Приключение великих уравнений - Владимир Карцев

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 разбросаны по всей книге и их довольно много - двенадцать!

Изучение Герцем и Хевисайдом уравнений Максвелла показало, что некоторые из максвелловых уравнений могут быть выведены друг из друга, некоторые вообще лишни и не отражают фундаментальных законов природы.

Кроме того, изложение и обозначения Максвелла оставляют большой простор для пожеланий их улучшения. Как пишут исследователи, "сумбурность изложения ...приходится признать типичной чертой его литературного творчества". И еще: "Трактат Максвелла загроможден следами его блестящих линий нападения, его укрепленных лагерей, его битв".

Во всех уравнениях Максвелла необходимо было разобраться, выделить из них лишь основные и привести их к единственному, "исходному" виду. Мы уже писали о том, как Герц, сидя в провинциальном Киле, получил как частный случай своей электродинамической теории уравнения Максвелла. Затем через несколько лет он продолжил работу.

Так вот, именно усилиями Герца уравнения Максвелла получили настоящий, "исходный" вид. Правда, они все равно не были похожи на уравнения, которые мы рассматривали. Герц, как "истинный немец" (эту черту его мы тоже отмечали) обозначает все величины буквами старонемецкого готического алфавита. Он получает всего четыре уравнения, очень близкие по существу, по содержанию и форме к тем уравнениям, которыми мы пользуемся до сих пор.

Одновременно с Герцем ту же работу по "расчистке" "Трактата" Максвелла проводил английский ученый Оливер Хевисайд.

Трудно указать точно его научную профессию: некий шутник заметил, что "Хевисайд одно время бывал математиком, другое время - физиком, но во все времена - телеграфистом". Действительно, Хевисайд, казалось, все время думал об усовершенствовании телеграфа - именно его работы позволили неограниченно увеличивать дальность телеграфной и телефонной связи и принесли владельцам компаний миллиардные дивиденды. Сам же Хевисайд умер в нищете.

Редакторы часто "заворачивали" статьи Хевисайда, ссылаясь на то, что они "трудно читаются".

" - Трудно читаются? Но пишутся еще труднее, господа!".

Именно "телеграфные интересы" привели Хевисайда к теории Максвелла. Переработав в своей гениальной голове (он был гений, это было ясно его современникам. К сожалению, особых выводов отсюда сделано ими не было. Он был гений. Это доказывается хотя бы тем, что знаменитая формула была выведена им за 15(!) лет до Эйнштейна, которому эта величайшая заслуга приписывается в известной степени несправедливо) весь Максвеллов "Трактат", он тоже, как и Герц, пришел к более ограниченной системе четырех уравнений. Единственную добавку, которую он сделал к системе, составляли два простых, поясняющих уравнения, связующих две электрические и две магнитные величины порознь.

Таким образом, Герц и Хевисайд превратили неорганизованные формулы Максвелла в стройную систему, изучаемую, используемую и непоколебимую до сих пор. Надо сказать, что и Герц и Хевисайд несколько преувеличивали свой вклад по отношению к уравнениям Максвелла, утверждая, что вся система уравнений (Герц) или отдельные уравнения (Хевисайд) принадлежат уже им, а не Максвеллу. Это, конечно, неправильно.

"Я мог бы сказать, - говорил знаменитый немецкий физик Больцман, - что последователи Максвелла ничего не изменили в этих уравнениях, кроме букв. Но это было бы слишком. Однако удивляться надо не тому, что к этим уравнениям вообще что-то могло быть добавлено, но гораздо более тому, как мало к ним добавлено".

Мы ничего не сказали о личности Хевисайда, а это - один из своеобразнейших людей в истории науки.

Он был чудаком, типичным героем Диккенса. Никогда не участвовал в научных заседаниях; когда его избрали в общество инженеров - телеграфистов (большая честь), он не стал платить взносы; его выбрали членом Лондонского Королевского общества (даже у Фарадея, как вы помните, эта операция проходила негладко), он не поехал на заседание. Он не платил денег за газ, семидесятилетним стариком сидел он без отопления и освещения. И не по скупости - ведь он не раз отказывался от больших денег. Он был отшельником. Он был убежденным холостяком.

Его метод работы был своеобразен. Считая, что математика служанка техники, он предложил множество очень полезных формул, математически их не обосновав. За это его не любили и не печатали ценившие приглаженность издатели, и он в течение двадцати лет не опубликовал ни одной строки. А идеи, предлагавшиеся им, были блестящи.

Оливер Хевисайд.

Хевисайд разработал без строгого математического доказательства общеупотребительные теперь операторный и символический методы. После открытий Герца он заинтересовался проблемой распространения электромагнитных волн и установил, что в верхних слоях атмосферы должен быть ионизированный слой, отражающий радиоволны (сейчас назван "слоем Хевисайда"). Именно этот слой позволяет нам слышать передачи на коротких волнах за тысячи километров, а не в пределах прямой видимости, как телевизионные передачи.

Восемнадцати лет, в 1868 году, он поехал в Данию работать телеграфистом. Между Англией и Данией был проложен в то время подводный телеграфный кабель. Молодой Хевисайд с удивлением убедился, что из Англии в Данию можно было передавать сигналы со скоростью, в два раза большей, чем в обратном направлении. Это его заинтересовало, и он долго искал разгадку. Лишь через много лет уравнения Максвелла помогли ему сделать это. Оказалось, что в Англии и Дании кабели имели разное сечение. Предложенная на основании решения "линия без искажения" обогатила не одного предпринимателя, а великий Хевисайд продолжал жить в бедности и одиночестве в захолустном английском городке.