Приключение великих уравнений - Владимир Карцев

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.