Чтение онлайн

Сравним теперь движение концов камертона после того, как давление пальцев было устранено, с электрическим движением, когда нарушается воздушный промежуток и действие электрического генератора приостанавливается. Концы камертона посылаются обратно к их нормальному положению силой упругости, вызванной сгибанием. Но, когда концы камертона стремятся к нормальному положению, то они движутся с некоторой скоростью. По инерции они движутся дальше за точку нормального положения до тех пор, пока энергия движущей массы не израсходуется. Тогда зубцы начинают двигаться назад в обратном направлении, начиная второй цикл движения, а затем третий, четвертый и т. д. Ясно, что эти циклы будут следовать один за другим в течение равных интервалов времени, которое дает определенную высоту тона камертону. Периодическое движение такого типа называется осцилляцией или колебанием. И ясно, что это является периодической трансформацией энергии эластического сгибания в энергию движения массы концов камертона и окружающего воздуха. Движение в конечном итоге сводится на нет, до состояния покоя, когда энергия сгибания, произведенная в начале работой пальцев, используется до конца. Очень важен вопрос о том, что сделалось с этой энергией. Ответ звучит так: энергия частично израсходована на преодоление внутреннего трения и частично на преодоление реакции окружающего воздуха, результатом чего являются звуковые волны. Звуковая волна — это краткое имя, говорящее о физическом факте, что в воздухе существуют сжимания и расширения, сменяющиеся в периодически повторяющихся интервалах. Создание звуковых волн в воздухе является доказательством того, что воздух в пространстве, окружающем камертон, участвует в движениях камертона.

Полностью аналогичный эксперимент был произведен Герцем с его электрическим осциллятором, причем его основной целью было найти, реагировало ли электрическое поле, то есть электрическое пространство, окружающее осциллятор, как реагирует воздух, приводимый в движение вибрирующим камертоном. Если реагировало, то оно должно производить электрические волны. Если электрические волны действительно существовали, то что же они должны были из себя представлять? В данном выше описании осциллятора и его действия были упомянуты только две вещи: действие электрической машины, заряжающей осциллятор, и реакция силовых линий против напряжений и давлений, посылающих их в окружающее пространство. Электрические волны поэтому представляют собой ничто иное, как периодические колебания напряжений и давлений в силовых линиях, то есть периодические вариации плотности силовых линий в окружающем осциллятор пространстве. Это и нашел Герц.

Нарушение воздушного промежутка в электрическом осцилляторе и, как следствие этого, приостановка действия электрического генератора аналогично устранению давления пальцев на концы камертона. Электрические заряды на сферах с присущими им силовыми линиями, подвергающиеся сжатию и расширению, освобождаются и движутся друг к другу через воздушный промежуток. Последний является проводником. Так же как концы камертона, после устранения давления пальцев, не могут оставаться в растянутом положении, так и электрические силовые линии, после того, как был нарушен изолирующий воздушный промежуток и было приостановлено действие машины, не могут оставаться в состоянии растяжения; они сжимаются, и поэтому их положительные конечные точки на одной сфере и отрицательные на другой — движутся навстречу друг к другу. Движение растянутых силовых линий с их конечными точками — зарядами на сферах — имеет инерцию. Максвелл первый показал, что сила инерции движущихся электрических силовых линий, равна числу магнитных силовых линий, которые, согласно открытию Эрстедта, получаются благодаря движению электрических силовых линий.

Движение электрических силовых линий имеет не только инерцию, но и энергию. Пользуясь выражением Фарадея, мы можем сказать, что электрическая энергия растянутых электрических силовых линий трансформируется в энергию электрических движений. Это полностью аналогично переходу энергии упругости оттянутых концев камертона в энергию движения их массы. И так же, как инерция движущейся массы камертона оттягивает концы его в противоположное направление и продолжает это действие до тех пор пока движение не исчезает, так и импульс движущихся электрических силовых линий будет снова растягивать их до тех пор, пока энергия движения не иссякнет. Тогда обе сферы заряжаются снова, но в направлении обратном тому, которое было вначале. После этого растянутыми электрическими силовыми линиями начинается новый цикл электрического движения, которое повторяется волнообразно до тех пор, пока первоначальная электрическая энергия, произведенная генератором, не будет израсходована.

Но куда девается энергия? Этот вопрос так же важен в данном случае, как он был важен в примере с камертоном. Старые электрические теории отвечали на этот вопрос по-своему, но Максвелл, под влиянием идей Фарадея, ответил на него иначе. Старые теории утверждали, что кроме движения зарядов по проводимой поверхности сфер и стержней, другого электрического движения нет. Они не обращали никакого внимания на движение силовых линий, так как не знали об их существовании. Они видели не сами линии, но лишь их конечные пункты, заряды. Поэтому, согласно старым теориям, вся энергия производимая машиной, превращается в тепло проводников осциллятора.

Герц первый доказал, что часть энергии излучается в пространство подобно тому, как энергия камертона излучается в форме звуковых волн. Он обнаружил в пространстве, окружающем осциллятор, присутствие электрических волн, то есть периодически повторяющихся изменений в плотности электрических силовых линий. Он измерил их длину и, вычислив период своего осциллятора, разделил длину волны на период и получил скорость распространения. Скорость распространения волн, согласно ранним экспериментам Герца, выходила приблизительно равной скорости света, как это и предсказывала теория Фарадея-Максвелла. Волны отражались и переломлялись изоляторами более плотными чем воздух. Герц продемонстрировал всё это для того, чтобы следовать законам, применяемым для световых явлений и замечательно подтверждающим теорию Максвелла о том, что свет является электромагнитным колебанием. Даже это предварительное сообщение, посланное Герцем Гельмгольцу, убедило всех, что электромагнитная теория Фарадея-Максвелла восторжествовала, и что наши знания электромагнитных явлений были значительно расширены. Последующие эксперименты Герца и других ученых добавили еще больше лавров к этой первой победе. Упомянутое мной собрание Физического общества в Берлине явилось тем, что я всегда считал днем воцарения электромагнитной теории. До этого дня теория существовала во всей ее полноте и совершенстве, но она находилась в небесных высотах Фарадея и Максвелла. Физики континентальной Европы нуждались в руководстве Гельмгольца, чтобы достичь этих высот. После этого дня теория спустилась на землю и поселилась среди простых смертных, став частью их мышления. Это было небесным даром, который Герц принес на землю. Все были убеждены, что наука о свете стала частью науки об электричестве.

Это новое научное откровение было вторым великим открытием в девятнадцатом столетии. Последовавшие затем знаменательные события в науке, еще до начала нашего столетия, доказали великое значение этого открытия.

Я часто задавал себе вопрос, почему американский ученый Джозеф Генри, обнаруживший колебательные электрические движения и пользовавшийся аппаратом, похожим на Герцевский, не продолжал своих исследований и дальше после 1842 года? И почему Максвелл, основоположник современной науки об электро-магнетизме, не произвел тех простейших экспериментов, которые сделал Герц? Понятие об электрическом осцилляторе в 1865 году было то же самое, что и в 1887 году, и оно несомненно было известно Максвеллу. История дает два ответа на этот вопрос, которые бросают яркий свет на характер этих двух великих ученых.

Вскоре после 1842 года Джозеф Генри вышел в отставку, покинул профессорскую кафедру в Принстонском колледже и распростился со своею лабораторией, в которой он сделал несколько своих замечательных открытий, и где в 1832 году сконструировал первый электромагнитный телеграф, основываясь на практических результатах своих выдающихся исследований. Это произошло задолго до появления Морзэ. Слава Генри среди людей науки была очень велика и обещала быть еще большей, если бы он продолжал свои научные эксперименты. Он был еще в расцвете сил, немного старше сорока лет. Но патриотический долг заставил его поехать в Вашингтон, где Смитсоновский институт ждал его умелого руководства, организации и защиты против интриговавших политиков. Этот долг оторвал его от любимой лаборатории и остаток своей жизни, более тридцати лет, он провел в Вашингтоне как секретарь Смитсоновского института, как организатор большинства государственных научных учреждений, которыми теперь гордится наша страна. Он был также первым президентом Национальной Академии Наук, основанной по постановлению Конгресса в 1863 году благодаря его инициативе. Генри мобилизовал естественные науки на службу родине, и они оказали ценные услуги стране во время Гражданской войны. Хартия Конгресса, дарованная Национальной Академии Наук, была выражением благодарности и признательности за эту службу. Я уже говорил о замечательных заслугах Джозефа Генри в области развития научных исследований в Америке и вернусь к этому позже. Он был не только великим ученым, но и великим патриотом. Родина была для него прежде всего, всё остальное — научная работа и слава — были на втором месте. И я уверен, что это и было причиной, почему он прекратил дальнейшие исследования электрических колебаний. Я хочу сказать здесь, что одним из самых успешных результатов моих скромных научных работ было название одной электрической единицы его именем. Мой коллега, бывший профессор Колумбийского университета, ныне покойный Франсис Бэкон Крокер, поддержал меня самым энергичным образом в этих усилиях. И Электрический конгресс в Чикаго в 1893 году, на котором председательствовал Гельмгольц, принял название «Генри» как единицу электрической индуктивности. Единица Фарад была названа в честь Фарадея. Никакие другие электрические единицы не встречаются так часто, как единицы Фарад и Генри, особенно в радиотехнике. Никто не сделал для радиотехники так много, как Фарадей и Генри.

Максвелл оставил профессорскую кафедру в Королевском колледже в Лондоне в 1865 году, вскоре после того, как он сообщил Королевскому обществу свои знаменитые «записки» по электромагнитной теории. Электромагнитная теория света, которую он, как я говорил выше, назвал «важной персоной», была главной частью этого сообщения. Он удалился в свою сельскую усадьбу в Гленлэр, в Шотландии, и в течение пяти лет был свободен от всех обязанностей и посвятил всё свое время научным занятиям и размышлениям. Это было величайшей радостью в его жизни. Но герцог Девонширский, верный воспитанник Кэмбриджа, подарил университету значительную сумму денег для постройки и оборудования физической лаборатории. Она должна была называться лабораторией Кавендиша, в честь лорда Кавендиша, знаменитого предка герцога, посвятившего всю свою жизнь науке об электричестве. Этот подарок был ответом герцога на кэмбриджское движение в пользу научного прогресса. Максвелл был вызван в Кэмбридж, чтобы возглавить новую лабораторию, и он согласился, хорошо сознавая, что с этого момента всё его время будет посвящено организации лаборатории и руководству ею. Долг перед своим университетом и дело научных исследований в Великобритании были для него выше всего, даже выше экспериментов по его великой теории. Это несомненно было одной из причин, почему Максвелл не произвел тех простейших опытов, которые сделал Герц. Но как директор лаборатории Кавендиша, он подготовил ряд ученых для того, чтобы они продолжали его великие начинания. Один из этих ученых занял ведущую роль в быстром развитии электромагнитной теории Фарадея-Максвелла.

А.Вайт, очевидно имел в виду Генри и Максвелла, когда он в 1873 году произнес те памятные слова, которые я цитировал раньше и еще раз привожу здесь:

Эксперименты Герца создали большой переворот в исследовательской программе Физического института. Каждый ученый, казалось, стремился оставить проблему, над которой он работал, и испробовать свое счастье в работе над волнами Герца. Несколько кандидатов на докторскую степень соблазнились этим, но я устоял и вернулся к моему предмету — физической химии, и продолжал работу, как будто ничего не случилось. Мне очень хотелось закончить мои исследования, получить докторскую степень и вернуться в Соединенные Штаты. Но вскоре я узнал, что в человеческой жизни бывают события, которые могут повлиять на молодого ученого сильнее, чем даже новые и мощные течения в естественных науках.