Забытый пророк

Александр Семенов

Оливер Хевисайд пользовался большим уважением среди ученых своего времени, но сейчас его имя почти забыто. Вряд ли кто-то сможет объяснить почему. Предложенные Хевисайдом методы оказались очень эффективными, и авторы учебников стали широко использовать их для объяснения фундаментальных теорий, придуманных другими исследователями. Как слова хорошей песни становятся народными... Например, многие полагают, что векторы для описания сил первым применил Исаак Ньютон, а на самом деле это был Хевисайд. Странно, как в памяти людской стираются имена наиболее оригинальных и талантливых представителей рода человеческого...

Хевисайд развил теорию электромагниного поля Джеймса Клерка Максвелла, открыл принцип передачи сигнала на дальние расстояния, он высказал идеи, предвосхитившие появление телевидения, радиосвязи и некоторых аспектов теории относительности Эйнштейна. Стоит вспомнить это имя в наши дни, когда более всего не хватает талантливых и оригинальных людей, а бал правят бойкие посредственности.

Оливер Хевисайд родился в одной из лондонских трущоб, у него не было университетского образования. За исключением шести лет работы в телеграфной компании он был безработным. Однако благодаря своему таланту и целеустремленности Хевисайд стал одним из ведущих физиков викторианской эпохи.

Младший из четырех сыновей резчика по дереву, едва сводившего концы с концами, Оливер вполне мог стать одним из диккенсовских персонажей. Он родился в 1850 г. неподалеку от фабрики, на которой когда-то работал Диккенс. Переболев скарлатиной в детстве, Хевисайд почти потерял слух. Из-за этого он рос одиноким, неуживчивым и саркастичным человеком. Спустя годы Хевисайд вспоминал о своей юности с большой горечью, говоря, что она "навсегда деформировала" его жизнь.

Тем не менее учился он в школе хорошо: окончил пятым из 500 претендентов на сдачу экзаменов в колледж в 1865 г. Хуже всего его результаты были по евклидовой геометрии. "Самое худшее - это евклидова геометрия, - писал Хэвисайд впоследствии. - Поразительно, что молодые люди должны забивать себе голову всякими логическими вывертами и пытаться понять доказательство одного очевидного факта посредством другого, в равной степени... очевидного, ощущая в себе зарождающуюся неприязнь к математике, вместо того, чтобы изучать геометрию, один из наиболее важных и фундаментальных предметов".

Не имея ни средств, ни желания получать дальнейшее академическое образование, в шестнадцатилетнем возрасте Хевисайд оставил школу, самостоятельно выучил азбуку Морзе и в 18 лет отправился в Данию, где устроился работать в телеграфной компании. Это была его первая и последняя оплачиваемая работа...

Получить ее Хевисайду помог его дядя Чарльз Уитстон, который был женат на сестре матери Оливера. Его имя знают все, кто мало-мальски знаком с электричеством: "мостик Уитстона" - это устройство для измерения электрического сопротивления. Чарльз Уитстон был дружен с Уильямом Томсоном (позднее лордом Кельвином) и Майклом Фарадеем. Вероятно, ему не составило большого труда подыскать работу своему племяннику, тем более что Оливер выучил датский и немецкий языки.

Хевисайд быстро освоил специальность телеграфиста и наладчика телеграфных аппаратов и начал продвигаться по службе. В 1871 г. он вернулся в Англию и стал главным оператором в бюро телеграфной компании, параллельно с основной работой усиленно занимаясь самообразованием. В 1872 и 1873 гг. он впервые опубликовал две статьи по электричеству. В первой использовалась только алгебра, тогда как во второй (ее отметил Максвелл во втором издании своего "Трактата об электричестве и магнетизме") уже применялся математический анализ.

Возможно под воздействием замечательного трактата Максвелла в 1874 г. Хевисайд принимает решение оставить телеграфную компанию и полностью посвятить себя научной работе (пожилым человеком в 1918 г. он пишет: "Я увидел, что теория обладает великой, величайшей и удивительной по своим возможностям силой... Мне потребовалось несколько лет, прежде чем я постиг то, что мог. Затем я отложил труд Максвелла в сторону и пошел своим путем. И продвигался уже гораздо быстрее"). Решительный шаг для 24-летнего человека, не имевшего независимых средств к существованию. Он никогда не менял своего решения, что весьма тревожило его семью. Но его любили и выполняли все капризы и прихоти: поднос с едой оставляли у дверей его комнаты, которые обычно были плотно закрыты. За этими дверьми Хевисайд проводил за работой все ночи и большую часть дня при свете коптящих масляных ламп. По словам его знакомого, в комнате от них становилось "жарче, чем в аду".

Максвелл умер в 1879 г. в возрасте 48 лет, за девять лет до того, как гениальный немецкий Генрих Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн в пространстве. Сразу же после этого Оливер Лодж обнаружил электромагнитные волны в металлическом проводнике. Только после этого теория Максвелла стала общепринятой. Но Хэвисайду подтверждения теории Максвелла были не нужны, он считал ее "очевидной истиной" уже в силу одной ее математической структуры. Тем не менее он значительно упростил 20 уравнений Максвелла с 20 переменными, сведя их к двум уравнениям с двумя переменными - векторами электрического и магнитного поля. Большую часть теоретической работы Хевисайд провел с Герцем, но последний в своей книге отмечал, что "г-ну Хевисайду принадлежит приоритет".

В течение ряда лет уравнения электродинамики в новой форме назывались уравнениями Герца - Хевисайда, молодой Эйнштейн называл их уравнениями Максвелла - Герца, а сегодня эти уравнения носят имя только Максвелла. Так проходит земная слава... А в свое время Джордж Фрэнсис Фитцжеральд из Тринити-колледж в Дублине писал, что "трактат Максвелла загроможден остатками блестяще выбранных им рубежей атаки, окопавшихся лагерей и следами боев. Оливер Хевисайд очистил его от всего этого, выбрал прямой маршрут, проложил широкую дорогу, а также обследовал значительную часть сельской местности".

Методы Хевисайда были не менее важны, чем его результаты. Он научил физиков мира оперировать векторами. Над векторами могут выполняться арифметические действия, а также дифференциальные операции. Действия над векторами не всегда просты: векторное произведение двух векторов зависит от порядка их перемножения. У векторного исчисления были и противники. Шотландский физик Питер Тейт, друг Максвелла и Кельвина активно боролся с векторами и пропагандировал кватернионы - четверки чисел. Векторы трудно завоевывали сознание людей, но постепенно они стали так широко применяться в математике и физике, что имена тех, кто их придумал, стерлись из памяти людской.

Метод математического анализа, предложенный Хевисайдом также не получил одобрения со стороны научных журналов. Рецензенты отклоняли его работы из-за отсутствия строгости доказательств. Хевисайд признавал этот недостаток, но говорил: "Ну и что с того? Разве должен я отказываться от обеда лишь потому, что не понимаю, как происходит процесс пищеварения?"

Следующее важное развитие теории Максвелла относится к 1884 г., когда Хевисайд и Джон Генри Пойнтинг независимо друг от друга ввели понятие вектора плотности потока электромагнитной энергии. Пойнтинг опубликовал результаты первым, и вектор (совершенно заслуженно!) носит его имя.

Опираясь на теорию Максвелла, Хевисайд пришел к таким неожиданным выводам, о которых его предшественник и не мечтал. С типичной для него научной смелостью он стал размышлять, что будет происходить с заряженными частицами, когда они превысят скорость света. Не одна его записная книжка испещрена расчетами поведения таких сверхсветовых частиц.

Как самолет порождает ударную волну звука, превышая его скорость, так и электромагнитное поле отрывается от частицы, когда она превышает скорость света. Невозможно ведь превзойти скорость света в вакууме, а в среде она меньше, вот частицы и обгоняют свет, если их хорошенько разогнать. Мягкое голубое свечение мог наблюдать любой, кого допустили бы к бассейну ядерного реактора: там его создают электроны, вылетающие их активной зоны реактора. Это излучение носит имя российских физиков Вавилова и Черенкова, за его открытие им в 1958 г. была присуждена Нобелевская премия (вместе еще с двумя советскими теоретиками И. Е. Таммом и И. М. Франком).

Большинство своих работ Хевисайд публиковал в журнале "Электрик", рассчитанном на инженеров-электриков, но его читали и многие известные ученые, поэтому научная элита была вполне осведомлена о том, что представлял собой Хевисайд как ученый. В 1899 г. Томсон при вступлении в должность президента Института инженеров-электриков назвал Хевисайда "авторитетом". Позднее в том же году Лодж, представляя Хевисайда читателям журнала "Нейчур", сказал о нем, что этот ученый в своих "выдающихся исследованиях электромагнитных волн продвинулся вперед дальше, чем это доступно пониманию в настоящее время". Спустя два года Хевисайд был избран членом Лондонского королевского общества, его кандидатуру поддержали такие знаменитости, как Томсон, Лодж, Фитцжеральд и Пойнтинг. За 17 лет Хевисайд превратился из безвестного телеграфиста в мировую знаменитость.

Но были у Хевисайда и противники. Самый ярый - Уильям Г. Прис - технический эксперт Главного почтового управления Великобритании. Он называл себя "практическим человеком" и пренебрежительно относился к теоретикам и математическим идеям.

Любопытно, что даже в 80-х годах позапрошлого столетия возникали горячие споры о фундаментальных основах теории электричества. Разработка оборудования для линий дальней связи велась быстрыми темпами, но без опоры на теорию. Единственным математическим обоснованием был анализ потока электроэнергии очень низкой частоты в длинных проводниках, который Томсон провел за 30 лет до этого. Теория хорошо работала при передаче нескольких слов в минуту, но была совершенно непригодной для больших скоростей, необходимых для передачи разговора по телефону.

Одна из основных проблем дальней связи по кабелю состоит в задержке передаваемого сигнала из-за накопления его энергии в магнитном поле линии. Время, за которое магнитное поле берет и отдает энергию, ограничивает максимальную скорость передачи сигналов. При этом происходит и потеря энергии - ослабление сигнала. А в атмосфере радиоволны рассеиваются слабо - вот почему радиосвязь между континентами появилась намного раньше кабельной телефонной связи.

Прис не понимал всех этих явлений и считал дальнюю проводную связь невозможной. "В моем офисе есть один телефонный аппарат, - сказал Прис однажды, - но он больше для бутафории, поскольку я им не пользуюсь, да и не хочу пользоваться. Если мне нужно что-то сообщить в другую комнату, то я могу сделать это... через посыльного". В 1877 г. Прис опубликовал статью, где подсчитал максимальную длину кабеля для телефонной связи без искажений - эта работа задержала развитие дальней связи в Великобритании на 20 лет. Интересно, что прекрасно работавшая телефонная линия Бостон - Чикаго была "запрещена" выводами Приса.

Хевисайд выступил против Приса в том же журнале уже через три месяца. К сожалению, его работа содержала не только математические выводы, но и язвительные замечания: Приса он называл не иначе как "лжеученый". В работе Хевисайд предложил сделать из медного провода катушку, которая еще более увеличивает индуктивность участка кабеля, но устраняет искажения. Прис, естественно, наложил вето на это устройство и лишь через 10 лет его запатентовал Майкл Пупин из Колумбийского университета.

В следующем "публичном споре" Хевисайд был более сдержан, поскольку ему оппонировал его друг Томсон, уже ставший к тому времени лордом Кельвином. Спор возник относительно возраста Земли. Кельвин оценил его в 98 млн. лет, предположив, что тепло в недрах Земли распространяется в направлении ее поверхности через все геологические слои с одинаковой скоростью. Это значительно короче того периода, который по теории Дарвина необходим для возникновения сложных организмов. Возникло противоречие. Хевисайд предположил, что тепло по-разному идет через кору Земли и ее внутренние части. Это сразу повысило возраст до 300 млн. лет. Хоть и неправильный по современным воззрениям результат, но ближе к истинному положению дел. Это была последняя опубликованная работа Хевисайда, имя его исчезло из рубрики писем в редакцию, а в 1908 г. он переехал в город Торки на южном побережье Англии.

Звание члена Лондонского королевского общества и другие заслуги Хевисайда ничего не значили для его соседей, среди которых он сделался посмешищем. С годами у Хевисайда крепло чувство, что он гоним обществом. Писатель Беверли Николс, выросший в доме по соседству с домом Хевисайда, вспоминал о нем, как о чудаке и отшельнике, который подписывал свои письма странными буквами W.O.R.M. - "червяк" по-английски. Свою мебель он заменил гранитными глыбами, между которыми расхаживал угрюмый и неряшливый. Только ногти его всегда были ухожены и покрыты красным лаком.

Умер Хевисайд в феврале 1925 г. из-за ушибов, когда свалился с лестницы. Похоронен он в родительской могиле, и имя на его могильном камне заросло травой. Но когда вы будете в очередной раз звонить по междугороднему телефону и услышите громкий и четкий голос на другом конце, вспомните имя этого талантливого и необычного человека, подарившего вам эту возможность.