel Morse ngày nay được nhớ đến nhất bởi phát minh ra máy điện báo và loại mã mang tên chính mình.

Việc giao tiếp tức thì trên toàn thế giới mà chúng ta đã trở nên quen thuộc chỉ mới phát triển tương đối gần đây thôi. Vào đầu những năm 1800, bạn có thể giao tiếp tức thì và giao tiếp từ xa đấy, nhưng bạn không thể nào làm hai việc đó cùng một lúc được. Giao tiếp tức thì bị giới hạn bởi khoảng cách mà giọng nói vang tới (không có khả năng khuếch đại) hay tầm xa mà mắt có thể nhìn, có thể được trợ giúp với một chiếc kính viễn vọng. Giao tiếp từ xa bằng thư từ rất mất thời gian và cần phải có ngựa, tàu lửa hoặc thuyền bè.

Hàng thập kỷ trước phát minh của Morse, đã có nhiều cuộc thử nghiệm nhằm tăng tốc độ giao tiếp. Các giải pháp kỹ thuật đơn giản là dùng một hệ thống truyền tin bằng người đứng trên các ngọn đồi vẫy cờ theo mã hiệu gọi là semaphore. Các giải pháp phức tạp hơn dùng cấu trúc lớn hơn với các cánh tay động về cơ bản thì chúng làm giống y như mấy người cầm cờ lúc nãy.

Ý tưởng về điện báo (nghĩa đen là “viết từ xa”) chắc hẳn đã rục rịch xuất hiện vào những năm 1800, và các nhà phát minh khác đã thử trước khi Samuel Morse bắt đầu trong năm 1832. Về nguyên tắc, ý tưởng nằm sau một máy điện báo rất đơn giản: Bạn làm gì đó tại một đầu dây dẫn để rồi thứ gì đó xảy ra tại đầu kia của dây. Đây chính xác là những gì ta đã làm ở chương trước khi tạo một đèn pin từ xa. Tuy nhiên, Morse không thể sử dụng một bóng đèn làm thiết bị truyền tin vì bóng đèn mãi đến tận 1879 mới được phát minh. Thay vào đó, Morse dựa trên hiện tượng điện từ.

Nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Ørsted được ghi nhận là người đầu tiên khám phá có hệ thống về mối quan hệ giữa điện và từ trường. Một bài luận ông công bố năm 1820 cho thấy cách dòng điện làm lệch kim từ của la bàn. Sau đó, hiện tượng này thu hút sự chú ý của những bộ não lớn nhất nền khoa học thế kỷ 19, gồm cả Michael Faraday và James Clerk Maxwell, người có chuyên luận A Treatise on Electricity and Magnetism vào năm 1873 vẫn là một kinh điển của vật lý toán tới tận bây giờ. Nhưng vào lúc đó, những nhà phát minh tài trí như Samuel Morse đã dùng điện từ trường rất lâu trong các phát minh khéo léo của họ. Nếu bạn lấy một thanh sắt, vòng quanh nó hàng trăm vòng bằng dây dẫn bọc cách điện, rồi cho một dòng điện chạy qua mạch, thanh sắt sẽ trở thành nam châm. Nó sẽ hút các thanh sắt, thép khác. Tắt điện làm nó mất đi từ tính:

Trông nó giống một mạch ngắn, nhưng dây dùng để quấn quanh thanh sắt thường rất mỏng vừa đủ để cấu thành một điện trở hợp lý.

Nam châm điện là nền tảng của máy điện báo. Bật hay mở công tắc tại một đầu khiến nam châm điện làm một điều gì đó ở đầu kia.

Máy điện báo đầu tiên của Morse thực ra phức tạp hơn so với sau này. Morse cảm thấy rằng một hệ thống điện báo nên viết gì ra giấy hay như người dùng máy tính sau này sẽ nói lại kiểu, “tạo ra một bản sao cứng”. Không nhất thiết phải là chữ, tất nhiên vì như thế sẽ rất phức tạp. Nhưng thứ gì đó phải được viết ra giấy, liệu sẽ ngoằn ngoèo hay sẽ là các dấu chấm và gạch. Để ý là Morse bị mắc kẹt vào một mô hình yêu cầu giấy và đọc được như là ý tưởng của Valentin Haüy về các quyển sách cho người mù dùng các chữ cái được dập nổi.

Mặc dù Samuel Morse đã báo với phòng cấp bằng sáng chế năm 1836 là ông vừa phát minh thành công máy điện báo, nhưng mãi tới năm 1843 ông mới thuyết phục được hội đồng để gây quỹ cộng đồng cho thiết bị. Cái ngày lịch sử là 24 tháng 5 năm 1844 khi một đường dây điện báo được kéo giữa thủ đô Washington và Baltimore, Maryland đã truyền đi thành công một đoạn tin nhắn trích từ trong kinh thánh: “What hath God wrought!” - không phải là câu hỏi nhưng mang nghĩa "Nhìn xem Chúa đã làm gì!"

“Phím” dùng để gửi tin đi của máy điện báo truyền thống tựa như cái này:

Mặc dù với ngoại hình đặc biệt, đây chỉ là một công tắc được thiết kế cho tốc độ tối đa. Cách thoải mái nhất để dùng phím lâu là giữ cái cần giữa ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa rồi nhấn nó lên xuống. Nhấn nhanh tạo dấu chấm trong mã Morse, nhấn lâu hơn để tạo gạch ngang.

Tại đầu kia của dây là một bộ nhận mà về cơ bản là một nam châm điện kéo một thanh đòn kim loại. Ban đầu, nam châm điện điều khiển một cây viết. Khi cây viết nảy lên xuống, nó vẽ ra chấm và gạch lên giấy cuộn được kéo bằng lò xo được vặn sẵn. Một người biết đọc mã Morse sẽ dịch những chấm và ngang thành từ ngữ.

Tất nhiên, loài người chúng ta là một giống loài lười biếng nhưng cũng đầy mưu trí, và những người điều khiển máy điện báo sớm khám phá ra rằng họ có thể dịch mã đơn giản chỉ bằng việc lắng nghe cây viết nhảy lên xuống. Cơ chế dùng viết rốt cuộc cũng ra đi trong sự phấn khích mà người ta dành cho “bộ phát âm” điện báo truyền thống, trông giống như cái này:

Thanh bên trên được giữ nằm ngang bằng trọng lượng hoặc nam châm bên trong phần đứng bên trái, nhưng nó cũng có thể xoay. Khi phím điện báo được nhấn, nam châm điện kéo thanh trục xuống và tạo ra một tiếng “click”. Khi phím được thả, thanh sẽ nhảy về vị trí ban đầu và tạo ra một tiếng “clack”. Một “click-clack” nhanh là một chấm; “click…clack” chậm hơn là một gạch.

Phím, bộ phát âm, pin và một ít dây có thể được nối lại giống như máy điện báo bằng bóng đèn trong chương trước:

Như ta đã khám phá, không cần dùng hai dây để nối hai trạm điện báo. Một dây là đủ nếu điện áp cao và trái đất thay thế cho phần mạch điện còn lại.

Như đã làm trong chương trước, ta có thể thay thế pin nối với đất bằng chữ V. Nên hệ thống một chiều hoàn thiện được thiết lập trông giống như vầy:

Giao tiếp hai chiều chỉ cần thêm một phím và bộ phát âm nữa. Điều này ta đã làm trước đây rồi.

Phát minh ra máy điện báo là cột mốc khởi đầu cho giao tiếp hiện đại. Lần đầu tiên, con người có thể giao tiếp xa hơn tầm thấy của mắt và tầm nghe của tai và nhanh hơn một con ngựa phi nước đại. Điều làm cho phát minh này hấp dẫn đó là việc nó sử dụng mã nhị phân. Trong các dạng tiếp theo của giao tiếp điện không dây, gồm có cả điện thoại, radio, và tivi, mã nhị phân đã bị bỏ rơi, chỉ sau này mới xuất hiện ngoạn mục trở lại trong máy tính kéo theo sau nhiều mã nhị phân trong hầu như mọi loại truyền thông điện.

Máy điện báo của Morse đã đánh gục các thiết kế khác cùng loại vì nó có thể dung hòa điều kiện đường dây xấu. Nếu bạn nối một dây dẫn giữa một phím và bộ phát âm, nó thường vẫn hoạt động. Hệ thống điện báo khác thì không dễ gì dung thứ như vậy được. Nhưng như tôi đã đề cập từ trước, một vấn đề lớn với máy điện báo là điện trở dựa trên chiều dài của dây. Mặc dù một vài đường dây được dùng lên tới 300 vôn và có thể hoạt động trên 300 dặm, thế nhưng dây dẫn không thể cứ kéo dài mãi được.

Rõ ràng giải pháp ở đây là dùng hệ thống rơle. Cứ mỗi hàng trăm dặm hoặc hơn, sẽ có một người được trang bị một bộ phát âm và một bộ phím để có thể nhận tin nhắn và gửi nó đi tiếp.

Giờ hãy tưởng tượng bạn được một công ty điện báo thuê để trở thành một phần của hệ thống rơle này. Họ đưa bạn tới một nơi nào đó nằm giữa New York và California trong một cái chòi nhỏ có bàn và ghế. Một sợi dây đến qua cánh cửa sổ hướng đông được nối với bộ phát âm. Phím điện báo được nối với một viên pin và mắc dây ra ngoài cửa sổ hướng tây. Công việc của bạn là nhận các tin nhắn bắt đầu từ New York rồi gửi tiếp chúng để cuối cùng đến được California. Một cấu hình tương tự chuyển tiếp tin nhắn từ California tới New York.

Lúc đầu, bạn thích nhận một tin nhắn hoàn chỉnh trước khi gửi tiếp đi. Bạn viết ra các chữ cái tương ứng với các tiếng click phát ra từ bộ phát âm, và khi tin nhắn hoàn chỉnh, bạn bắt đầu gửi nó một lần nữa bằng bộ phím. Cuối cùng bạn trở thành chuyên gia gửi tin nhắn vì chỉ cần nghe mà không cần phải viết ra giấy nữa. Rất tiết kiệm thời gian.

Một ngày, khi đang gửi tin nhắn bạn nhìn thanh sắt trong bộ phát âm lên xuống và nhìn vào bàn tay đang nhấn phím lên xuống. Bạn lại nhìn sang bộ phát âm một lần nữa rồi lại nhìn sang phím, rồi trong một khoảnh khắc loé sáng bạn nhận ra bộ phát âm gõ lên xuống tương tự như cách nhấn phím. Thế rồi bạn liền chạy ra ngoài nhặt một mảnh gỗ nhỏ để cột nó dính vào bộ phát âm và bộ phím:

Ngon, giờ nó tự động luôn, thế là bạn có thể thoải mái nghỉ xả láng và dành cả buổi chiều đi câu cá.

Một sự tưởng tượng thú vị phải không nào, nhưng trong thực tế thì Samuel Morse đã hiểu ra ý nghĩa của nó từ sớm rồi. Thiết bị ta vừa phát minh được gọi là bộ chuyển tiếp (repeater), hay rơle (relay). Một rơle thì cũng tương tự như một bộ phát âm trong đó một dòng điện được dùng để cung cấp năng lượng cho nam châm điện để kéo thanh đòn kim loại xuống. Thanh đòn, tuy nhiên, lại được dùng như một bộ phận của công tắc nối viên pin với một dây dẫn ra ngoài. Bằng cách này, một dòng điện yếu khi đi vào sẽ được “khuếch đại” để tạo ra một dòng điện ra mạnh hơn.

Được vẽ ra bằng sơ đồ, rơle trông như thế này:

Khi một dòng điện vào bật nam châm điện, nó kéo thanh trục hay thanh động xuống như một công tắc bật để cho một dòng điện ra:

Từ In và Out mang tính mô tả cho cách đường dây điện tín đi qua một cửa sổ của chòi rồi ra bằng cửa sổ bên phía đối diện nhưng nó cũng có thể được dùng làm từ viết tắt thuận tiện cho input và output. Chúng là tín hiệu điện. Tín hiệu có nhãn In gây ra một thay đổi trong tín hiệu nhãn Out. Như nhân quả vậy.

Rơle là một thiết bị xuất sắc. Nó là một công tắc, hẳn nhiên rồi, nhưng là một công tắc không phải được bật tắt bởi bàn tay con người mà bằng dòng điện. Bạn có thể tạo ra những thứ điên rồ với thiết bị này. Bạn có thể thực sự lắp ráp gần như cả máy tính với nó.

Vâng, cái thứ rơle này là một phát minh quá sức ngọt ngào không đáng để ngồi không trong bảo tàng điện báo. Hãy thó lấy một cái và nhét vội vào áo khoác rồi băng nhanh qua mấy ông bảo vệ. Một ý tưởng đang tràn ngập tâm trí ta.