Если обычная фотография была неудобной из-за беспорядка и грязи, а химические процессы разрушали оригиналы, что же тогда оставалось? «Единственной характеристикой, общей для разных красок, карандашей и бумаги, является то, что они по-разному отражают свет на участках изображения и на фоновых участках», – говорил он потом.
Мы легко отличаем текст от бумаги, на которой он напечатан, потому что краска поглощает большую часть падающего на нее света (и поэтому она кажется черной), в то время как бумага отражает свет (и поэтому кажется белой). Безопасный для оригиналов копировальный процесс, рассуждал Карлсон, почти наверняка должен учитывать это различие так же, как использует его фотография. Но как? Были ли галогениды серебра единственными материалами, изменяющимися под действием света? Карлсон снова пошел в библиотеку и вскоре нашел книгу «Фотоэлектрические явления», опубликованную год назад.
Фотоэлектрические явления так трудны для понимания, что Альберт Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию за то, что объяснил их в 1905 году. (Между прочим, Эйнштейн, как и Карлсон, был физиком, который работал в патентном бюро.) Говоря простым языком, фотоэлектрический материал – это такой материал, который при облучении светом начинает испускать электроны. Это явление впервые замечено в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем (его имя фигурирует в стандартном научном обозначении единицы измерения частоты). Герц заметил, что искры, разлетающиеся от индукционной катушки в его лаборатории, становились меньше, когда он затемнял комнату (что он делал, надеясь лучше разглядеть искры). Объяснение Эйнштейна, которое стало частью основы квантовой механики, заключалось в том, что, когда свет, действующий как поток частиц, сталкивается с электронами на поверхности фотоэлектрического материала, он высвобождает значительное число электронов и, тем самым, стимулирует увеличение электрической активности: отсюда искры большего размера. Родственное явление – фотопроводимость, о которой Карлсон прочел в той же книге. Фотопроводник – это такой материал, у которого способность пропускать электричество увеличивается при облучении светом. Это происходит потому, что свет, действующий как поток частиц, сталкивается с электронами на поверхности материала и этим увеличивает способность материала проводить ток.
«Я думал, – говорил Карлсон, – что если слой фотопроводника привести в контакт с листом бумаги, пропитанной химическим веществом, то бумага изменит цвет при пропускании через лист электричества». Работая на кухне у себя дома, он пропитывал лист обычной бумаги раствором йодида калия и крахмала, клал обработанную бумагу на медную пластину, покрытую закисью меди (фотопроводник), укладывал отпечатанный документ поверх обработанной бумаги и пропускал яркий свет с обратной стороны документа. В другой раз он говорил, что надеялся, что «лист бумаги потемнеет из-за фотоэлектрических токов, которые, как я думал, будут возникать во время экспонирования» и что на бумаге возникнет изображение отпечатанного документа. Однако ничего не случилось.
В 1964 году он вспоминал: «Это заставило меня обратить более пристальное внимание на потребности процесса. Так, я понимал, что фототоки должны получаться слабыми, но, с другой стороны, электрохимические эффекты, которые я пытался использовать, требовали довольно сильного тока, чтобы вызвать потемнение слоя». Кроме того, сильный ток, достаточный для потемнения бумаги, наверняка также вызвал бы ее воспламенение, не говоря о других нежелательных результатах. Он пришел к заключению, что его идея была «еще менее плодотворной, чем известные фотографические способы, используемые в то время, и переключил внимание с силы тока на его напряжение. Он понял, что «при высоком напряжении ток мог быть небольшим, но его энергия могла быть высокой». «Это привело меня к понятию электростатики».
Электрические явления обычно разделяются на две обширные и частично совпадающие категории: электрический ток и статическое электричество. Электрический ток – это то, что заставляет работать электроприборы, – он состоит из непрерывного потока электрических зарядов. Статическое электричество – это то, из-за чего ваши волосы встают дыбом, когда вы проводите по ним расческой, – оно состоит из противоположных зарядов, которые являются локализованными или неуравновешенными (и которые производят переходные электротоки – искры, молнии, когда напряжение имеет достаточную силу, чтобы ионизировать разделяющий их воздух). Как известно, ученые сломали много копий по поводу этих определений. Чтобы понять принцип ксерографии, достаточно сказать, что основное различие связано с силой тока (в амперах), аналогом которой можно назвать объем воды в потоке, и напряжением, аналогом которого можно назвать напор воды. Вообще говоря, для электрического тока характерна относительно высокая сила при относительно низком напряжении, в то время как для электростатических явлений характерно высокое напряжение при низкой силе тока. (Электрический ток, который вы ощущаете, когда пытаетесь сунуть кухонный нож в розетку на стене, имеет напряжение 110 вольт, но силы тока, в амперах, хватило бы, чтобы убить вас; а безобидный электрический шок, который можно получить, пройдя по ковру и дотронувшись до дверной ручки, имеет напряжение в несколько тысяч вольт, но фактически нулевую силу.) Карлсон понял, что если он придумает копировальный процесс на основе изменения напряжения, а не на силе тока, то сможет создать машину, которая не будет ни прожигать бумагу, ни убивать оператора током.
Карлсон вернулся в библиотеку. И там, просматривая зарубежные технические журналы, наткнулся на короткую заметку венгерского физика Поля Селеньи. Селеньи пытался разработать способ передачи и печати факсимиле графических изображений, таких, как новостные фотографии. Его способ, который он успешно опробовал, заключался в использовании направленного ионного излучения для создания на внешней стороне вращающегося барабана, покрытого изоляционным материалом, статического заряда с определенным рисунком – что-то похожее на то, как ЭЛТ создает изображение на экране телевизора, построчно сканируя его электронным лучом, или на то, как струйный принтер создает из капельных струек краски четкий рисунок на листе бумаги.
«По существу, он разработал триод в воздухе, – говорил потом Карлсон. – В него входил нагретый катод, вставленный в металлический сосуд с маленьким отверстием. Затем там был барабан, покрытый жесткой резиной или каким-то изолирующим лаком, который вращался очень близко к этому отверстию. Нагретый катод генерировал ионы внутри металлического сосуда, и металл пропускал меняющиеся порции ионов через маленькое отверстие. Они осаждались на поверхности вращающегося барабана с помощью подключаемого поля смещения. После того как изображение было полностью просканировано, он просто опылял барабан мелкозернистым порошком, и изображение становилось видимым». Порошок прилипал к ионам на изоляционной поверхности барабана так же, как песок на пляже прилипает к мокрым местам на купальнике. Переданное фотоизображение, которое Селеньи генерировал таким способом, напечатали в журнале; оно было зернистым, можно было различить строки развертки, но изображение получилось вполне отчетливым.
Применение мелкозернистых порошков для того, чтобы сделать видимыми изображения электростатических зарядов, было давно известно в физике; впервые это сделали в 1777 году, когда Георг Кристоф Лихтенберг, профессор из Германии, заметил, что домашняя пыль прилипает к электростатически заряженным кусочкам янтаря в определенном порядке, который позже стал называться фигурой Лихтенберга. Карлсон знал о фигурах Лихтенберга, и работа Селеньи напомнила ему о них. Внезапно он увидел, как можно было бы делать копии, используя такое же явление в сочетании с фотопроводимостью. Вместо того чтобы пытаться использовать свет для генерирования тока в листе бумаги, положенной на фотопроводник, как он делал в своих кухонных экспериментах, он будет использовать свет для удаления электростатических зарядов с пробельных участков равномерно ионизированного фотопроводника. Затем он сделает рисунок видимым, опылив его порошком, и перенесет его на лист простой необработанной бумаги.
