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

Годы написания второго тома "Электромагнитной теории" были нелегкими для Хевисайда. Он потерял отца и мать, остался один. Но он продолжал научную работу, используя для этого все свое время, свободное от бытовых забот, и тратя на научные исследования все свои силы. Есть шутливое определение: "Наука есть удовлетворение собственного любопытства за казенный счет". Это определение молва приписывает известному советскому физику Л.А. Арцимовичу. Наука для Хевисайда была нечто большее, чем стремление удовлетворить свое любопытство, и занимался он наукой, не получая за это никакой оплаты. Впрочем, некоторые денежные поступления у Хевисайда были. Приходили гонорары за статьи, опубликованные в журнале "Electrician". Это были не очень большие деньги, но они поддерживали Хевисайда.

Дни напряженной отшельнической работы скрашивались редкими визитами друзей. Приезжал доктор Сил; два раза за это время Хевисайда навестил профессор Фицджеральд. Гости привозили научные новости, обсуждали вопросы, представлявшие для них интерес. Потом они отправлялись на велосипедную прогулку.

Доктор Сил вспоминает, что в сентябре 1899 г. он прожил у Оливера несколько дней в его доме Брэдли Вью в Ньютон Эббот. От дома открывался вид на леса средневекового владения Брэдли. После того как в феврале 1899 г. экономка заболела и ушла от Оливера, он остался совершенно один. Когда доктор Сил, проведя ночь в доме Оливера, спустился из своей спальни, Оливер, после утреннего приветствия, сказал: "Надеюсь, что Вы не пили воду из графина, который стоит в Вашей комнате". Сил спросил: "Почему?", и Оливер ответил: "Потому что он стоит с тех пор, как там ночевал последний человек три месяца назад". Днем они отправились на велосипедную прогулку. В те дни у велосипедов не было свободного хода, а тормоз был ручной, с приводом на переднее колесо. Они ставили ноги на подножки, расположенные на передней вилке, и затем скатывались на велосипеде с горок вниз. Оливер поднимал ноги, сгибал руки, и его велосипед несся вниз по крутому и неровному склону, оставляя Сила далеко позади [41].

С доктором Силом Хевисайд обсуждал различные вопросы, связанные с характером электромагнитного поля движущихся зарядов. В 1899-1900 гг. он снова вернулся к задаче об определении поля движущихся зарядов для разных предположений о законе движения (равномерное движение заряда, внезапная остановка, резкий старт и т.д.).

Джордж Фрэнсис Фицджеральд привлекал внимание Хевисайда к новым проблемам электромагнетизма. После опытов Герца по генерации электромагнитных волн Фитцджеральд уже думал о возможности передачи радиосигналов на большие расстояния. Хевисайд тоже с большим интересом следил за работой Маркони и инженеров Британского почтового ведомства по практическому использованию радиоволн для связи. Сначала расстояния, на которых осуществлялась радиосвязь, были очень малы и в теоретических расчетах можно было считать поверхность Земли плоской, как и поверхность моря. Это все были простые задачи, но успехи в передаче на короткие расстояния позволяли предвидеть гораздо более важные достижения. В 1899 г. Фицджеральд писал Хевисайду:

"Изучали ли Вы распространение радиоволн вокруг сферы? Такая задача волнует любителей помечтать в связи с возможностью телефонии на свободных волнах в Америку. Очевидно, это - задача дифракции. Я думаю, что она должна быть разрешимой" [12].

Это письмо было написано за два года до того, как Маркони показал, что трансатлантическая связь в самом деле оказалась возможной. Забегая вперед, скажем, что Хевисайд вскоре объяснил, почему возможна радиосвязь (или, как тогда говорили, беспроволочная телеграфия) на большие расстояния. И объяснение, найденное Хевисайдом, показало, что дифракция радиоволн вокруг земной поверхности не может обеспечить дальнюю радиосвязь.

Материальные условия жизни Хевисайда всегда были нелегкие, и друзья старались обеспечить его жизнь, как могли. В феврале 1894 г. Джордж Фицджеральд, Оливер Лодж и Джон Перри написали ему совместное письмо с просьбой согласиться на получение от Фонда научной помощи при Королевском обществе некоторого гонорара "в признание Вашего общеизвестного вклада в науку по развитию работ Фарадея и Максвелла". Но Хевисайд, рассматривая это предложение как благотворительность, отказался. Поэтому друзья не двинули это дело дальше [12].

В 1896 г. Хевисайду была назначена королевская пенсия (так мы переводим английское Civil List Pension) в 120 фунтов в год. Жить стало легче. Пенсия была пожалована 5 марта 1896 г., "принимая, во внимание его работы по теории электричества" [41]. В одном из писем Фицджеральда содержится поздравление Хевисайду по этому случаю и говорится, что профессор Перри провел основную работу, убеждая правительство присудить пенсию, но большую помощь ему оказал лорд Рэлей, а лорд Кельвин также интересовался этим делом. Фицджеральд добавляет: "Я рад, что Джону Перри удалось убедить министров Ее Величества, что страна должна выразить хоть какое-то признание по поводу Ваших ценных заслуг" [6].

В год, когда Хевисайду была присуждена пенсия, первым лордом казначейства был Бальфур. Ему принадлежат слова:

"Если за минувшее столетие материальный уровень цивилизации изменился, то это не является заслугой ни политиков, ни политических институтов. Мы обязаны этим непрерывным усилиям тех, кто развивает науку, и тех, кто применяет ее" [13].

Это, конечно, правильные слова, но зададим в связи с этим вопрос. Бальфур ведь не был специалистом в науке. Откуда же он мог знать о выдающемся вкладе Хевисайда в развитие точного знания? Вряд ли основную роль в просвещении Бальфура сыграл Джон Перри. Нет сомнения, что Перри высоко ценил Хевисайда и не жалел сил для того, чтобы выхлопотать ему пенсию. Но прислушался бы Бальфур к Джону Перри, если бы тот был один, хотя и сам по себе Перри имел большой авторитет в среде научной общественности? Вряд ли Перри смог бы подействовать на Бальфура в одиночку.

По-видимому, решающую роль в назначении Хевисайду пенсии сыграл Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей). И дело было не в том, что он обладал даром убеждения, способным подействовать на первого лорда казначейства, а в том, что жена Рэлея - Эвелин Бальфур была родной сестрой Артура Бальфура, первого лорда казначейства, а затем премьер-министра. Дядя Эвелин Бальфур, маркиз Солсбери. был министром иностранных дел при Дизраэли, а затем и премьер-министром (до Артура Бальфура). Оба, Солсбери и Бальфур, прислушивались к советам Рэлея относительно политики в науке и назначений. Говорят, что Рэлей уговорил маркиза Солсбери добиться титула баронета для известного физика Джорджа Габриэля Стокса в 1889 г. и произвести в 1892 г. сэра Уильяма Томсона в пэры как барона Кельвина Ларга. Биограф Рэлея Дж. Говард добавляет: "Однако Рэлей был консервативным человеком и своим научным влиянием на правительство пользовался очень осмотрительно" [73]. Мы не сделаем большой ошибки, если предположим, что в деле назначения пенсии Хевисайду помощь Рэлея была решающей, и к добрым делам Рэлея, упомянутых Говардом, следует добавить еще и это. Но, по-видимому, инициатива в этом деле принадлежала Джону Перри. Помогло также и благожелательное отношение лорда Кельвина.

Работы Хевисайда по телефонной связи, где были установлены условия связи без искажений, ждали экспериментального подтверждения, и время их подтверждения приближалось. Напомним, что в теории Хевисайда учитывались четыре параметра линии связи: емкость С, сопротивление R, индуктивность L и утечка G. Если эти параметры удовлетворяют соотношению RC = LG, то волны всех частот идут вдоль кабеля с одинаковой фазовой скоростью и с одинаковым затуханием. При этом форма сигнала при распространении не меняется, хотя, конечно, сигнал ослабляется. Хевисайд рассмотрел параметры существующих линий связи и пришел к выводу, что условие связи без искажений можно выполнить, если существенно увеличить индуктивность линии. Для этого были разные пути, и Хевисайд их обсудил. Еще в первом томе "Электромагнитной теории" он поместил раздел, озаглавленный "Различные пути, хорошие и плохие, ведущие к увеличению индуктивности линии". К тому времени он уже был не единственным, кто думал об этом. Под влиянием работ Хевисайда профессор Сильванус Томпсон, один из друзей Оливера, предложил увеличивать индуктивность линии с помощью катушек, подключаемых параллельно к двум проводам линии. Хевисайд предложил ряд других методов, ведущих к увеличению индуктивности в линии. Один из них впоследствии и нашел широкое применение. Вот что писал Хевисайд об этом методе:

"Вместо того чтобы добиваться получения большой и равномерно распределенной индуктивности, попробуем получить большую среднюю индуктивность. Или будем сочетать оба эти пути, и получим большую распределенную индуктивность вместе с индуктивностью в отдельных участках. Это означает включение в линию индуктивных катушек на определенных расстояниях друг от друга. Можно сказать, что точно так же, как можно заменить действие распределенной утечки с помощью утечки, сосредоточенной в определенных точках, так можно и воссоздать действие распределенной индуктивности, сосредоточив индуктивность в отдельных точках. Конечно, чем больше таких точек, тем лучше" [74].

У себя на родине это предложение Хевисайда получило мало признания. Нет пророка в своем отечестве. Английские авторитеты были глухи к идеям Хевисайда. Но ученые в Соединенных Штатах Америки отнеслись к идеям Хевисайда с большим вниманием. В частности, в лабораториях ведущей телефонной корпорации "Белл Систем" исследование возможностей, связанных с идеями Хевисайда, началось вскоре после того, как работы Хевисайда были опубликованы. В апреле 1891 г. сотрудник этой фирмы Джон Стоун Стоун написал отчет, в котором ссылался на "условие передачи без искажений, полученное мистером Хевисайдом". В этом отчете он рассчитал величину индуктивности, при которой междугородная телефонная линия Нью-Йорк-Бостон будет работать без искажений. По его словам, целью отчета было "показать, что желательно провести опыты с искусственной индуктивностью вдоль линии" [75].

С этого времени введение индуктивности в линию, или, как говорят, индуктивная нагрузка, стала предметом многочисленных докладов и исследований. Вначале существо проблемы понимали лишь частично, но к весне 1894 г. Стоун предложил использовать биметаллический проводник, у которого индуктивность оказывается значительно выше, чем у проводника, изготовленного из одного металла. Это предложение Стоуна указывало на ясное понимание проблемы [75]. Мало сомнения в том, что к этому пониманию Стоун пришел под влиянием очень ясной работы, которую Хевисайд опубликовал незадолго до этого, в ноябре 1893 г. [74]. Выдержки из этой работы мы приводили выше.

Спустя несколько лет предвидение Хевисайда относительно нагруженной линии стало реальностью. Если говорить о наземных линиях, то индуктивная нагрузка была сделана не распределенной (вариант с распределенной нагрузкой подробно исследовал Стоун), а с помощью подключения катушек к линии на определенных расстояниях. Вариант этот был разработан независимо Кемпбеллом и Пьюпином.

В 1899 г. профессор Колумбийского университета Майкл Пьюпин создал первую линию связи, нагруженную по Хевисайду. Эту линию он создал в своей лаборатории в Колумбийском университете и описал в работе, вышедшей из печати в мае 1900 г. Проверка теории Хевисайда, которую тот ждал много лет (условие связи без искажений Хедисайд сформулировал в 1887 г., а методы индуктивной нагрузки кабеля с помощью подключения катушек к линии - в 1893 г.), была, наконец, вполне успешно проведена и дала надежное подтверждение точности и глубины анализа, проведенного Хевисайдом. В своей работе, описывающей нагруженный кабель, Пьюпин писал:

"Господин Оливер Хевисайд из Англии, на глубоких исследованиях которого основана главным образом современная математическая теория распространения электромагнитных волн, был зачинателем и самым горячим защитником волновых линий с высокой индуктивностью. К его советам не прислушались в той мере, в какой они этого заслуживали, и уж заведомо к ним не прислушались в его родной стране" [76].

Пьюпин создал экспериментальный кабель и нагрузил его индуктивными катушками в полном соответствии с советами Хевисайда. Можно в связи с этим напомнить, что перед прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Варлей и Мюрхед также изготовили лабораторный образец, исследование которого сильно облегчило всю дальнейшую работу. Так и в случае кабеля, созданного Пьюпином, стало возможно легко провести все необходимые измерения, т.е. стало возможным самое широкое подтверждение теории Хевисайда, что далеко продвинуло дело телефонии на большие расстояния. В своей работе Пьюпин экспериментально подтвердил, что проводник с высокой и равномерно распределенной индуктивностью можно с успехом заменить на такой, в котором имеются участки сосредоточенной индуктивности, расположенные на определенных регулярных расстояниях по длине проводника. Доктор Дж.А. Кемпбелл из "American Telephon and Telegraph Co." примерно в то же время подал заявку на патент, содержание которого практически совпадало с тем, что сделал М. Пьюпин. В возникшем споре приоритет был присужден Пьюпину, ему и были выданы патенты [77]. Интересно, что в своей статье, посвященной, по существу, проверке идей Хевисайда, Пьюпин воздает ему должное. Но патенты он получил единолично. И всеми выгодами от их получения (продал "American Telephon and Telegraph Go".) Пьюпин тоже воспользовался единолично. Еще раз подтвердились слова Хевисайда о том, что он является филантропом и его задача - приносить пользу своим ближним, даже тем, кто получает от этого выгоду.

На своей родине Хевисайд получил мало признания. Но фундаментальные принципы, сформулированные Хевисайдом, нашли признание не только в Соединенных Штатах Америки. Примерно в то же время начались аналогичные исследования во Франции. Дево-Шарбоннель, главный инженер Французской почтовой и телеграфной службы, вспоминал в 1917 г., что еще в 1887 г. инженер почтовой службы Ваши решил дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее распространение сигнала вдоль линии, причем сделал это независимо от Хевисайда [78]. Однако перед выходом из печати своей работы, Ваши прочитал статьи Хевисайда в "Philosophical Magazine" и полностью признал приоритет Хевисайда.

Ж. Бетено пишет об этом более подробно. Он пишет, что Ваши вывел телеграфное уравнение, не зная о работах Хевисайда, и рассмотрел с помощью этого уравнения ряд задач, в частности распространение сигнала по неоднородному кабелю, влияние условий на концах линии и т.д. Еще ранее, в 1884 г., на страницах журнала "Annales Telegraphiques" Ваши объявил, не приводя, к сожалению, никаких расчетов, что телефонная связь может быть существенно улучшена с помощью самоиндукции.

"Таким образом, - не без печали пишет Бетено, - важный вопрос телефонии на большие расстояния рассматривался одновременно и независимо в работах двух великих ученых, которые не извлекли из своих работ никакой материальной выгоды, несмотря на огромное практическое значение результатов" [14].

В 1896-1897 гг. администрация французской почты, по утверждению Дево-Шарбоннеля, осуществила изготовление нагруженых кабелей того же типа, что и изготовленные Пьюпином. Вся эта работа была проделана сотрудником Французской почтовой службы Барбара [78].

Индуктивную нагрузку линии с помощью расположенных на равных расстояниях катушек индуктивности Хевисайд называл heavification - хевификация. Это было полушутливое название. Слово "heavification" можно перевести двояко: либо "утяжеление", либо "выполнение совета, данного Хевисайдом".

Но многие, не знавшие работ Хевисайда, называли индуктивную нагрузку "пьюпинизация". Я сам видел то место в первом томе "Электромагнитной теории" (с. 445), где Хевисайд предлагает подключить к линии сосредоточенную индуктивность. И вот на этой странице читатель оставил надпись карандашом: "pupinization". Индуктивная нагрузка была предложена Хевисайдом, а называлась "пьюпинизация". Понятно, почему Хевисайд стал говорить: "хевификация". Он хотел подчеркнуть, что все делалось по его, Хевисайда, идее. Но название "пьюпинизация" довольно прочно утвердилось среди инженеров, Хевисайду и тут не повезло.

Здесь следует оговориться, что линия с сосредоточенной и периодически повторяющейся индуктивностью - это не совсем то же самое, что линия с индуктивностью, распределенной равномерно.

Расчет линии, нагруженной сосредоточенной индуктивностью ("хевифицированной" линии), эквивалентен расчету колебаний струны, на которой закреплены сосредоточенные массы, расположенные на равных расстояниях друг от друга. Задачу с сосредоточенными массами на струне рассматривал еще Лагранж. Результат рассмотрения сводится к следующему: если длина волны, бегущей по струне, много больше, чем расстояние между закрепленными массами, то волна распространяется точно по такому же закону, как волна, бегущая по однородной струне с такой же средней массой на единицу длины.

Индуктивная нагрузка, как следовало из первых экспериментов Пьюпина, обещала столь радикальное улучшение связи, что этим делом заинтересовалось Британское почтовое ведомство. В 1901 г. оно начало эксперименты с индуктивными катушками или, как их стали позднее называть, нагрузочными катушками. Идеи Хевисайда вернулись на его родину через Атлантический океан. К тому времени сэр Уильям Генри Прис уже два года как не был главным инженером Британского почтового ведомства. Уход Приса со своего поста был отмечен Хевисайдом. В предисловии ко второму тому "Электромагнитной теории" он привел некоторые неверные высказывания Приса, изложил свои возражения (высказанные в довольно ехидной форме) и закончил предисловие словами:

"Следует надеяться и предполагать, что недавние важные удаления в Британском телеграфном ведомстве приведут к значительному повышению качества официальной науки. Приведенные выше два примера показывают, насколько велика нужда в улучшениях. Можно дать и другие примеры. Книга может помочь в этом" [79].

Интересно здесь отметить, что в 1950 г., когда исполнилось 100 лет со дня рождения Хевисайда, Институт инженеров-электриков организовал торжественное заседание, посвященное его памяти. На этом заседании в числе других выступил сэр Арчибалд Гилл, главный инженер Британского почтового ведомства. Он, в частности, сказал:

"Мы все сожалеем, что предложения Хевисайда по улучшению телефонной связи путем индуктивной нагрузки не были достаточно быстро оценены моим предшественником сэром Уильямом Присом...
...Хевисайд был горько разочарован, когда его предложения были оставлены без внимания, и это ожесточило его, о чем добродушный человек, подобный сэру Уильяму Прису, первый должен был бы пожалеть. Последующие главные инженеры почтового ведомства не скупились на признание важности работы Хевисайда, но, как сказал сэр Томас Пэрвэс в своей президентской речи: «Оливеру Хевисайду природа не дала, к несчастью, способность излагать свои взгляды в доступной форме. Его гений в науке об электричестве был в полной мере признан, в основном при его жизни, но, пожалуй, трагически поздно».
Следует, пожалуй, сказать, что в то время, когда Хевисайд отстаивал введение добавочной индуктивности в кабели, еще не было практических способов, с помощью которых такая индуктивность могла быть добавлена. В самом деле, Хевисайд предлагал использование составного проводника, представляющего собой пучок тонких железных проводов, заключенных в медную оболочку. Повсеместное развитие и применение индуктивной нагрузки пошло только после того, как Пьюпин показал, что можно добавлять индуктивность в виде эквидистантно расположенных катушек" [80].

В этом выступлении хотя и воздавалось должное Хевисайду, но все же были высказаны две причины, по которым не следует так уж винить Британское почтовое ведомство в несвоевременном признании Хевисайда. Первая причина: Хевисайд непонятно излагал свои взгляды. Но ведь его понимали, несмотря на трудность изложения. Не понимали его в Британском почтовом ведомстве.

Вторая причина: до опытов Пьюпина никто не понимал (и Хевисайд в том числе), как надо увеличивать индуктивность линии. Но это тоже неверно. Хевисайд предложил несколько способов увеличения индуктивности, в том числе способ, которым через несколько лет воспользовался Пьюпин.

Таким образом, выступление в 1950 г. главного инженера Британского почтового ведомства сэра Арчибалда Гилла все же не вполне воздавало должное Оливеру Хевисайду. Как тут не вспомнить сэра Уильяма Приса!

Но так или иначе, а в 1901 г. Британское почтовое ведомство начало опыты по добавлению индуктивных катушек к линии связи. Один из биографов Хевисайда сэр Джордж Ли, впоследствии президент Института инженеров-электриков, а тогда молодой инженер, принял участие в этой работе. В тот год была экспериментально нагружена полная линия - первый кабель Лондон- Бирмингем. Сохранившийся старый отчет показывает, что даже после того, как начались эксперименты, теория нагрузки была до некоторой степени тайной для инженерного департамента. Отчет начинается с утверждения, что он, этот отчет, "содержит и стремится довести до читателя физическую идею математического рассмотрения, с помощью которого наиболее передовые мыслители получили свои формулы для телефонной связи. Некоторые из применяемых математических формул крайне непонятны" [80].

В 1903 г. была нагружена и начала эксплуатироваться линия Ливерпуль-Уоррингтон. Использовались катушки с воздушными сердечниками емкостью в 45 миллигенри. Было отмечено "улучшение в 2,75 раза" [77]. Неясно, как именно измерялся этот множитель, но приведенная цифра несомненно есть результат какого-то субъективного сравнения между нагруженной и ненагруженной линиями. Последовали длительные полевые эксперименты, целью которых было получение практических сведений в деле нагрузки, и число нагруженных действующих кабелей стало расти. Сразу же после первой мировой войны нагрузка всех проводников в главных подземных кабелях превратилась в стандартную практику. Протяженность нагруженных линий стала быстро расти. Доктор Бакли, который в 1950 г. был президентом компании "Белл Телефон Лабораториз", в своем выступлении на собрании но случаю столетия со дня рождения Хевисайда привел такие данные. К 1920 г. только в Америке нагрузка была установлена на дальних телефонных линиях протяженностью приблизительно 300 000 миль (более 400 000 км) [75].

Современные телефонные кабели для связи на большие расстояния не нагружаются индуктивными катушками. Это объясняется тем, что по кабелю идет высокочастотная волна, частота которой называется несущей частотой. Телефонные переговоры ведутся, как говорят, на несущей частоте, это означает, что человеческая речь модулирует амплитуду (или фазу) волн с несущей частотой. Для несущей частоты (она довольно высока) нет надобности в индуктивной нагрузке. Однако для линий сравнительно небольшой протяженности установка генератора несущей частоты экономически невыгодна, и в этих случаях по-прежнему применяется индуктивная нагрузка. Доктор Бакли привел еще такие данные: к 1949 г. число нагрузочных катушек только на линиях системы "Белл Телефоны составляло приблизительно 20 000 000 (двадцать миллионов) [75]. Значительной была также протяженность кабелей с распределенной нагрузкой (главным образом подводных). Все это вызвало повышение качества, а с ним и бурное развитие телефонной связи. Но мало кто понимал, что триумф телефона был в решающей степени обусловлен идеями Хевисайда.