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»…
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».
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.
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[46]. 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.
46
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.