VIVOS VOCO: Б.М. Болотовский, "Оливер Хевисайд"

Оливер Хевисайд родился 18 мая 1850 г. в Лондоне в семье художника. Он был младшим из четырех сыновей. Семья была не очень состоятельная, поэтому Оливер смог закончить только неполную среднюю школу - так неточно мы переводим elementary school, общедоступную школу, где обучались дети до 14-15 лет. На продолжение образования в частной школе и тем более на получение высшего образования денег не было.

Рис. 1. Дом, где родился и провел детство Оливер Хевисайд.
Его семья занимала правую половину дома (вход с портиком)

Оливер учился в школе лондонского района Кэмден Таун, того района, где он жил. В числе его учителей был мистер Чешайр, о котором Хевисайд уже в зрелые годы всегда отзывался с уважением. К концу 1865 г. Оливер держал экзамены перед коллегией наставников. Он был проэкзаменован по 13 предметам, в том числе по английскому, французскому и латинскому языкам, физике, химии и математике. Набрав меньше половины из общего числа очков (1140 из 2600), он тем не менее по результатам экзаменов был пятым, а по естественным наукам - первым. За успехи в естественных науках ему была присуждена специальная премия. К этому можно добавить, что он получил очень низкую оценку на экзамене по евклидовой геометрии (15% от максимально возможного числа очков) [6]. По-видимому, эта низкая оценка объяснялась не тем, что он не знал вопроса. Возможно, что у него были свои взгляды на геометрию и они отличались от взглядов экзаменаторов. Позднее Хевисайд неоднократно возвращался к вопросу о преподавании геометрии Он считал, что преподавать геометрию по Евклиду - это самый плохой способ преподавания:

"Это возмутительно, что молодые люди должны забивать себе голову сплошными логическими тонкостями, пытаясь понять доказательство очевидного факта с помощью чего-то, столь же очевидного, или, может быть, не столь очевидного, и приобретая глубокую неприязнь к математике, в то время как изучение геометрии, важнейшего фундаментального предмета, может быть сделано очень интересным и поучительным. Я придерживаюсь мнения, что это, по существу, экспериментальная наука, как и всякая другая, и ее надо преподавать в первую очередь с помощью наблюдения, описания и эксперимента. Обучение должно быть естественным продолжением того знакомства с геометрией, которое получает каждый ребенок, соприкасаясь со своим окружением, но, конечно, обучение должно быть более определенным и целенаправленным" [8].

Исходя из того, что геометрия - наука экспериментальная, Хевисайд считал, что, например, число p должно измеряться, как и площадь круга, эллипса и как другие геометрические характеристики. Он считал, что мальчик, который убедится в справедливости геометрической теоремы с помощью измерения, достигнет теорему лучше, чем при чисто логическом обосновании без соответствующего опытного знания.

"Поборники логики могут сказать, что таким путем вы ничего не доказываете. У меня другое мнение. Точно так же можно сказать, что вы ничего не доказываете в любых физических измерениях" [9].

Наряду с ролью опыта, измерения в геометрии Хевисайд также подчеркивал большую роль математической интуиции вообще в математике и, в частности, в геометрии. Вот одно из его высказываний на этот счет:

"Основное представление о работе математика заключается в том, что вы должны знать обоснование своих действий с самого начала, до того, как вы приступаете к практической работе. Это выдумка и чепуха. Я говорю об этом с уверенностью не только исходя из своего собственного детского опыта и из опыта других мальчиков, но и как взрослый человек, имеющий некоторый опыт в приложении математики. Я знаю такие математические приемы, которые я с успехом применял очень долгое время и схоластическая логика которых ни мне, ни кому-либо другому непонятна. Я врос в эти приемы и таким путем их понял. Факты остаются фактами, даже если вы не видите, как от них перейти к законченной теории. Законченная теория и невозможна. Всегда что-то еще требуется, независимо от того, на что претендуют люди от логики" [10].

Возражая против того, что в конце XIX в. детей учили геометрии так же, как во времена Евклида, Хевисайд предлагал такую программу:

"Мое собственное представление о целесообразном курсе заключается в следующем: начинать следует с арифметики, а затем алгебра, но не Эвклид. Затем практическая геометрия - геометрия твердых тел, так же как и геометрия на плоскости, но не Эвклид; не показ, а возможность познакомиться. Затем не Эвклид, но элементарное представление о векторах в соединении с алгеброй и в применении к геометрии. Сначала сложение, затем скалярное произведение. Этого будет достаточно для многого. Продвинувшись дальше, вводите векторное произведение. Параллельно нужно вести элементарное исчисление и через некоторое время переходить к векторной алгебраической геометрии. Эвклид, как и Гомер, может излагаться в дополнительном курсе для знающих людей. Но Эвклид для детей - это варварство" [11].

Я учился в средней школе в сороковых годах XX в., через пятьдесят с лишним лет после того, как были написаны приведенные здесь слова Хевисайда. Нас все еще учили по Евклиду. Прошло еще сорок лет. Теперь в курс геометрии введены начала векторного исчисления. Хевисайд и здесь опередил свое время и опередил намного (впрочем, я не знаю, введено ли векторное исчисление в программу английской школы).

Рис. 2. Рисунок с надписью Хевисайда: "Упряжная лошадь. Оливер Хевисайд, 11 лет"

В детстве Оливер неплохо рисовал, о чем свидетельствуют рисунки, сделанные им в 11-летнем возрасте. Возможно, что отец собирался обучить его своему искусству, но интересы Оливера вскоре обратились от искусства к науке об электричестве. Трудно сказать, что повлияло на этот выбор. Есть, впрочем, одно вероятное объяснение. Его тетка по матери была женой Чарлза Уитстона, известного физика, автора многих исследований по акустике, оптике, электричеству и магнетизму. Уитстон был основателем практической телеграфии. Принципиальная возможность передачи сигналов по проводам была известна и до Уитстона, но он первый осуществил эту возможность и много сделал для дальнейшего технического усовершенствования телеграфии. С его именем, в частности, связано устройство для измерения омического сопротивления (мостик Уитстона).

По-видимому, Уитстон оказал определенное влияние на Оливера Хевисайда, по крайней мере в начале пути. Сразу два брата Хевисайды - Оливер и Артур Уэст - пошли работать в телеграфную компанию. Оливер четыре года, с 1870 по 1874 г., проработал телеграфистом в Ньюкасле. Есть указания на то, что некоторое время из этих четырех лет он провел в Дании. В сохранившихся записных книжках Хевисайда есть запись о том, что он определял повреждения на линии, находясь в городке Фредерика в Дании [6].

После того как эта англо-датская линия была введена в строй, Оливер принял участие в определении ее параметров, в частности, он определял скорость передачи по этой линии. Дело в том, что заранее рассчитать свойства линии в те годы было невозможно - не было достаточно надежной теории передачи сигнала по линии связи. Поэтому сначала прокладывали кабель, а потом определяли характеристики проложенной линии. Одной из важных характеристик была скорость передачи по линии. Скорость передачи можно измерять, например, числом слов, передаваемых по линии в минуту. Каждая линия связи имеет предельную скорость передачи, и у линии того времени эта предельная пропускная способность была невелика - порядка сотни слов в минуту (или еще ниже). Позднее, примерно через двадцать лет, Хевисайд построил полную теорию распространения сигнала по линии связи, и на основе этой теории пропускная способность линий связи была повышена во много раз. Но тогда, когда он только начинал работу телеграфистом, предельная скорость передачи была невелика. Попытка превысить предельную скорость передачи приводила к тому, что на принимающем конце линии сигналы становились неразборчивыми, в азбуке Морзе точку уже нельзя было отличить от тире - точки "расплывались", паузы между буквами сокращались, короче говоря, сигнал настолько искажался, что становился неузнаваем.

Определение скорости передачи по англо-датской линии привело к удивительным для молодого Хевисайда результатам. Оказалось, что скорость передачи из Англии в Данию была на 40% выше, чем скорость передачи в обратном направлении. Хевисайд тогда не понимал, почему так получается, и никто не мог ему этого объяснить. Он понял причину лет через десять.

В 1874 г. Оливер Хевисайд оставил работу телеграфиста и вернулся в Лондон. К тому времени Оливер начал глохнуть, и некоторые считают, что именно это обстоятельство и заставило его уйти с работы. Однако наступавшая глухота могла и не быть основной причиной. К тому времени работа телеграфиста привлекала Хевисайда все меньше, а на первый план все более отчетливо выступали его научные интересы. Еще в 1868 г., за два года до того, как он поступил на работу в телеграфную компанию, Оливер занялся экспериментами по электричеству. Он оборудовал в доме отца лабораторию, где были элементы питания, измерительные приборы, телеграфное, телефонное и другое лабораторное оборудование.

Его первые работы были посвящены точному измерению сопротивлений. Первая из них была опубликована в 1872 г. В этих исследованиях Хевисайд выступал и как экспериментатор, и как теоретик. В частности, его работа, опубликованная в феврале 1873 г. в журнале "Philosophical Magazine", была посвящена наилучшему подбору сопротивлении в схеме типа мостика Уитстона (другое название этой схемы - баланс Кристи). Результаты этой работы Хевисайда были известны Максвеллу. В знаменитой книге Максвелла "Трактат об электричестве и магнетизме", в первом томе есть глава "Измерение электрического сопротивления". Конец §351 посвящен результатам Хевисайда. Эти результаты, упомянутые Максвеллом, представляют собой, пожалуй, самое малое из того, что сделал Хевисайд в теории электромагнетизма. Главный его вклад сделан уже после смерти Максвелла, и все же Оливер Хевисайд - единственный, кого Максвелл упоминает в своем трактате. Добавим еще в связи с этой работой Хевисайда, что для выполнения ее расчетной части не требовалось знаний по высшей математике, в статье приведены сравнительно простые алгебраические вычисления.

В своей домашней лаборатории Хевисайд также проводил эксперименты с микрофонами. В частности, исследовалось влияние давления на свойства контактов [12].

С 1873 по 1876 г. Хевисайд опубликовал серию статей, в которых была обоснована практическая возможность дуплексной телеграфии. В то время передача сообщений по телеграфной линии осуществлялась поочередно то в одном, то в другом направлении. Такая связь называется симплексной. При симплексной связи каждая нз двух станций, соединенных линией, может вести либо только прием сигнала, либо только передачу, но не может сразу вести и прием и передачу, т.е. не может одновременно принимать сигналы, идущие по линии, и передавать на линию свои сообщения. Хевисайд показал, что можно одновременно вести по одной и той же телеграфной линии передачу одного сообщения и прием другого. Такая связь называется дуплексной. Оливер Хевисайд не только предложил такие схемы линии и такие схемы включения передающих и приемных устройств, при которой дуплексная связь стала надежной, он практически осуществил дуплексную телеграфную связь в 1873 г. В проведении этого опыта участвовал его брат Артур Уэст Хевисайд - второй телеграфист из семьи Хевисайдов. Послания отправлялись "одновременно с обеих станций настолько быстро, насколько можно было передавать ключом" (выдержка из записной книжки Хевпсайда, куда он заносил результаты опыта).

Сама идея дуплексной связи не была новой, но она считалась в то время бесперспективной, потому что те варианты, которые испытывались до Хевисайда, оказались неудачными. Первая статья Хевисайда "О дуплексной телеграфии" начиналась словами:

"Дуплексная телеграфия, искусство одновременного телеграфирования в обоих направлениях, была впервые осуществлена доктором Джинтлом в 1853 г. и впоследствии привлекала внимание очень многих изобретателей до тех пор, пока не утвердилось мнение, что вряд ли ее можно хоть как-то осуществить на практике...
...Я предлагаю в этой работе краткий очерк теории дуплексной телеграфии по общеизвестным схемам, а также описываю два других метода, которые, по-моему, являются полностью оригинальными".

Теперь, когда по одной линии передаются десятки и сотни телефонных разговоров, дуплексная линия, созданная Хевисайдом, конечно, не поражает воображение. Но надо помнить, что для того времени это было реальное и важное продвижение, вдвое увеличивающее объем информации, передаваемой по линии.

В 1876 г. Оливер Хевисайд, которому тогда было 26 лет, уже получил известность в кругах специалистов, хотя большинство читателей не могли понять и оценить большую часть его работ. Он был избран в совет Общества телеграфных инженеров (членом-корреспондентом этого общества он стал двумя годами ранее, в 1874 г.).

Сэр Джордж Ли, бывший одно время президентом Института инженеров-электриков, пишет об этом эпизоде в жизни Хевисайда:

"Печально отметить, однако, что он не посетил ни одного из заседаний совета и не был переизбран в совет на следующий год. В 1881 г. он не смог уплатить членские взносы, и в ноябре того же года его имя было вычеркнуто из списков" [6].

Членом совета в то время был и Уильям Прис, тогда один из ведущих инженеров, а впоследствии главный инженер британского почтового ведомства. О его отношениях Хевисайдом мы еще будем говорить. Сложившиеся впоследствии отношения между ними были далеки от идеальных. Но в тот год, когда Хевисайд числился членом совета, Прис относился к нему вполне доброжелательно. Он, по-видимому, ценил "практические" (т. е. экспериментальные) работы Хевисайда (а другие его исследования, теоретические, еще только начинались). Прис предложил Хевисайду место в компании "Уэстерн Юнион" с оплатой 250 фунтов в год. Это была хорошая по тем временам оплата (тем более, для начала). Но Оливер не принял предложения. Он был всецело поглощен чисто научными интересами, все остальные занятия казались ему пустой гратой времени.