Летопись электричества

Глава 40. «НАЕДИНЕ С ПРИРОДОЙ»

— С НОВЫМ ГОДОМ, Александр Степанович! с Новым годом! — наперебой выкрикивали учащиеся Кронштадтского морского технического училища, тесным кольцом окружив в коридоре своего любимого педагога А. С. Попова.

Сегодня они его увидели впервые после зимних каникул.

— Спасибо, друзья! Примите и вы мое искреннее ответное поздравление. Должен заметить, что наш новый 1894 год начался слишком печальным событием…

— В чем дело, Александр Степанович? — насторожившись, спросили ученики.

— Друзья мои! Вчера мне сообщили, что второго января этого нового года в Германии скончался знаменитый физик Генрих Герц. Смерть Герца — непоправимая утрата для науки. Он умер на тридцать седьмом году жизни, в полном рассвете своих творческих сил. Его убила чахотка. Умер тот великий физик Герц, который всего лишь шесть лет назад сделал бессмертное открытие…

Александр Степанович принадлежал к той группе ученых, которые внимательно следили за историей развития своей науки.

— Да, друзья мои! Нить жизни Герца оборвалась! — Но неразрывна нить науки, которая протянулась к Герцу от отцов науки об электричестве и от него к последующим поколениям… Открытие Герца не есть случайность.

Достаточно хотя бы бегло проследить путь науки за последние шестьдесят лет, чтобы в этом убедиться…

29 августа 1831 года Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции.

Через двадцать один год после этого открытия Фарадей разработал понятие о магнитном поле и магнитных силовых линиях и тем самым показал, что электрические и магнитные силы действуют через посредство промежуточной среды.

Опыты и догадки великого Фарадея подтвердились в строгих математических исследованиях другого замечательного английского физика, Джемса Максвелла. Максвелл родился в 1831 году, в знаменательный год открытия электромагнитной индукции, а умер, еще в полном расцвете сил, в 1879 году. Начиная с 1864 года Максвелл постепенно переводил на язык математики великие идеи Фарадея об электромагнитном поле.

Максвелл исходил из предположения, что существует особая всепроникающая среда, так называемый эфир, который является средой, в которой распространяются электромагнитные колебания, или волны.

Представьте себе, что в каком-то месте этой среды изменилось электрическое поле. По гипотезе Максвелла в этом месте должно тотчас же возникнуть магнитное поле, и так как оно является переменным, то это должно снова вызвать появление электрического поля, и так далее. В результате в пространстве образуется электромагнитная волна, которая распространяется во все стороны со скоростью света.

Длиной волны мы называем расстояние между двумя соседними гребнями ее. Представьте себе птицу, летящую над одним и тем же передвигающимся вперед гребнем морской волны. Скорость полета этой птицы может быть принята за мерило скорости распространения волны.

Представьте себе несжатое поле при ветре. Пусть каждый колос сначала под давлением ветра наклоняется, а потом вновь выпрямляется. Наблюдателю покажется, что по полю пробежала волна, словно по поверхности, воды. Число наклонов или выпрямлений колоса в течение одной секунды дает представление о частоте его колебаний.

Скорость распространения электромагнитных волн, по исследованиям Максвелла, оказалась равной скорости света в пустоте — 300 000 километров в секунду.

Генрих Герц родился в Гамбурге 22 февраля 1857 года. Здесь, в родном городе, он получил среднее образование. С октября 1878 года Герц начал слушать лекции Гельмгольца и Кирхгофа. Через два года Герц выполнил первую научную работу и стал ассистентом Гельмгольца. С 1883 года Герц работал в качестве преподавателя теоретической физики в университете города Киля. Здесь Герц тщательно изучил электромагнитную теорию Максвелла.

В 1879 году одна из европейских научных академий объявила премию за опытное доказательство существования электромагнитных волн. По предложению Гельмгольца, в 1886 году Герц приступил к своим знаменитым опытам. Гельмгольц напряженно следил за ними, ожидая важных результатов.

Герц никогда не был книжным ученым, теория и опыт все время чередовались и гармонично сочетались в его работе.

— Когда я работаю только с книгами, меня не оставляет чувство, что я совершенно бесполезный член общества, — говорил Герц.

По двенадцать часов просиживал он за лабораторным столом, оставаясь, как он говорил, «с природой наедине».

Герцу было известно, что почти шестьдесят лет тому назад (в 1826 году) французский физик Феликс Савар пытался, разряжая лейденскую банку через спиралевидный разрядник, намагнитить заложенную внутри катушки стальную иглу.

Зная заранее, на какой из обкладок был расположен положительный и на какой отрицательный заряд, Савар намеревался на определенном конце иглы получить северный магнитный полюс.

Савар много раз тщательно повторял свой опыт. Однако результат опыта почти всегда не соответствовал его предсказанию. Савар никак не мог объяснить причины такого несовпадения. И лишь через тридцать пять лет после этого физик Феддерсен, заинтересовавшись опытом Савара, дал правильное объяснение этому несовпадению. Феддерсен выяснил, что разряд лейденской банки имеет колебательный характер.

Это значит, что разрядный ток идет сначала от наружной обкладки банки к внутренней, а потом обратно. Так происходит очень быстро и много раз.

Происходят колебания большой частоты. И от того, на какой стадии колебание прекращается, зависит результат намагничивания иглы.

Но что такое лейденская банка?

Ведь это конденсатор, т. е. собиратель, сгуститель электричества, — тот удивительный сосуд, которым увлекались еще Ломоносов и Рихман.

Выходит, что цепь, состоящая из конденсатора, присоединенного к индукционной катушке (спираль в опыте Сазара), при пропускании через нее тока способна создавать электрические колебания — «электрический маятник». Все это Герц хорошо знал, так же как и математическую теорию электрических колебаний, разработанную знаменитым английским физиком Вильямом Томсоном.

И вот в 1886 году Герц взял два медных стержня толщиной в 5 миллиметров, по концам их насадил по одному маленькому (диаметром в 3 сантиметра) и одному большому шару (диаметром в 30 сантиметров). Эти стержни он укрепил вертикально на одной прямой линии, расположив маленькие шары вблизи друг друга, на расстоянии в 7 миллиметров. Между большими шарами (их центрами) расстояние было равным примерно 1 метру. К стержням около маленьких шаров Герц присоединил концы вторичной обмотки катушки Румкорфа. Этот аппарат Герц назвал вибратором, то есть источником колебаний, или излучателем электромагнитных волн.

В промежутке между маленькими шарами проскакивали искры, получаемые при помощи катушки Румкорфа. От этого в окружающую среду излучались электромагнитные волны. Герц так подобрал размеры частей своего аппарата, что время одного колебания в цепи вибратора составляло одну шестидесятимиллионную долю секунды.

При этом возникали волны длиной в 5 метров.

Но как поймать эту электромагнитную волну? Как обнаружить ее существование?

Учитель Герца, великий физик Гельмгольц, сделал много ценных исследований в учении о звуке. Знакомство с этими работами помогло Герцу решить и вторую часть задачи.

Звук, как и свет, отражается от поверхности, на которую он падает. Этим объясняется, например, такое явление, как эхо.

Герц знал также, что несколько звуковых или световых волн, распространяясь по одному и тому же направлению, взаимодействуют между собой. Из сложения нескольких волн может быть получена одна волна. Это явление сложения волн называется интерференцией. Если у двух волн совпадают их гребни, то в результате сложения получается волна еще более высокая.

В том случае, когда по одному направлению распространяются две волны — одна движется вперед, а другая, отраженная, движется назад, — могут возникнуть особого рода стоячие волны. Такие волны легко получить, если взять длинную веревку, укрепить ее на одном конце, а по другому послать толчок. Возникшая на веревке волна побежит к упору и отразится от него. Если посылать по веревке такие толчки один за другим, то в результате взаимодействия прямых волн, идущих к упору, и встречных, отраженных волн возникнут стоячие волны.

В так называемых узлах взаимодействующие волны как бы уничтожают друг друга. Наоборот, в других местах, называемых пучностями, проявляется наибольший результат взаимодействия прямой и отраженной волн.

Вспомним еще одно явление. Если взять два одинаковых камертона и заставить звучать один из них, то и второй камертон, расположенный невдалеке, тоже начнет звучать, как бы откликаясь. Это явление резонанса.

Исходя из этих явлений, Герц рассчитал, что приемником-резонатором для электрических лучей — может служить кусок проволоки, согнутый по кругу диаметром в 70 сантиметров. В одном месте это проволочное кольцо было перерезано — для образования искрового промежутка.

На расстоянии 13 метров от излучателя волн Герц установил вертикальную металлическую стенку для отражения электромагнитных волн. Затем он включил источник тока и начал исследовать пространство между местом колебательного разряда и металлической стенкой.

Почему именно так поступал Герц?

Он хотел обнаружить электромагнитную волну с длиной в 5 метров, образуемую колебательным разрядом от больших шаров. На взятом промежутке этого вполне можно было достигнуть. Кроме того, Герц стремился доказать, что электромагнитные волны, как и звуковые, при отражении взаимодействуют между собой (прямая с отраженной) и при этом возникают стоячие волны с узлами и пучностями.

И действительно, когда Герц перемещал свой резонатор вдоль воображаемого направления волны, то только в строго определенных местах в резонаторе проскакивали искры. При перемещении резонатора вправо и влево искр не было заметно. В первом случае резонатор оказывался в местах пучностей, а во втором — в узлах стоячих волн.

Этими прекрасными опытами Герц доказал существование стоячих электромагнитных волн, а вместе с тем также и то, что эти волны действительно распространяются со скоростью света.

Дальнейшими опытами Герц доказал сходство свойств световых лучей и «лучей электрических» (так вначале Герц называл электромагнитные волны). Свои опыты над электрическими лучами он выполнял на приборах, похожих на те, с помощью которых демонстрируют свойства световых лучей.

В ряде опытов Герц применял отражательные поверхности из металлических стенок, и при этом электрические лучи подчинялись общеизвестному закону оптики (угол падения равен углу отражения) и, отражаясь, вызывали в резонаторе искру.

Наконец, Герц пропускал электрические лучи через трехгранную смоляную призму, и лучи при этом преломлялись. Он заметил, что электрические лучи легко проходили через деревянные стены и двери и вообще через непроводники электричества (диэлектрики). Электрические лучи проходили и через очень тонкие листочки металлов.

Опыты Герца были воспроизведены во многих научных лабораториях. Теперь уже никто не сомневался в том, что взгляды Фарадея — Максвелла правильны.

Несколько позже (в 1890 году) французский физик Эдуард Бранли, изучая опыты Герца, сделал одно важное открытие. Он заметил, что под влиянием электрических лучей резко изменяется сопротивление металлических опилок.

Он насыпал металлические опилки в стеклянную трубку. Через пробки, закрывавшие трубку с обоих концов, внутрь были пропущены концы медных проволок, соединенных с гальванической батареей. В эту же цепь он включил и гальванометр. Однако гальванометр никакого тока в цепи не обнаруживал; очевидно, столбик металлических опилок при обычных условиях имеет громадное сопротивление. Но лишь только начал работать герцевский излучатель волн, установленный в другом конце лаборатории, как в цепи сразу же появился ток и стрелка сдвинулась с нуля.

Бранли правильно заключил, что электрические лучи, или электрические волны, падая на трубку с металлическими опилками, вызывают образование как бы мостиков между отдельными опилками и сопротивление всего столбика опилок резко уменьшается. Если слегка ударить по трубке, то установившиеся под действием электрических лучей проводящие мостики разрушаются и ток батареи прекращается; сопротивление опилок снова становится очень большим.

С приборами Бранли оказалось гораздо легче повторять интереснейшие опыты Герца.

Александр Степанович положил на карниз доски тряпку и мел. Он осторожно достал из кармана носовой платок и стал стряхивать с себя меловые пылинки. В классе было тихо.

— У меня в лаборатории минной школы, — сказал Александр Степанович, — можно воспроизвести опыты Герца. Те, кому это интересно, могут меня навестить.

Покинув аудиторию, Александр Степанович прошел из класса к вешалке, накинул на себя плохонькую, мало защищавшую от морозного ветра шубу и вышел на улицу.

Лекция оказалась полезной не только для слушателей, но и для лектора. У Александра Степановича возникла какая-то новая мысль…

Электричество и электротехника так глубоко захватили этого человека, что только ими и жил молодой русский ученый.

Александр Степанович неторопливо шел по морозным улицам Кронштадта, не чувствуя холода. Мысли его безостановочно вращались вокруг все той же оси — вокруг опытов Герца.

Александра Степановича мучила загадка, которую оставил великий физик.

В одном из журналов, в статье, посвященной значению опытов Герца, было рассказано, что когда мюнхенский инженер Губер еще в 1889 году предложил Герцу использовать открытые им электрические лучи для целей телеграфной связи без проводов, великий физик не только не поддержал автора предложения, но даже постарался разубедить его в возможности этого.

В то же время знаменитый английский физик Вильям Крукс напечатал статью, в которой высказывал твердую уверенность в возможности подобного применения открытых Герцем электрических лучей. Крукс указывал, что такой вывод убедительно подсказывал доклад и опыты другого английского физика, Оливера Лоджа. Эти опыты, с целью подтверждения взглядов Фарадея — Максвелла, Лодж вел независимо от Герца и в 1889 году демонстрировал их в Королевском институте.

«Время телеграфа без проводов наступило! Это не мечта фантазирующего ученого или философа, — писал Крукс. — Мы можем ежедневно ожидать превращения этой мечты в реальность».

«Как все это связать? — спрашивал себя Александр Степанович. — Можно ли не верить Герцу и верить Круксу? Ученые осуждают Крукса за его позорные для физика увлечения духами и спиритическими фокусами. Но в данном случае утверждениям Крукса хочется верить…

Почему бы действительно такой мечте не стать реальностью? Какое огромное значение могла бы иметь для человечества связь без проводов, при помощи электрических лучей!

…Далеко в море, где плавает судно, куда лишь за много дней может добраться самая быстролетная птица, туда со скоростью света легко прибежит электрический луч беспроволочного телеграфа… Корабль больше не будет оторван от всего мира».