Жанр: Наука
Приключения великих уравнений
... 5 ноября 1879 года его не стало. Доктор Пагет, принявший его последний
вздох, писал:
"Во время болезни, лицом к лицу со смертью, он оставался таким же, как
прежде. Спокойствие духа никогда не покидало его. Через несколько дней после
возвращения в Кембридж его страдания приняли очень острый характер... Но он
никогда не жаловался... Даже близость смерти не лишила его самообладания...
За несколько дней до смерти он спросил меня, как долго ему осталось жить...
Казалось, он беспокоился только о своей жене, здоровье которой за последние
несколько лет пошатнулось.
Не было человека, который бы встретил смерть с большим спокойствием и в
более ясном сознании".
Сорокавосьмилетний гений угас, так и не став свидетелем торжества своей
теории.
А она завоевывала себе позиции с большим трудом. Число слушателей,
записывавшихся на лекции по теории электромагнитного поля (в английских
университетах студент сам выбирает предметы, которые он хотел бы изучать),
было смехотворно мало.
Нужен был толчок, какое-то яркое событие, которое привлекло бы внимание
физиков и показало бы во всей полноте мощь новой теории.
Открытие вопреки себе
Когда Максвелл создал свою теорию электромагнитного поля, будущий великий
ученый Генрих Рудольф Герц в коротких штанишках посещал первые классы
гимназии. Его учитель вспоминал, что Герц учился блестяще и был
непревзойденным, когда дело касалось сообразительности и ясности восприятия.
В противоположность Максвеллу, он обожал все предметы без исключения - в
равной степени физику и арабский язык. Он любил писать стихи и вытачивать
фигурки на токарном станке.
Большую роль в упрочении теории Максвелла сыграли опыты Петра Николаевича
Лебедева по обнаружению давления света. Знаменитый физик Кельвин (автор так
называемой "температурной шкалы Кельвина") сказал как-то Клименту
Аркадьевичу Тимирязеву: "Вы знаете, я никогда не признавал светового
давления, ваш Лебедев убедил меня". Кроме светового давления, лорд Кельвин
не особенно жаловал и породившую необходимость такого давления теорию
Максвелла.
Его отец был сенатором, а мать, как сейчас сказали бы, домохозяйкой.
Будущий великий физик родился очень слабым - врачи единодушно утверждали,
что он - не жилец на белом свете. И действительно, болезни преследовали
Герца всю жизнь - у него болели поочередно и все вместе: глаза, зубы, уши...
С восемнадцати лет Генрих Герц учится в технических школах. Все шло
хорошо до тех пор, пока Генриху приходилось изучать разнообразные дисциплины
общего характера, например, физику и математику. Но когда дело дошло до
специализации, то есть до избрания конкретных технических курсов, которые на
всю жизнь должны были определить направление деятельности Герца, он внезапно
меняет свое решение: "Раньше я часто говорил себе, что быть посредственным
инженером для меня предпочтительней, чем посредственным ученым. Но теперь я
думаю, что прав Шиллер, сказавший: "Боишься жизнью рисковать - тебе успеха в
ней не знать", и что излишняя осторожность была бы с моей стороны безумием".
Какой прекрасный пример для сегодняшних десятиклассников!
Герц бросает Мюнхенскую высшую техническую школу и поступает в Берлинский
университет, где попадает в очень хорошие руки - его руководителем
становится Герман Гельмгольц, едва ли не самый видный немецкий физик того
времени. В числе его преподавателей были и другие виднейшие физики, например
Кирхгоф.
Но прежде стоит поговорить о Гельмгольце, поскольку вся короткая научная
жизнь Герца прошла под его покровительством, а научные взгляды Герца
сформировались в громадной степени под влиянием взглядов самого Гельмгольца.
Герц проявлял в детстве очень большие способности. За что бы он ни
брался, все у него получалось хорошо. Говорят, что когда Герц стал
знаменитостью, его наставник по токарному делу с сожалением заметил: "Жаль.
Из него мог бы получиться отличный токарь".
С портрета глядит на нас волевое, властное лицо, кончики густых седых
усов опущены книзу. Безукоризненный костюм. Пронзительный, несколько
тяжеловатый взгляд. Герц обращался к нему не иначе, как "Ваше
превосходительство".
К моменту первого знакомства с Герцем ему было пятьдесят шесть лет. Он
был признанным главой немецкой физики. Еще за тридцать лет до этой встречи
молодой врач Гельмгольц, ничего не зная о забытых работах Ломоносова, о
работах его современников Майера и Джоуля, обосновал закон сохранения и
превращения энергии. Он занимался в свое время и физиологией чувств - зрения
и слуха.
Но последнее время Гельмгольца занимает электричество, особенно теория
англичанина Максвелла. Он первым среди европейских ("континентальных")
ученых обратил на нее внимание и сразу оценил ее сильные стороны, ее
многогранность и универсальность.
И тут проявилось во всей полноте трагическое противоречие научного
мировоззрения Гельмгольца: с одной стороны, роль промежуточной среды,
подчеркивавшаяся Максвеллом, была ему очевидна, с другой - признать саму
промежуточную среду, "ничто", в качестве физической реальности Гельмгольц не
мог. Не мог прежде всего потому, что он был последователем знаменитого
немецкого философа-идеалиста, агностика И. Канта, отрицавшего возможность
познания мира. Отсюда приверженность Гельмгольца к идеям дальнодействия, где
в основу без объяснения берутся таинственные непознаваемые свойства материи.
Его не смущал, например, факт, что в соответствии с теорией одного из
столпов дальнодействия - Вебера, электричеством нельзя зарядить тело,
имеющее конечный объем. Это противоречит и здравому смыслу и опыту. Примеров
таких неувязок в теориях дальнодействия можно было найти десяток.
Опирающиеся только на факты глубоко реалистические в своей основе взгляды
Фарадея, обработанные математически Максвеллом, были ему чужды. И в то же
время научная добросовестность Гельмгольца не позволяла ему идти против
истины: "В настоящее время Фарадеево воззрение является единственным,
согласным со всеми экспериментальными данными и не противоречащими ни в
каком из своих выводов основным законам динамики".
Для того чтобы примирить свои философские взгляды с бесспорными научными
фактами, Гельмгольц должен был пойти на компромисс: он разработал свою
собственную электродинамическую теорию, в которой пытался сочетать
несочетаемое - взгляды Максвелла на роль промежуточной среды и теории
немецких приверженцев дальнодействия - В. Вебера и Ф. Неймана. За эту
двойственность взглядов Гельмгольца неоднократно критиковали, в то же время
признавая его большие научные достижения, Ф. Энгельс и В. И. Ленин.
Двадцатилетний Герц, с несформировавшимися еще взглядами, естественно,
попал под влияние великого Гельмгольца и в течение всей свой жизни тщетно
пытался разделять научные взгляды последнего.
"Тщетно" - потому что чем больше экспериментов ставил Герц для проверки
теории Гельмгольца, тем радикальней он опровергал ее. Теория Гельмгольца
подтверждалась лишь в тех своих частностях, где были использованы идеи
Максвелла.
Один раз Герцу "повезло": результат одного из экспериментов можно было
истолковать скорее в пользу Гельмгольца, чем в пользу Максвелла (скорость
электромагнитной волны в проводе оказалась не 300 тысяч километров в
секунду, а 220), но не тут-то было. На заседании Французской академии
знаменитый математик Анри Пуанкаре (брат печально известного
премьер-министра Франции Раймона Пуанкаре, "Пуанкаре-война", так много сил
потратившего на разжигание первой мировой войны и организацию интервенции
против Советской России) резко опроверг выводы Герца, язвительно указав на
то, что Герц при расчете скорости волны в проводе неверно рассчитал его
емкость. Кроме того, как выяснилось впоследствии, правильные результаты были
искажены в опыте Герца стоявшей в комнате железной печкой. Таким образом, в
единственном заставляющем усомниться в правильности теории эксперименте Герц
допустил ошибки и впоследствии сам признал это.
Гельмгольц - автор используемой до сих пор магнитной системы с однородным
полем - "колец Гельмгольца". Он изобрел также глазное зеркало, до сих пор
применяемое в медицине. Он разделил звук на основной тон и обертон.
Советские историки А. Т. Григорьян и А. Н. Вяльцев указывают, что при
изучении деятельности Герца "невольно рождается представление о каком-то
особом, фатальном отношении Герца к теории Максвелла. "Герцу как бы было
предопределено способствовать торжеству этой теории, а он упорно избегал,
настойчиво сторонился этой миссии, не желая принимать теорию".
Попав в Берлинский университет, Герц решил сразу же начать заниматься
научной работой в физической лаборатории. Однако попасть в лабораторию было
не так-то просто. Туда допускались лишь те студенты, которые участвовали в
работах "на премию" - руководство факультета назначало студентам премии за
скорейшее выполнение предложенных профессорами научных работ. В качестве
такой работы Герц выбрал решение следующей сложной проблемы: обладает ли
электрический ток кинетической энергией?
Сейчас нам ясно, что поскольку электрический ток - это движение
электронов, а электроны обладают массой, то электрический ток в принципе
обладает кинетической энергией. Однако тогда электроны - материальные
носители электрического тока, известны не были, и вопрос о кинетической
энергии электрического тока был открытым. Как только Герц начал работу над
первой своей самостоятельной темой, сразу же проявились заложенные в нем
черты исследователя: упорство, редкое трудолюбие и столь часто помогавшая
ему впоследствии способность делать сложные лабораторные установки своими
руками. "Аппарат, который я сделал, работает очень хорошо; лучшего мне не
надо, даже сделанный на самой главной фабрике из золота и слоновой кости не
служил бы мне лучше".
Конкурсная тема объявлена была в августе и рассчитана на девять месяцев
работы. Герц приступил к работе в октябре и окончил ее за три месяца.
Результат, как ожидалось, был отрицательным - с помощью очень точных
методов, разработанных Герцем, не удалось заметить ни малейших признаков
кинетической энергии у электрического тока. Это совпадало с точкой зрения
Гельмгольца (сейчас можно подсчитать, что для обнаружения имеющегося в
действительности эффекта Герцу нужно было бы повысить точность измерений во
много тысяч раз). Гельмгольц столько же был удовлетворен результатом,
сколько восхищен способностями молодого Герца: "Я увидел, что имел дело с
учеником совершенно необычайного дарования". Впоследствии подчеркивая
многосторонние дарования Герца, он называл его "баловнем богов".
Работа была удостоена премии, причем вручена она была Герцу в
необыкновенно теплой обстановке с самыми лестными отзывами.
После летних каникул 1879 года встал вопрос, чем заниматься дальше. И
Гельмгольц предлагает Герцу новую тему, связанную с электродинамическими
свойствами поляризации диэлектриков, - тему, которая неминуемо должна была
бы доказать или опровергнуть теорию Максвелла. Тема тоже была конкурсной, но
значительно более сложной. Она была рассчитана на 2 - 3 года.
Герц как будто предчувствовал ту колоссальную роль, которую изучение темы
должно сыграть в его жизни, - и всеми способами уклонялся от нее. Впрочем,
тут была еще одна причина - студенту Герцу хотелось поскорее стать доктором
(вообще, складывается впечатление, что во всех случаях, когда перед Герцем
вставала дилемма: "карьера или наука", он твердо избирал первое).
Ему удается уклониться от конкурсной темы Гельм-гольца и получить другую
тему, уже в качестве докторской диссертации. Эту тему Герц надеялся кончить
за два-три месяца. Осталось получить разрешение министра защищать
диссертацию, не окончив университета, и... написать ее.
И то и другое произошло очень быстро. Быстро пришел положительный ответ
от министра и быстро продвигалась работа - чисто теоретическое исследование
о вращении тел в магнитном поле. Работает Герц с большим подъемом, с
наслаждением: "Работа приносит много радости", "я, почти не отрываясь,
продолжаю работать над начатой темой, притом с таким успехом и таким
радостным чувством, лучше которых не мог бы и пожелать себе".
То, что получилось, - небольшой математический шедевр; защита его прошла
с блеском, которого тот заслуживал. Редчайший случай - Герцу присудили
докторскую степень "с отличием".
Следующая встреча Герца с теорией Максвелла чуть было не состоялась в
провинциальном городишке Киле, куда он перешел из прекрасно оборудованной
берлинской лаборатории, чтобы из ассистента поскорее перейти в доценты. В
Киле лаборатории не было совсем, и если была нужда в эксперименте, все нужно
было делать за свой счет. Поэтому там гораздо удобней было заниматься
теорией. Возможно, поэтому наиболее значительной работой, выполненной в
Киле, была именно теоретическая работа.
Основанием ее явилась попытка Герца дополнить в одном неясном пункте
электродинамику одного из ярых приверженцев дальнодействия - Неймана.
Уравнения Неймана, как говорят математики, были "несимметричны" - в них
электрические и магнитные величины были поставлены в неравное положение.
Помимо отсутствия красоты математической, такая система уравнений обладала
тем недостатком, что при пользовании ею не во всех случаях соблюдался закон
сохранения энергии.
Генрих Герц.
Это, естественно, нравиться Герцу не могло. Он корректирует систему
уравнений Неймана с помощью поправки, учитывающей закон сохранения энергии,
и получает свою собственную систему уравнений, частным случаем которой
являлись те же уравнения Максвелла, только в несколько иных обозначениях.
Герц был разочарован: если теория Максвелла является универсальной, то,
выходит, все теории великих немецких физиков, в течение десятилетий
считавшихся в Европе непревзойденными электродинамиками, необходимо сдать на
историческую свалку. Вообще, национальное чувство Герца порой сильно мешало
ему, по свидетельству Макса Планка, объективно оценить научный вклад
иностранных ученых. "Данный вывод, - пишет Герц, - таким образом нельзя
считать точным доказательством Максвелловой системы как единственно
возможной".
К "национальному чувству" Герца впоследствии при-мешается еще одно -
через несколько лет окажется, что волны, открытые Герцем, "волны Герца" -
это "всего лишь" волны, уже давно предсказанные Максвеллом. Одним словом,
подозревать Герца в горячих симпатиях к Максвеллу и его теории нет
оснований.
И тем не менее судьбы науки распорядились так, что имена Максвелла и
Герца всегда будут стоять рядом. Именно благодаря открытию Герцем
электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, теория Максвелла
утвердилась, и в течение уже около ста лет остается основной физической
теорией, поколебать которую не смогла даже теория относительности.
Летом 1886 года двадцатидевятилетний Герц женился. Это событие повлияло
на него чрезвычайно плодотворно - глубокая тоска и безысходность, нежелание
работать, примерно полгода владевшие Герцем, исчезают без остатка, наоборот,
в его творчестве возникает невиданный подъем. Именно на восходящую ветвь
творческой волны приходится день 4 октября 1886 года, когда он заносит в
дневник первое описание из серии опытов с измерением индукции при разряде
старинного исследовательского аппарата - лейденской банки. Долгие поиски
темы, которая могла бы его захватить, кажется, окончены.
Записи в дневнике:
25 октября: "Получил искровой микрометр и начал работать с ним".
26 октября: "Сделал опыты с искрами в коротких металлических цепях".
(7 ноября, жена Герца - в письме его родителям: "Он установил приборы,
произвел измерения и в течение четверти часа закончил прекраснейшие опыты.
Прекрасные вещи сыплются у него, как из рога изобилия").
12 ноября: "Установил интересное действие индукции".
13 ноября: "Посчастливилось установить индукционное действие друг на
друга двух незамкнутых цепей с током. Длина цепей 3 м, расстояние между ними
1,5 м".
5 декабря - в письме Гельмгольцу: "Мне удалось совершенно определенно
установить индукционное действие одной незамкнутой прямолинейной цепи на
другую незамкнутую прямолинейную цепь".
Сам Герц объясняет такой большой успех счастьем, везением - это верно
лишь отчасти. Впоследствии выяснилось, что эксперименты, о которых идет
сейчас речь и которые привели к открытию электромагнитных волн, сходные с
экспериментами Герца, проводились чуть ли не за десять лет до него. Однако
ни один исследователь не обладал уникальным экспериментальным талантом
Герца, его глубокими знаниями в области математики и электродинамики. Он
один оказался достаточно настойчивым, чтобы в конце концов доказать, что
наблюдаемые им явления (к его сожалению) - следствие существования
предсказанных Максвеллом электромагнитных волн.
Установка, созданная Герцем, настолько проста, что порой закрадывается
сомнение: а можно ли с помощью этих кусков проволоки и шариков открыть
волны, давшие потом жизнь таким сложным вещам, как радио и телевидение?
Установка работала так: сначала между двумя шариками создавалась искра.
Искра была, по сути дела, кратковременным электрическим током, да еще
прерывающимся сотни миллионов раз в секунду.
Недалеко от искры Герц разместил почти замкнутый контур из проволоки.
Единственным промежутком в этой цепи был искровой промежуток между
небольшими шариками.
Герцу удалось заметить, что даже при полутораметровом расстоянии между
искрой и контуром во втором искровом промежутке проскакивали маленькие
искорки. Это происходило всякий раз, когда искра возникала в первой цепи.
(Как легко пишется! Как трудно делалось! Эти "искорки" были так слабы -
нужно было напрягать глаза, наблюдая их в темной комнате, а
продолжительность каждой - всего миллионные доли секунды. А сколько нужно
было пробовать, настраивать! Да и неизвестно было, получится ли что-нибудь?
Мы увидим впоследствии, какой дорогой ценой заплатил Герц за свою
самоотверженную работу). Получалось, что искра во второй цепи возникала без
всякого электрического контакта с первой цепью.
Приборы Герца, изготовленные им самим.
Факт оставался фактом - с помощью какого-то механизма электрический
импульс был без проводов передан из одной цепи в другую, да еще на
расстояние полтора метра. Осталось разобраться, что же это был за механизм.
Герц, так же как и Гельмгольц, считал, что причина явления -
"электрическая индукция"; по Максвеллу, такое воздействие могло передаться
лишь с помощью электромагнитной волны, схожей по своей природе со светом.
Историческая заслуга Герца - в доказательстве, вопреки своему желанию,
второй точки зрения.
В планах Герца было доказать совсем обратное. Через несколько лет он
напишет в письме Гельмгольцу:
"Мои работы возникли не столько непосредственно из изучения максвелловых
трудов, как я слышу со всех сторон, сколько в гораздо большей мере из
изучения работ Вашего превосходительства".
Однако эксперимент упрямо наводил Герца на мысль о правильности точки
зрения Максвелла. Собственно, вся теория подтверждалась или рушилась в
зависимости от того, как будут вести себя вновь открытые волны Герца. Если
они будут вести себя как свет, то Максвелл прав, если нет... И Герц
осуществляет строгую проверку. Почти сразу же ему удалось обнаружить "тень".
Металлический лист не пропускал новых волн, зато двери комнаты были для него
прозрачны, как для света - стекло. Новые лучи распространяются прямолинейно:
"Тщетно искал явление огибания".
С некоторым ужасом наблюдал Герц, как его прибор реагирует на колебания,
рождавшиеся за дверью. "Не без удивления, - писал Герц, - я наблюдал искры в
закрытой комнате".
Если бы прав был Гельмгольц, ничего подобного не должно было быть. Таким
образом, волны Герца в этом отношении вполне были подобны световым.
А чему равна скорость новых волн? По Максвеллу, она должна быть равна
скорости света. Герц провел большое число остроумных измерений, и в
большинстве случаев получил для новых волн значение, очень близкое к
скорости света.
Новый вопрос: будут ли новые волны преломляться как световые, например, в
призме? Герц изготовляет гигантскую призму, весом чуть не в две тонны (!)
из... асфальта. И новые лучи послушно отклонились в призме от своего
прямолинейного направления. Отклонились почти точно на столько, на сколько
должно было бы произойти по теории Максвелла.
Точно так же собрал Герц данные об отражении новых волн; выяснилось, что
они прекрасно отражались, например, цинковыми экранами. Герцу удалось даже
сделать параболические зеркала для новых воли.
Точно таким же образом для новых лучей оказались справедливыми и
существующими все явления, присущие свету, например, даже такое тонкое, как
поляризация.
После этого не осталось практически никаких сомнений в том, что открытые
"волны Герца" - не что иное, как предсказанные Максвеллом электромагнитные
волны, причем совпадение было не только качественным, но и количественным -
по теории Максвелла можно было заранее рассчитывать практически все
характеристики новых волн.
Трудно сейчас представить себе бурю, вызванную открытиями Герца. Для
физиков они прежде всего означали полный триумф "уравнений Максвелла" и крах
всех других электродинамических теорий. Все неисчислимое бумажное многопудье
курсов электродинамики Неймана, Вебера, Гельмгольца и множества других
авторов нашло себе вечную гавань в пыльных архивах науки, уступив место
нескольким строкам максвеллювых уравнений.
Открытия Герца привлекли к себе внимание самых широких слоев общества -
ведь суть вновь открытых "волн Герца", "лучей Герца" была довольно легко
доступна для понимания. Многие сразу же предложили создать новую систему
связи - без столбов, проводов и кабелей. Один из таких энтузиастов написал
Герцу. Ответ был пессимистическим:
"Электрические колебания в трансформаторах и телефонах слишком медленные
(...). Если бы вы были в состоянии построить вогнутые зеркала размером с
материк, то вы могли бы поставить намечаемые опыты, но практически сделать
ничего нельзя: с обычными зеркалами вы не обнаружите ни малейшего действия.
По крайней мере, я так думаю".
Более того, от пассивного неприятия идеи о полезности своих волн он скоро
перешел к активному - например, он написал в дрезденскую палату коммерции
письмо о том, что исследования радиоволн нужно запретить как бесполезные.
Годы напряжения, хотя и творческого, колоссальные перегрузки, особенно во
время открытия электромагнитных волн, не прошли для Герца безнаказанно.
Сначала отказали глаза - явное следствие долгого всматривания в искровой
промежуток в темной комнате в поисках неуловимых, почти нематериальных искр.
Его жене пришлось взять на себя дополнительный труд - читать и писать для
Генриха.
Затем заболели зубы. Затем уши и нос. Затем - общее заражение крови, от
которого на пороге нового 1893 года умер знаменитый Герц, умер в возрасте
всего лишь 37 лет. Предчувствуя мрачную развязку, он за несколько недель до
смерти писал матери:
"Если со мной действительно что-то случится, вы не должны огорчаться, но
должны мною гордиться и думать, что я принадлежу к тем особо избранным
людям, которые жили хотя и не долго, но вместе с тем жили достаточно. Эту
судьбу я не желал и не выбирал, но я доволен ею, и если бы мне предоставили
выбор, я может быть, сам избрал бы ее".
Так ушел из жизни этот великий человек, награжденный при жизни великими
почестями (едва ли существуют в науке такие почести, награды, премии и
медали, которые не были ему вручены).
А после смерти, когда он не мог узнать уже о блестящей судьбе своего
изобретения, благодарные потомки воздвигли ему еще один памятник: именем
Герца названа единица частоты колебаний - одно колебание в секунду.
Кажется символичным, что мы каждый раз неявно чествуем великого Герца,
когда слушаем по радио (Герц!), или телевизору (Герц!) сообщения об
очередных космических успехах: "С космическим кораблем установлена надежная
двусторонняя радиосвязь. Сообщения с борта корабля передаются на частоте
20,008 мегагерц".
Мегагерц - это миллион герц.
А герц - это Генрих Герц.
Герц завершил труд, начатый Фарадеем. Если Максвелл перевел представления
Фарадея ,в образы высокой математики, то Герц превратил эти образы в
осязаемые, видимые, слышимые колебания - в реально существующие
электромагнитные волны, описываемые все теми же уравнениями Максвелла.
Впрочем, здесь нужно сделать одно серьезное уточнение. Мы уже записали
немного ранее уравнения Максвелла и даже сделали попытку их объяснить. Но
это было сделано в известном смысле незаконно. Уравнения, которые мы видели,
записаны не Максвеллом, а Герцем. И Оливером Хевисайдом. Но не Максвеллом.
Дело в том, что "Трактат по электричеству и магнетизму" Максвелла - очень
сложная книга. В ней более тысячи страниц, из которых лишь десяток (!)
непосредственно относится к его системе уравнений. Однако сами уравнения
раз
...Поділитися у соцмережах
