Материал: Проектное управление в строительстве. Баркалов С.А., Бурков В.Н

А.Л. Гершун (1868 – 1915 гг.)18, работая в библиотеке, чисто случайно нашел одну из фундаментальных работ забытого русского физика. Открыл… и зачитался. Оказывается, никому тогда уже не известный В.В. Петров (а ведь с момента его смерти прошло не так уж много времени, всего-то 54 года), еще в начале века заложил основы новой науки – электротехники. В настоящее время это имя получило всеобщее, практически мировое признание: ни один учебник по электротехнике не обходится без упоминания его имени. И вот имея перед собой подобные примеры из прошлого, наши руководители от науки, устраивают очередной тур «вальса на граблях». Действительно, история учит только тому, что ничему не учит. Не следует забывать высказывание великого русского физика П.Н. Лебедева: «Заботясь об успехах науки, общество будет заботиться о себе самом».

Оживление российской научной мысли в конце XIX века связано во многом с реализацией страной глобального проекта по строительству Великого сибирского пути, то есть транссибирской железнодорожной магистрали, которая должна была строиться исключительно русскими силами. На этом фоне естественно появились зачатки протекционизма со стороны государства по отношению к российским предприятиям. Именно в этих условиях работал русский ученый А.С. Попов, гений которого подарил миру радио.

В обще-то термин «изобрел радио» является в корне неверным – это примерно будет соответствовать термину «изобретатель авиации». Объясняется данное утверждение тем, что проблема передачи информации без проводов является настолько сложной и глобальной проблемой, что очень трудно выделить одного человека, которого бы можно было назвать создателем этого технического чуда.

Строго говоря эта область человеческого знания развивается до сих пор: постоянно появляются новые открытия в этой области, ведущие к более совершенным, основанных на открытых новых физических принципах и поэтому создающих новое потребительское качество. В этой же области постоянно возникают новые сферы применения использования электромагнитных волн. Поэтому можно сказать, что изобретение радио все еще продолжается. Возможно в недалеком будущем будут открыты новые физические принципы, позволяющие передавать информацию на большие расстояния без проводов и без участия электромагнитных волн19 и начнется новая эра существования человечества. Ну а пока рассмотрим, очень кратко, основные события, связанные с эпохальным открытием, произошедшим в XIX веке.

К 1865 году Д.К. Максвелл закончил создание своей теории, позднее получившей название электродинамики, в которой теоретически предсказал существование нового вида материи – электромагнитных волн. Надо сказать, что, выдвинутая Максвеллом гипотеза, очень не понравилась современным ему корифеям физики. Большинство из них отнеслось к полученным результатам с большой долей скептицизма, то есть кто-то, что-то там получил

18 Гершун Александр Львович – русский физик, инженер, основатель российской оптической промышленности, крупный специалист в области прикладной оптики, электромагнетизма, радиоактивности. Действительный статский советник. Окончил физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета (1890). Активно участвовал в становлении оптической промышленности в России. Разработал ряд новых приборов для флота.

19 Математики проанализировали свойства гравитационных волн в обобщенном аффиннометрическом пространстве (алгебраической конструкции, действующей на понятиях вектора и точки) подобно свойствам электромагнитных волн в пространстве-времени Минковского (четырѐхмерное псевдоевклидово пространство, предложенное в качестве геометрической интерпретации пространства-времени специальной теории относительности). Они сообщили о возможности передачи информации при помощи неметричности волн и передачи ее пространственно без искажений. Это открытие может привести к новым способам передачи данных в пространства, например, между космическими станциями. Результаты были опубликован в научном журнале, посвящѐнном вопросам гравитации и теории относительности «Classical and Quantum Gravity» (импакт-фактор журнала в 2018 году составлял 3,487).

16

на бумаге, но экспериментального-то подтверждения нет… Мало ли что там получил этот англичанин на бумаге… Бумага-то все стерпит… И что только на основании этого пересматривать всю физическую картину мира? Очень бы не хотелось… Поэтому ошибки искали в выводах Максвелла очень тщательно… Ну а когда что-то ищешь, то, что? Правильно, находишь… В итоге будущий величайший физик Д.Д. Томсон (в скором времени лорд Кельвин, титул, полученный за научные исследования) (1856 – 1940 гг.)20 назвал теорию Максвелла: «любопытной и оригинальной, но не слишком логичной гипотезой». А ведь они были друзьями… Как говорится: «Платон мне друг, но истина дороже…». К сожалению, истины-то в высказываниях Томсона на поверку не оказалось. Так и существовала теория Максвелла непризнанной гипотезой, не имеющей в физике права «гражданства». Сказать, что за два десятилетия существования этой физической теории не предпринимались какие-то попытки экспериментальной проверки теории Максвелла, было бы неверно: попытки предпринимались, но тщетно…

В последствии историками науки было установлено, что еще до опытов Герца совершенно независимо друг от друга, электромагнитные волны наблюдались в ходе экспериментов, никак не связанных с теорией Максвелла, рядом ученых: английским физиком Томсоном (лорд Кельвин), американским физиком и изобретателем Юзом (1831 – 1900 гг.)21, но, как обычно, были отмечены как посторонние эффекты, проводимого эксперимента, и интереса не вызвали.

Но не только случайные наблюдения, явившиеся побочным фактором других научных исследований, регистрировались беспристрастной наукой. Достаточно активно велась работа и по целенаправленному обнаружению, предсказанных Максвеллом волн. Из наиболее известных попыток это работа английского физика Лоджа (1851 – 1940 гг.)22 и Фицджеральда (1851 – 1901 гг.)23

Более того, способ, который использовал в своих опытах Герц, был применен Бецольдом (1837 – 1907 гг.)24 еще в 1870 году для исследования электрического разряда по

20Томсон Джозеф Джон – английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы». Открыл электрон, изотопы, изобрел масс-спектрометр. Его учениками были Эрнст Резерфорд, Роберт Оппенгеймер (будущий руководитель Манхэттенского проекта в США), Макс Борн, Поль Ланжевен. Как утверждают современники, Томсон имел недюжинные способности к финансовой деятельности, и в ненавязчивой форме так успешно управлял своими инвестициями, что смог сколотить приличное состояние, начав с крайне малого капитала. Эта сторона его деятельности, как правило, значительно менее известна, несмотря на то, что он всегда проявлял интерес к принципам работы как малых предприятий, так и больших финансовых систем. По воспоминаниям современников, он был увлеченным садовником и проявлял большой интерес к селекции растений и луковиц для своего сада, хоть и не прилагал к этому больших физических усилий.

21Юз (иногда пишут, как Хьюз) Дэвид Эдуард – известный английский и американский физик и изобретатель. Получил (1889) электромагнитные волны. Близко подошел к изобретению радиотелеграфии.

22Лодж Оливер Джозеф, сэр – английский физик и изобретатель, один из изобретателей радио. Получил степень бакалавра (1875) и доктора (1877) Лондонского университета. С 1881 – профессор физики и математики в Университетском колледже Ливерпуля. В 1899 – 1901 годах – президент Лондонского общества физиков. С 1900 – директор вновь открытого Бирмингемского университета. В 1902 г. произведѐн в рыцари. В 1919 г. вышел на пенсию.

23Фицджеральд Джордж Френсис – ирландский физик. Окончил курс университета в 1874 году и в 1881 году назначен был профессором физики в университет в Дублине.С 1892 по 1893 год президент Лондонского Общества Физиков. Награждѐн Королевской медалью Лондонского королевского общества

24Бецольд Иоганн Фридрих Вильгельм фон – немецкий физик и метеоролог. С 1885 г. директор Прусского метеорологического института и профессор Берлинского университета. Иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук по физико-математическому отделению (разряд физический). Президент Немецкого физического общества в 1895—1897 гг.

17

создаваемому им полю. Лабораторная установка, созданная для этого эксперимента Бецольдом, была схожа с оборудованием Герца, что признавал, и он сам. Так что явление уже наблюдалось другими исследователями, лабораторная установка уже использовалась также другими учеными, даже идея опыта, как мы видим, была уже не нова. С современных позиций и требований работа Герца не прошла бы даже самую снисходительную проверку на антиплагиат, но тем не менее весь мир считает, что именно Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн. И это действительно так. Потому что недостаточно что-то увидеть и даже зафиксировать увиденное: миллионы людей до Ньютона наблюдали «падение яблока», но только он обобщил увиденное и сформулировал известный закон всемирного тяготения, ныне известный каждому школьнику, если он конечно же учится, а не занимается реализацией никому не нужных «проектов». Так что важно не просто что-то увидеть, еще более важно понять, что увидел, изучить всесторонне это явление, описать его. А вот все это как раз-таки и проделал не кто-то иной, а именно Генрих Герц.

Проблема была очень сложна, и никто не знал, как к ней подступиться. Даже Герман Гельмгольц (1821 – 1894 гг.)25, великий физик отмечал, что «…электродинамика превратилась в то время в бездорожную пустыню. Факты, основанные на наблюдениях и следствиях из весьма сомнительных теорий, – все это было вперемежку соединено между собой…» [1]. В последствии сам Г. Герц писал: «Основные гипотезы теории Максвелла противоречили обычным воззрениям и не могли опираться как на доказательства на точные опыты.». [1].

Вэтих условиях надо иметь достаточно большой уровень смелости для того, чтобы взвалить на себя проблему экспериментальной проверки существующих гипотез. Не будем забывать, что на момент работ Герца, ставших в последствии эпохальными, было несколько теорий, пытавшихся описать электромагнитные взаимодействия, причем теория Максвелл не была фаворитом в этом списке.

Исследования Герца условно можно разделить на два этапа: изучение индукционной связи в двух незамкнутых цепях, соединенных проводником и изучение индуктивной связи не замкнутых проводников, не соединенных друг с другом. Результатом первого

исследования явилось получение колебаний, в изучаемой системе, очень высокой частоты: порядка 108 колебаний в секунду, что соответствует длине волны в 3 метра. Так и хотелось написать привычную единицу измерения частоты – Герц, но невольно вспомнилось, что во времена ученого специальной единицы измерения частоты еще не было введено; данный параметр стал измеряться в единицах, названных его именем, то есть Герц, уже значительно позднее.

Важным моментом в лабораторной установке Герца был удачный подбор параметров колебательного контура, то есть его индуктивность и емкость. Это оказывало влияние на интенсивность излучения: для большей интенсивности необходимо было как можно сильнее уменьшить эти параметры, но с другой стороны необходимо получить достаточно большое значение энергии в колебательном контуре. А это достигается проще всего за счет увеличения этих же параметров. То есть налицо два антагонистических фактора и исследователю необходимо, что называется, пройти между «Сциллой и Харибдой», обеспечив решение двух взаимоисключающих задач и Герц успешно с этим справился.

Вдальнейшем, перейдя к исследованию индуктивной связи не замкнутых проводников, не соединенных друг с другом, ученый использовал лабораторную установку, которая содержала все основные элементы современной радиосвязи. Но, установив экспериментально наличие электромагнитных волн, определив их свойств, совпадающие со свойствами света, Герц не обратил внимание на «маленький бонус» своего исследования: возможность применения своей установки для телеграфирования без проводов.

25 Гельмгольц Герман, фон – немецкий физик, врач, физиолог, психолог, акустик. Член Прусской академии наук, иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук, иностранный член Лондонского королевского общества.

18

Тем не менее, успех пришел именно к Генриху Герцу, причем пришел совершенно справедливо, как награда за титанический труд по проведению тонких экспериментов. Да, основные части его лабораторной установки были уже известны и использовались ранее другими физиками-экспериментаторами, да, были ученые, которые даже наблюдали тот же результат, что и Герц. Но только он провел полномасштабное исследование увиденного явления, описал его, определил основные свойства электромагнитных волн, включая и определение скорости распространения. Современники объясняли успех ученого его феноменальной работоспособностью: «Герц не ходил лениво по комнате, наблюдая искры, но исследовал положения, при которых они получаются, и ставил свой прибор надлежащим образом для обнаружения мест наибольшего и наименьшего количества возникновения искр» [1].

Вкакой-то мере следует признать, что исследуемые Герцем колебания были затухающими, поэтому вопрос о передаче какой-то информации с их помощью был достаточно сложен и не очевиден. Более того, исследования Герца подтвердили гипотезу Максвелла о том, что свет так же является электромагнитной волной. А к тому времени уже существовали способы передачи информации на расстоянии с помощью света, но, как понятно, только в пределах прямой видимости. Поэтому большинство ученых считало, что исследования с целью передачи информации на расстояние с помощью электромагнитных волн ничего нового в себе не несет, а поэтому заниматься этим вопросом особого смысла не имело. Ведь возможность электромагнитных волн огибать земную поверхность была открыта позднее.

Только в 1901 году Г. Маркони осуществил сеанс трансатлантической связи на расстоянии 3,5 тыс. км26, что никак не согласовывалось с представлениями о прямолинейном распространении электромагнитных волн.

В1902 году О. Хевисайд (1850 – 1925 гг.)27 и А. Кеннелли (1861 – 1939 гг)28 дали объяснение этого факта, выдвинув гипотезу, именно только гипотезу, о существовании в верхних слоях земной атмосферы ионизированного газа, способного отражать электромагнитные волны, отчего и происходит возврат излучения обратно на поверхность

земли. Гипотеза была экспериментально подтверждена только в 1923 году исследованиями Э. Эпплтона (1892 – 1965 гг.)29 и М. Барнетта30.

26Маркони утверждает, что принял в Сент-Джонсе (Ньюфаундленд) телеграфный сигнал, переданный из Корнуолла (Великобритания). Однако возможность такого приѐма с имевшимся на тот момент

оборудованием у Маркони подвергалась сомнению и обсуждается до сих пор.

27Хевисайд Оливер – английский учѐный-самоучка, инженер, математик и физик. Впервые применил комплексные числа для изучения электрических цепей, разработал технику применения преобразования Лапласа для решения дифференциальных уравнений, переформулировал уравнения Максвелла в терминах трехмерных векторов, напряжѐнностей электрического и магнитного полей и электрической и магнитной индукций, и, независимо от других математиков, создал векторный анализ. Несмотря на то, что Хевисайд большую часть жизни был не в лучших отношениях с научным сообществом, его работы изменили облик математики и физики.

28Кеннелли Артур Эдвин – американский инженер. В 1887–1894 главный ассистент Т. Эдисона; профессор Гарвардского университета (1902–30); преподавал электротехнику в Массачусетсском технологическом институте (1913–24). В 1902 почти одновременно с О. Хевисайдом выдвинул гипотезу, согласно которой электромагнитные волны при распространении отражаются от электрически проводящего слоя атмосферы, получившего название слоя Кеннелли – Хевисайда (так называемый слой Е ионосферы). Гипотеза была подтверждена 1923 году.

29Эпплтон Эдуард Виктор, сэр – английский физик. Занимал должности профессора физики Королевского колледжа в Лондоне (1924–1936) и профессора натурфилософии в Кембриджском университете (1936–1939). C 1927 года был членом Лондонского королевского общества. С 1939 по 1949 год был секретарѐм Департамента научных и промышленных исследований. В 1941 году пожалован в рыцари. В 1947 году получил Нобелевскую премию по физике за вклад в изучение ионосферы, что привело к развитию радиолокации.

19

Адля передачи информации без проводов, Герцу необходимо было сделать совсем немного: добавить в свою схему передатчика устройство управления излучаемыми электромагнитными волнами. Для этой цели вполне подходил уже существовавший в то время телеграфный ключ, который необходимо было включить в первичную обмотку катушки Румкорфа, а в качестве инструмента для преобразования импульсов в необходимые для нас буквы и символы использовать азбуку Морзе. Эти небольшие изменения позволили бы получить весь комплекс средств, необходимых для осуществления радиосвязи. Но, сделано это было уже другими людьми.

Авот кем же? До сих пор историки науки остаются в неведении: кто же это осуществил, собрал все уже практически известные факты и приборы и… наконец-то выполнил, то что давало бы принципиальную возможность передачи информации на

расстояние без проводов. Как правило, называется два наиболее реальных претендента: А.С. Попов (1859 – 1906 гг.) 31 рис. 5 и Маркони (1874 – 1937 гг.) 32 рис. 6. Но в целом, если корректно рассматривать этот вопрос, то можно установить, что в разных странах мира имеются свои версии по истории создания радиосвязи.

Рис. 5. А.С. Попов – создатель радио

В Германии таковым считают Генриха Герца, о работах которого мы уже вкратце писали. Действительно, ему не хватило самой малости, чтобы удержать за собой пальму первенства в этом непростом вопросе, но, как говорится, не срослось. Не хватило какой-то малости, хотя основные функциональные блоки, обеспечивающие радиосвязь, в лабораторной установке Герца, присутствовали. Наверное, не хватило веры в свой успех и в электродинамику Максвелла, с которой у ученого были достаточно непростые отношения.

Ну естественно, учитывая многовековое соперничество европейских держав, то есть немцев, французов и англичан, было бы удивительно если бы последние не нашли своих претендентов. Во Франции в качестве такого ученого позиционируется Бранли (1844 – 1940

30Данные отсутствуют.

31Попов Александр Степанович – русский физик и электротехник, профессор, изобретатель, статский советник (1901), Почѐтный инженер-электрик (1899), почѐтный член Русского технического общества (1901). Изобретатель радио. Родился в семье священника в Пермской губернии. Окончил физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета. Работал преподавателем физики, математики и электротехники в Минном офицерском классе и Техническом училище Морского ведомства в Кронштадте. С 1901 года Попов — профессор физики Электротехнического института императора Александра III. В 1905 году учѐным советом института избран ректором, председателем Физического отделения, и президентом Русского физико-химического общества (РФХО).

32Маркони Гульельмо – маркиз, итальянский радиотехник и предприниматель, лауреат Нобелевской премии по физике за 1909 год. Родился в Болонье в семье крупного землевладельца. В 1894 году под влиянием трудов Г. Герца, а также Николы Теслы, заинтересовался вопросами передачи электромагнитных волн и поступил в обучение к профессору физики Болонского университета А. Риги, занимавшемуся исследованиями в этом направлении.

20