 |
Артур Кларк
Голоc через океан |
XVI. ЧЕЛОВЕК ДО ЭЙНШТЕЙНА
|
Артур Кларк
Голоc через океан |
XVI. ЧЕЛОВЕК ДО ЭЙНШТЕЙНА
Описание событий в тихой жизни Оливера Хевисайда легко умещается в несколько абзацев. Он родился в Лондоне 18 мая 1850 года - за три месяца до прокладки первого подводного кабеля - и умер в возрасте семидесяти пяти лет, 3 февраля 1925 года. По природе замкнутый, он никогда не был женат и большую часть жизни провёл в полном одиночестве, изредка встречаясь с немногочисленными друзьями. Юношей Хевисайд некоторое время работал телеграфистом в Дании, но в возрасте двадцати лет вернулся на родину и больше уже никогда за границу не выезжал. Большинство своих наиболее важных исследований Хевисайд осуществил в восьмидесятые годы. Его метод работы несколько необычен и вряд ли может быть кому-нибудь рекомендован. Большой любитель тепла, Хевисайд плотно закрывал окна и двери своей комнаты, зажигал газовую горелку, камин и трубку и усиленно работал в те немногие часы, пока температура в комнате держалась выше 30 градусов Цельсия. Хевисайд не отличался крепким здоровьем и всю жизнь очень страдал от этого.
После смерти родителей в 1896 году Хевисайд в течение двенадцати лет жил один. Затем он переехал в Торки (графство Девоншир), где провёл последние 17 лет жизни. Одно время за ним ухаживала сестра жены его брата, но эта добрая душа с трудом мирилась с причудами гения и через восемь лет она оставила его одного. Хотя Хевисайд и был довольно трудным человеком, несколько друзей всё же нашли доступ к его сердцу. Начиная с 1919 года и до конца жизни Хевисайда опекал участковый полисмен, констебль Генри Брок. Его дочь регулярно приносила Хевисайду продукты. Последний выражал благодарность Броку в объёмистых письмах, иллюстрированных рисунками. К сожалению, после смерти констебля Брока в 1947 году разыскать эти письма не удалось.
Хевисайд не был богат, но в то же время нужды не испытывал. Частные лица и организации неоднократно пытались помогать ему, однако это им редко удавалось. Дело в том, что уже первые столкновения Хевисайда с консервативными математиками того времени оставили чувство горечи в душе этого застенчивого и склонного к уединению человека. Он плохо слышал, и это также затрудняло общение с людьми.
Попытки оказать ему финансовую помощь нередко разбивались о его упрямое желание сохранить свою независимость; подчас он, как и актриса Патрик Кэмпбелл, уподоблялся, выражаясь словами Бернарда Шоу, "тонущему кораблю, стреляющему в своих спасителей".
Немногие сохранившиеся фотографии Оливера Хевисайда
Нельзя, конечно, считать, что Хевисайд был учёным, гениальность которого не обратила на себя внимание его современников. Исследования в области электромагнетизма и дальней связи задолго до смерти принесли Хевисайду известность. Его удостоили высшей научной почести, избрав членом Королевского Общества. Профессор В. Бьёркнес, известный норвежский метеоролог, однажды заметил: "Я бы представил Хевисайда к Нобелевской премии, но боюсь, что это будет на сотню лет раньше, чем следует по его открытиям".
В 1921 году институт инженеров-электриков учредил высшую награду - медаль Фарадея, и Хевисайд стал первым её обладателем. Президент института инженеров-электриков так описывает своё посещение Хевисайда в связи с вручением ему этой награды:
"Хевисайд жил совершенно один, в довольно приятном, но запущенном домике, в Торки. Я застал его одетым в старый халат, с метлой в руках. Он старался смести с дорожки, ведущей к дому, опавшие листья. Хевисайд был рад моему приходу, он застенчиво улыбнулся и проводил меня через заставленный пыльной мебелью зал. Он заявил, что роскошное, написанное на веленевой бумаге, переплетённое кожей свидетельство на медаль - ненужное расточительство, и утешился лишь тем, что медаль бронзовая, а не золотая...".
Дом Хевисайда в городке Торки
Один из немногих посетителей, регулярно навещавший Хевисайда в его последние годы, вспоминает о таком визите, состоявшемся незадолго до того, как Хевисайд был помещён в больницу.
"Прежде всего я должен был помочь ему найти место утечки газа в горелке, что мы и сделали с помощью зажжённой свечи. Затем Хевисайд начал приготовлять чай. В небольшой чайник он положил целый пакет чаю весом в четверть фунта и заварил его. Мне пришлось выпить огромную чашку этого настоя, причём он добавил в неё солидную порцию сгущенного молока. Посуда, из которой мы пили, совсем не напоминала чайную. Вместо скатерти стол был покрыт листом газеты «Таймс»...Лишь в последние дни жизни Хевисайд был окружён заботой и вниманием. Однажды январским вечером констебль Брок, зайдя к Хевисайду, застал его без сознания. Хевисайда на санитарной машине немедленно доставили в больницу (кстати, это первый и последний случай, когда он ехал в автомобиле); там он быстро пришёл в себя. За ним был надлежащий уход, к нему тепло, с нежной заботой относились сестры и сиделки. Однако годы взяли своё, и спустя несколько недель Хевисайд умер.При всей своей эксцентричности Хевисайд производил вполне благоприятное впечатление. Уже в довольно пожилом возрасте, он, по описанию современников, был поразительно красивый мужчина с живыми глазами, гордо посаженной головой, пышными белыми волосами и с изысканными манерами «джентльмена старой школы»".
Вот коротко и всё об этом человеке. Но эта ничем внешне не примечательная жизнь преображается, если рассматривать её под углом зрения его исследовательских работ. Большая серия научных статей и три объёмистых тома "Теории электромагнетизма" - вот итог жизни Хевисайда.
Ряд научных выводов Хевисайд получил чисто математическим путём, создав так называемый операторный метод, чем немало шокировал своих коллег. Хевисайд оперировал математическими знаками так, как если бы это были числа. Простые арифметические знаки не являются сами по себе числовыми выражениями, но устанавливают зависимость между числами и по существу управляют ими. Все они есть операторы. Наиболее сложными операторами являются знаки дифференциального и интегрального исчислений; Хевисайд предпочитал иметь дело с первым из них.
Хевисайд создавал уравнения, которые состояли лишь из знаков-операторов (это можно сравнить с предложениями, состоящими из одних глаголов, без существительных или местоимений); возникла совершенно новая математическая зависимость между числами. Поэтому не удивительно, что математики встретили его метод в штыки. Английский геофизик Гарольд Джефрис однажды заметил: "Хевисайд неоднократно получал неправильные ответы, но метод, которым он пользовался, и особая математическая интуиция позволяли ему самому обнаруживать ошибки. Однако тот факт, что это удавалось ему, не служит гарантией успешного использования метода кем-либо другим".
Естественно, что Хевисайд почти не имел последователей. Больше того, некоторые учёные заявляли, что его статьи малопонятны и трудно читаются. На это Хевисайд однажды остроумно ответил: "Трудно читаются? Возможно. Но пишутся они ещё труднее".
Используя основы физики, Хевисайд установил зависимость между массой и энергией тела задолго до того, как она стала известна учёному миру. К 1890 году в своих исследованиях он уже пришёл к подтверждению зависимости Е = mc2 (где с - скорость света), предвосхитив таким образом на 15 лет более общую формулировку этого закона Эйнштейном. Это самое поразительное и менее всего известное широкой публике достижение Хевисайда.
Как и Эйнштейн, Хевисайд в последние годы жизни работал над теорией единого поля, которая объединяет электричество, магнетизм и силы притяжения. Результаты исследования он изложил в четвёртом томе своей "Теории электромагнетизма", но этот том не был опубликован. Несмотря на усиленные поиски, рукопись обнаружить не удалось. Однако известно, что она существовала и что Хевисайд передал её какому-то американскому издателю, отказавшемуся выдать ему аванс в сумме тысячи фунтов стерлингов.
Здесь заключена мучительная загадка, одна из тех, которые никогда не будут разрешены. Подобно этому, остались неизвестными последние слова, произнесённые умирающим Эйнштейном, - и лишь по той причине, что сиделка не понимала по-немецки. Безусловно, копия рукописи имелась у Хевисайда дома, но, когда его поместили в больницу, никто, видимо, не подумал об этой стороне дела. Сообщение о смерти Хевисайда было немедленно передано Би-би-си. На другой же день предприимчивый вор-взломщик проник в пустой дом. Ценностей он там, конечно, не нашёл, но украл много книг и рукописей. И вполне возможно, что современные физики бьются над какой-либо проблемой, решение которой было украдено февральской ночью 1925 года.
Тем не менее, Хевисайд оставил достаточно богатое наследие для того, чтобы занять прочное место в ряду выдающихся математиков и физиков и, в частности, теоретиков дальней связи. Как и лорд Кельвин тридцатью годами раньше, Хевисайд вплотную занимался проблемой передачи электрических сигналов по подводному кабелю на дальнее расстояние, но он работал уже над комплексом вопросов передачи высокоскоростных импульсов речи, а не относительно медленных телеграфных сигналов.
Для удовлетворительной работы телеграфа достаточно передавать от 100 до 200 импульсов в секунду, причём незначительные искажения вполне допустимы, так как при этом сигнал кода Морзе воспроизводится приёмной аппаратурой более или менее правильно. Но для передачи речи требуется порядка 2500 импульсов в секунду, а искажения практически не допускаются. Нижние частоты грубого баса и верхние частоты визгливого сопрано - все должны передаваться с одинаковой чистотой.
В действительности так не бывает. Есть две причины, препятствовавшие разрешению проблемы передачи человеческой речи на значительные расстояния по обычному подводному кабелю. Первая причина заключается, выражаясь популярно, в ослаблении сигналов по мере прохождения их вдоль линии. Это обстоятельство осложняется тем, что высокочастотные сигналы затухают быстрее низкочастотных. С тем же, между прочим, мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Когда мы слушаем духовой оркестр на большом расстоянии, до нас доносятся звуки барабана, а не флейты. Таким образом, существует разница в проходимости сигналов высоких и низких частот при распространении звуковых волн по воздуху; в случае же подводного кабеля эта разница значительно возрастает.
Она может быть несколько скомпенсирована повышением напряжения высоких частот передачи; примерно с той же целью мы регулируем тональность, слушая радиопередачу через приёмник. Но при передаче по подводному кабелю наступает такой момент, когда и эта мера не помогает.
Вторая причина, препятствовавшая нормальной передаче человеческой речи по подводному кабелю, причём причина более серьёзная и коварная, чем первая, состоит в том, что сигналы разных частот проходят по кабелю с различной скоростью. К счастью, в обычной жизни, когда звуки передаются по воздуху, это практически мало заметно. В противном случае были бы просто ужасные результаты. Музыку, например, мы воспринимать бы не могли. В симфоническом оркестре инструменты звучат одновременно, но до нас звуки отдельных инструментов доходили бы в различные моменты времени, и вместо музыкального произведения человеческое ухо слышало бы бессмысленный хаос звуков. Даже разговорная речь была бы возможна только на определённом расстоянии. Если, скажем, в этих условиях произнести слово "нонсенс", то высокочастотный звук "с" достигнет ушей слушателя раньше, чем низкочастотное "н", и произнесённое слово полностью исказится, превратясь в то, что оно и означает (нонсенс - глупость, бессмыслица).
Это явление происходит в подводном кабеле в результате его значительной электрической ёмкости, о чём мы уже упоминали в пятой главе. Однако кабель характеризуется не только ёмкостью, но и индуктивностью. Двумя другими характеристиками кабеля - сопротивлением его токопроводящих жил и проводимостью изоляции - мы пренебрегаем, так как они несоизмеримо малы по сравнению с ёмкостью и индуктивностью *. Эквивалентным понятием в механике является инерция. Электрическая цепь в этом смысле напоминает материю, обладающую определённой инертностью; требуется некоторое время для того, чтобы величина тока в цепи изменилась при изменении приложенного напряжения. У подводного кабеля очень малая индуктивность, что на первый взгляд может показаться фактором положительным. Но когда Хевисайд завершил исследование данного вопроса с помощью математического анализа, он, к своему удивлению, обнаружил, что с увеличением индуктивности передающие способности кабеля улучшаются. Нематематическим путём объяснить эту закономерность трудно. Но можно просто сказать, что индуктивность кабеля и его ёмкость находятся в противодействии.
* Проводимость изоляции ("утечка") в спектре частот человеческой речи оказывает действительно малое влияние на передающие свойства кабеля. Влияния же сопротивления, индуктивности и ёмкости кабеля на величину затухания (ослабления), передаваемых по нему сигналов, соизмеримы. Кларк здесь ограничивается рассмотрением ёмкости и индуктивности не из-за их доминирующего значения, а только ради упрощения поставленной задачи: как можно элементарнее объяснить суть открытия Хевисайда.Подобранные соответствующим образом, они могут полностью друг друга нейтрализовать, и получится то, что Хевисайд назвал "линией без искажений", т.е. линия, по которой сигналы всех частот передаются с одинаковой скоростью и с одинаковым затуханием.Но лишь спустя десять, а то и более лет инженеры по-настоящему оценили это выдающееся открытие; возможно, и они с недоверием отнеслись к результатам, полученным Хевисайдом, так же, как в своё время - математики. Но в конечном счёте опыт подтвердил, что характеристики кабеля можно улучшить, если искусственно увеличить его индуктивность, либо установив по длине кабельной линии через равные интервалы специальные катушки, либо обмотав центральную медную токопроводящую жилу стальной проволокой.
Это открытие Хевисайда, применённое на практике Михаилом Пупином в Америке и Крарупом в Дании (в соответствии с пословицей, Хевисайд не стал пророком в своём отечестве), сделало возможной подводную телефонную связь на расстояние в несколько сот километров. Способ искусственного увеличения индуктивности был применён и к телеграфному кабелю, эффективность передачи по которому значительно возросла. Скорость прохождения сигналов по изготовленному таким образом трансатлантическому телеграфному кабелю стала в пять раз больше.
Так уравнения Хевисайда ещё при его жизни стали приносить телеграфным компаниям тысячи фунтов стерлингов дохода в день. Математика часто преподносит большие суммы денег, но они редко попадают в руки математиков.
Улучшение качества изоляционных материалов, специальные сплавы для повышения индуктивности позволили в конце 20-х годов всерьёз подумать о подводной телефонной связи через Атлантический океан. Пионером в этой области был Е.О. Бакли, работавший в научном центре - "Лабораториях Белла". В 1928-1931 годах Бакли совместно с Британским ведомством связи проделал у побережья Ирландии и в Бискайском заливе ряд опытов с подводными кабелями различных образцов. К сожалению, один кабель мог быть использован для передачи через Атлантику только одного разговора, что, конечно, неэкономично. Для повышения эксплуатационных возможностей линии впервые предусматривалось применение усилителей. Последние проектировались в виде плавучих шаров, удерживаемых в заданных точках трассы на якорях, и были рассчитаны на бессменную работу в течение шести месяцев. Эти громоздкие сооружения явились прообразами подводных усилителей современного трансатлантического телефонного кабеля.
Но в те годы подводный кабель как средство телефонной связи не получил дальнейшего развития. Причинами этого были, во-первых, экономический кризис 30-х годов - никто не решался вкладывать деньги в это, на первый взгляд, сомнительное с точки зрения техники предприятие, - и, во-вторых, - развитие радио, позволившее осуществить связь на большие расстояния совершенно новым неожиданным способом.
По этой последней причине нам предстоит сделать экскурс в область, на первый взгляд, далёкую от подводной связи. Дело в том, что человеческий голос был передан через Атлантику с помощью радио за 40 лет до того, как это было сделано с помощью подводного кабеля. И система подводной телефонной связи не могла бы существовать, если бы при её разработке не были использованы технические достижения в области радио.
Итак, экскурс необходим, а перемена декораций будет нам приятна - мы двинемся из холодных и тёмных глубин океана в бурлящий электрический котёл ионосферы.
Подробнее об Оливере Хевисайде см. очерк П.Дж. Нахина и книгу Б.М. Болотовского
Можно приближенно записать, что a = [R(С)1/2] / [2 (L)1/2] (проводимостью изоляции пренебрегаем). Для того чтобы дальность передачи телефонных разговоров, определяемая качеством слышимости, была как можно больше, затухание a должно быть, естественно, как можно меньше. Уменьшить простую дробь можно, либо уменьшив её числитель, т.е. величину R или С, либо увеличив её знаменатель, т.е. L. Первый способ был известен давно, к нему прибегали ещё в годы прокладки телеграфных кабелей. Трансатлантический телеграфный кабель конструкции 1865-1866 гг. отличался от кабеля 1857 - 1858 гг., в частности, тем, что сечение токопроводящей жилы было увеличено в три раза. Благодаря этому её сопротивление уменьшилось в три раза, а ёмкость почти в полтора раза (индуктивность же раза в полтора возросла). В целом затухание сигналов, передаваемых по кабелям 1865-1866 гг., было примерно в 6 раз меньше, чем при передаче по недолговечному кабелю 1858 года.
Однако для телефонной связи, использующей в десятки раз более высокие, чем телеграфная, частоты, со значительно ббльшим затуханием передаваемых сигналов на единицу длины линии, подобная компенсация затухания (в несколько раз) не решала проблемы дальней междугородной и, в частности, подводной телефонии. Кроме того, этот способ был весьма неэкономичным, так как требовал значительного увеличения размеров кабелей и, следовательно, расхода материалов для их изготовления.
Хевисайд был первым, кто указал на принципиальную возможность достичь успеха, идя по второму пути и увеличивая знаменатель дроби, т.е. индуктивность кабельной линии. Если не касаться сферы материальных ресурсов и денежного обращения, то подчас увеличить какую-либо величину оказывается намного проще, чем её уменьшить. Подобную благоприятную ситуацию и открыл Хевисайд в теории кабелей связи. При этом искусственно увеличивать индуктивность можно уже не в несколько раз, а в несколько десятков раз. Теоретическое открытие О. Хевисайда о возможности снижения потерь в линии путём искусственного увеличения её индуктивности было встречено, как отмечает А. Кларк, с большим недоверием и реализовано лишь 8 лет спустя, в 1901 г., когда американский инженер (серб по национальности) М. Пупин (1858-1935) предложил включать в линию специальные индуктивные катушки, названные впоследствии его именем (термин "пупинизация" применительно к кабельным линиям не потерял своего значения и в настоящее время). Индуктивность линии могла быть таким образом повышена в сотню раз.
Открытие Хевисайда имело значение, конечно, не только для подводных кабельных линий связи. Успешной пупинизацией в 1902 г. кабельной линии Нью-Йорк-Ньюарк длиной 16 км было положено начало сооружению междугородных кабельных магистралей.
Через год после изобретения Пупина датский инженер Карл Краруп разработал свой оригинальный способ искусственного увеличения индуктивности кабелей. Вместо того, чтобы через каждые 1,5-2 км встраивать в линию катушки индуктивности, он предложил обматывать токопроводящие медные жилы кабелей тонкой лентой или проволокой из стали, магнитные свойства которой в 100-150 раз сильнее, чем у меди. Толщина стальной ленты или диаметр проволоки были 0,2-0,3 мм.
Первый "крарупизированный" подводный кабель длиной в 5 км проложили в 1902 г. между Данией и Швецией. Однако уже в следующем году между Данией и Германией был проложен крарупизированный кабель длиной около 20 км. В течение трёх лет (1902-1904 гг.) длины подводных (да и подземных) телефонных кабельных пупинизированных и крарупизированных линий были увеличены до 70-80 км. В дальнейшем искусственное увеличение индуктивности позволило расширить пределы дальности телефонной связи до 150-180 км. Большего ни пупинизация, ни крарупизация для телефонии дать не смогли.
Применительно к телеграфным кабельным линиям, протяжённость которых уже давно исчислялись тысячами километров, искусственное увеличение индуктивности способствовало резкому убыстрению прохождения сигналов, а следовательно, возрастанию объёма передаваемой информации, т.е. повышению эффективности линии.
Ряд трансокеанских телеграфных кабелей с искусственно увеличенной индуктивностью был проложен в первой половине XX века. Все они были крарупизированы (прокладывать с кораблей пупинизированные кабели было в ту пору неудобно из-за неизбежных утолщений их в местах расположения пупиновских катушек).
В середине 20-х годов для обмотки медных жил вместо обычной стали начали применять специально созданные для этой цели высокомагнитные железо-никелевые сплавы (пермаллой и перминвар), благодаря чему скорость передачи ещё больше повысилась.
Если по первому трансатлантическому телеграфному кабелю 1858 года передавалось не более 3-4 знаков в минуту, то передача по современным телеграфным кабелям происходит со скоростью до 1500-2500 знаков в минуту.
"Линия без искажений" - это такая линия, для которой соблюдается условие RC = LG или R/L = G/C, названное условием Хевисайда. При этом условии скорости распространения и затухания сигналов различных частот будут одинаковы и сигналы на приёмный конец линии будут приходить одинаково ослабленными и в той же последовательности, в какой они были переданы; затухание (ослабление) сигналов, передаваемых по линии, будет наименьшим.
Д. Шарле
