Экспериментальное доказательство Герцем теории Максвелла и его технические следствия

Заимствованная из механики и акустики теоретическая схема естественного волнового процесса позволяла транслировать для случая электромагнитных волн и соответствующую математическую схему - геометрическое изображение стоячей волны с ее узлами, пучностями, периодом, фазой и длиной. Пользуясь этой схемой Генрих Герц поставил соответствующие эксперименты и произвел необходимые измерения: в частности, изменения фазы и амплитуды электромагнитных волн при отражении и показателя преломления асфальтовой призмы. Герц также, как и Максвелл, использовал Фарадеево представление об электрических и магнитных силовых линиях, детализировав его. Например, он приводит изображения так называемого процесса "отшнуровывания" силовых линий от вибратора (колебательного контура), ставшего затем очень важным для радиотехники элементом радиопередающего устройства, анализируя распределение сил для различных моментов времени. Он называет такое изображение "наглядной картиной распределения силовых линий" (см. рис. 1) [9].

Герц строит особые структурные теоретические схемы и соответствующий им концептуальный аппарат (например, понятия вибратора и резонатора). Скрупулезное описание конструкции опытного оборудования (в том числе, материала, из которого изготовлены зеркала, их формы и размеров) сочетается у него с обобщенным теоретическим описанием экспериментально-измерительных ситуаций в виде структурных схем, которые являются прообразом будущих электрических схем радиоприемного и радиопередающего устройств и входят в состав физической теории (вибратор и резонатор). Для регистрации искры он искал сначала позицию микрометра, соединенного проводом с вибратором, а затем отсоединенного от него, что позволило ему открыть беспроводную передачу электромагнитных волн (см. рис. 2-А) [10].

При исследовании явления электромагнитного резонанса Герцу приходилось подбирать нужные параметры различных компонентов его установки, включавших индукционную катушку, разрядник, конденсатор и т.д. Он измерял длину искры и расстояние между вибратором и резонатором, на основе этих измерений вычерчивал резонансные кривые и проводил необходимые расчеты. Разрабатывая новое экспериментальное оборудование, он действовал как инженер, хотя и не имел в виду какого-либо технического применения своих экспериментальных устройств. И математический аппарат, и опыты служили ему лишь средством к пониманию и объяснению физического процесса - распространения электромагнитных волн в пространстве. Но благодаря именно его работам электродинамика смогла дать жизнь новой сфере инженерной деятельности и соответствующей ей технической теории.

Свою хорошо оснащенную лабораторию в университете Карлсруэ Герц унаследовал от Фердинанда Брауна, профессора электротехники, модернизировавшего в 1883-1885 гг. курсы соответствующих дисциплин в этом университете. Уже "в его ранних исследованиях, которые он проводил задолго до возникновения беспроволочной телеграфии, можно обнаружить зародыши важнейших разработок в этой области [...] Он обладал огромным даром и необыкновенным искусством создания вспомогательного экспериментального оборудования. Именно таким образом появилась измерительная аппаратура, имеющая большое самостоятельное значение, которая нашла применение в качестве физической исследовательской и измерительной техники", - писали о Брауне Мандельштам и Папалекси в 1928 г. [11]

Когда Герц прибыл в Карлсруэ, перед ним "была поставлена задача читать лекции по физическому эксперименту для студентов инженерных специальностей. Для решения этой задачи у него в распоряжении было все необходимое физическое оборудование, которое он мог также использовать и для исследовательских целей" [12]. Позже Герц писал:

"В физическом арсенале высшей технической школы Карлсруэ, где я проводил эти опыты, я нашел и использовал для лекционных целей пару так называемых спиралей Рисса [13]. У меня вызвал удивление тот факт, что не было необходимости разряжать большую батарею через эту спираль, чтобы сохранить искру в другой спирали, что было вполне достаточно использовать для этого, напротив, маленькие лейденские банки, ведь искрение небольшого индуктора происходило, сразу же после разряда искрового промежутка. Я заметил, что при изменении расстояния [между спиралями] появляется сопутствующая искра, и взял это явление как исходное для моего последующего исследования. Сначала я считал эти электрические движения слишком стремительными и нерегулярными для дальнейшего использования; но когда я обнаружил появление узлов [14] в середине рядом расположенного провода и тем самым ясное и чистое явление, я убедился, что теперь задача, поставленная Берлинской академией, может быть решена, а далее этого мое честолюбие тогда и не распространялось. Мое убеждение, естественно, усилилось после того, как я понял, что имею дело с регулярными колебаниями" [15].

В письме швейцарскому физику профессору Эмилю Эдуарду Саразэну Герц пишет в 1889 г. уже из Бонна:

"Приборы, с которыми я работал, были сделаны не каким-то искусным механиком элегантным способом по хорошо вычерченным эскизам, а частично мной самим, отчасти же лаборантом физического кабинета университета Карлсруэ. Они были кое-как склеены из кусков дерева, прикручены проволокой, приляпаны сургучом, и переделывались помногу раз. Шаровые полюса, например, были взяты от другого прибора и после того, как я уехал из Карлсруэ, были снова на него возвращены; некоторые части, которые можно было легко транспортировать, я прихватил с собой сюда, но по большей части все осталось в Карлсруэ".

Лаборант из Карлсруэ в принципе мог бы, по мнению Герца, создать копию этого прибора, но "он, скорее всего, не будет знать, как ему это сделать. Поскольку не сможет создать те приборы точно такими, какими были тогда" [16].

Своими исследованиями Герц установил следующее: электромагнитные волны, подобно свету, могут распространяться в непроводящей среде (эфире); они так же, как и свет, распространяются с конечной скоростью; в свободном пространстве интенсивность электромагнитных колебаний убывает обратно пропорционально первой степени расстояния от вибратора (а не третьей, как это происходит вблизи него); при подходящей частоте электрических колебаний в цепи вибратор может излучать в пространство электромагнитные волны (путем "отшнуровывания" силовых линий); электромагнитные волны и свет имеют одну и ту же физическую природу. Этих основных теоретических положений оказалось вполне достаточно для сознательного изобретения практических технических устройств. "С 1886 г. по 1888 г. Герцу удалось с искровым промежутком в качестве элемента, создающего колебания, и с настроенными колебательными контурами создать свободные (независимые от проводника) электромагнитные волны и доказать распространение этих волн в пространстве. Заимствованные из оптики опыты по преломлению, дифракции и отражению электромагнитных волн придали электромагнитной теории Максвелла уже определенное эмпирическое значение" [17].

Герц так характеризует следствия своих экспериментов:

"В оптике аналогией нашему опыту является опыт Ллойда с зеркалами Френеля. В оптике и акустике эти опыты используются как доказательства волновой природы света и звука, поэтому описанные здесь явления следует рассматривать как доказательство волнового распространения индуктивного действия электромагнитных колебаний" [18].

Герц ставил свои опыты, чтобы доказать наличие связи между светом и электричеством. В письме Герману фон Гельмгольцу от 30 ноября 1888 г. из Карлсруэ он пишет, что ему посчастливилось доказать регулярное отражение излучения. Для этого Герц установил рядом два зеркала таким образом,

"чтобы не было влияния А на В, а напротив этих зеркал поставил металлическую стенку так, чтобы искры сразу же проявлялись в В, которые еще были распознаваемы, если стенка отстояла от зеркал на 10 м. Точно так же я смог получить отражение под углом в 45°, причем я использовал две соседние комнаты, как показано на чертеже (рис. 6). Деревянные двери ничуть не мешали появлению искр" [19].

В. Кайзер замечает по этому поводу: "Волны Герца были приняты не только физиками как доказательство теории Максвелла. С волнами Герца само ядро теории Максвелла, а именно токи смещения и их электродинамическое влияние, несомненно привлекло внимание электротехников, которые уже почти в течение двадцати лет фиксировали его на сильноточной электротехнике" [20]. Однако создаваемая им аппаратура была еще недостаточно совершенной для практического применения.

Совершенствование экспериментального оборудования

После публикации результатов Герца развернулись исследования по усовершенствованию экспериментального оборудования и разработки новых, более простых и надежных способов получения и регистрации электромагнитных волн. "Не только профессиональные физики, преподаватели и изучающие физику, но также электротехники, получившие научное образование, пытались познакомиться с основными положениями этой теории" [21]. Эти работы фактически еще не выходили за пределы экспериментальной деятельности в естественной науке, но вели к техническому использованию электродинамики. П.Н. Лебедев в своей работе 1895 г. "О двойном преломлении лучей электрической силы" писал: "После того как Герц дал нам методы экспериментально проверить следствия электромагнитной теории света [...], естественно появилась потребность делать его опыты в небольшом масштабе, более удобном для научных изысканий" [22]. Именно эта деятельность и сделала возможным появление первых радиопередающего и радиоприемного устройств, хотя она и не выходила за пределы детальной разработки и конкретизации теоретической схемы электродинамики.

Прежде всего требовалось устранить основные недостатки вибратора Герца, в том числе быстрое затухание колебаний и быстрое обгорание контактов. Первый был довольно быстро устранен благодаря введению трех искровых промежутков вместо одного. Для уменьшения обгорания контактов предлагали помещать центральные сферы, соединяемые с внешними сферами разрядом, в масляную жидкость. Это позволило увеличить длину искры, не полируя каждый раз шарики, а также легко изменять период колебаний путем сближения или удаления обкладок конденсатора, включенного в первичный контур, или самих шаров вибратора. Риги, например, использовал для увеличения разности потенциалов искрового промежутка вазелин (рис. 7) [23].

Еще одним недостатком вибратора Герца была малая величина получаемой искры, что затрудняло ее регистрацию. Поиски более надежного способа наблюдения искр производились сразу многими исследователями. В качестве регистратора ими использовалась газоразрядная трубка, электроскоп, термоэлемент и т. д. Однако наиболее перспективным оказался когерер - прибор для обнаружения электрических колебаний, действие его основывалось на изменении сопротивления "плохого контакта" под действием электрических колебаний в цепи, частью которой он являлся. "Когерер" (или "фриттер") был разработан французским физиком Эдуардом Бранли. Когерер состоял из стеклянной трубки, наполненной прессованными металлическими опилками (рис. 8) [24].

Бранли показал, что электрическое сопротивление когерера, обычно довольно высокое, становится нулевым, если вблизи появляется искра. Сам он не сразу заметил здесь связь с электромагнитными волнами, но многие другие исследователи сразу же использовали его идею для беспроволочной телеграфии [25]. Когерер со своей способностью внезапно изменять состояние изолятора на состояние проводника был "полностью неопределенным конструктивным элементом" радиоприемника, который "не давал никакой возможности дать ему теоретическое описание" [26].

При помощи когерера английский ученый и инженер Оливер Лодж продемонстрировал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн. Как сообщает сам Герц:

"Профессор Оливер Лодж в Ливерпуле в те же годы, когда была сделана мной описанная работа, рассматривал теорию грозового разрядника и при этом провел ряд опытов по разряду весьма малых конденсаторов, которые привели его к наблюдению колебаний и волн в проводах. Поскольку он действовал полностью на основе максвелловских представлений и весьма усердно стремился доказать эти представления, несомненно, если бы я не опередил его, он также пришел бы к наблюдению волн в воздушной среде и таким образом получил бы доказательство распространения электрической силы во времени" [27].

Работа с когерером имела свои сложности. Для возвращения его в состояние изолятора опилки у него внутри требовалось встряхивать, для чего в цепь включался автоматический встряхиватель опилок. Поначалу встряхиватель включали в цепь самого когерера, а затем во вторичную цепь с более мощным источником энергии. Так возникло первое радиоприемное устройство. Его работа основывалась на том, что пришедшая электромагнитная волна делает металлические опилки или никелевый порошок проводником и таким образом активирует вспомогательный вторичный контур. "Оливер Лодж уже в начале 90-х гг. смог значительно усовершенствовать оборудование Герца. Однако это оборудование все еще не выходит за пределы лабораторного применения" [28]. Маркони конструктивно улучшил уже имеющееся оборудование, создал технологичную конструкцию. Для ее производства и продвижения на рынок он основал в 1897 г. компанию "Wireless Telegraphy and Signal", положившую начало трансферту этой новой техники ("телеграфа без проводов") в хозяйственную сферу.

Интересно сравнить описания опытов Попова и Маркони. В книге "Царство изобретений", впервые опубликованной в 1901 г., передача сигналов на расстояние, осуществленная Маркони, описывается следующим образом [29].

В 1898 г. для проведения опытов с телеграфией без проводов было выбрано предгорье на юго-восточном побережье Англии. (Первый опыт был проведен в 1896 г. на относительно небольшом расстоянии, примерно в 13 км через Бристольский канал. - В.Г.) Это место уже было и раньше связано с историей электричества: там на маяке испытывали свои первые машины переменного тока Б. Хопкинсон и Адамc. "Именно перед этим маяком была воздвигнута мачта высотой в 350 м, составленная из трех частей, передатчик и приемник электрических волн, которые являются носителями беспроволочной телеграфии" (рис. 9). Станция состояла из большой катушки индуктивности, когерера и аппарата для приема телеграмм (рис. 10) [30]. "Улучшенная конструкция позволила сделать так, чтобы приемный аппарат включался автоматически, как только передавались депеши, и чтобы тем самым станция всегда была готова к приему телеграфных сообщений. Принятая телеграмма вычерчивалась [...] в виде четких точек и тире с помощью специального карандаша на движущейся бумажной ленте; кроме того, можно было включать электрический звонок, по его сигналам телеграфист мог принимать депешу непосредственно на слух. Даже неопытные телеграфисты с помощью этого аппарата могли достичь скорости от четырнадцати до пятнадцати слов в минуту, а опытные - более двадцати". После того как успешно была осуществлена связь между английским и французским побережьями на расстоянии 50 км, аппарат решили дальше улучшать [31].

Что же, собственно говоря, нового сделал Маркони, если все, что он применил в своем аппарате, было известно до него?

"Вклад Маркони следует искать в ином направлении. В действительности ему удалось, в отличие от его предшественников, с помощью в принципе уже известных мероприятий и на основе интуиции относительно технических характеристик прийти к функционирующему целому; достаточным физическим образованием он, однако, не обладал" [32]. Собственный изобретательский вклад Маркони был минимальным. "Если ставить вопрос относительно оборудования, то на него легко ответить: он привнес очень мало в то, что уже существовало. [...] Он перевел уже сделанные другими научные открытия в полезное и потенциально прибыльное устройство. Говоря аналитически, Маркони был заключительной ступенькой в простой линейной прогрессии - заключительной в том смысле, что вместе с ним и подобными ему экспериментаторами (Поповым в России; Дюкрете во Франции; Слаби, Арко и Брауном в Германии; Стоуном, Фесседеном и де Форестом в США; до некоторой степени Лоджем в Англии) линия научного прогресса, ведущая свое начало от Фарадея и Максвелла до Герца, достигла теперь стадии коммерческой эксплуатации. Передача нового знания происходила до этой точки исключительно в одну сторону: от науки к технике и затем к коммерческому использованию. Теперь, однако, зародился противоположный поток информации, когда Маркони, стремясь к достижению все большего расстояния, вышел за пределы той сферы знания, в какой исследования современных ученых могли бы ему помочь, и начал исследовать проблемы, решения которых у науки не было. Функция Маркони становилась более сложной. Кроме использования уже имеющегося научного знания для практических целей, он, словно в порядке обмена, стал и сам предлагать науке проблемы, которые ей следовало решать [...]

Как занимающийся новыми технологиями предприниматель и рационализатор Маркони достиг той проблемной сферы, где наука не имела готовых ответов. Подобная поставка новой информации из "сферы опыта" оказалась бы значительно более медленной, если ее источником служили ученые, давно занимающиеся этой проблематикой, и, вероятно, было бы меньше неожиданных результатов, если Маркони удовлетворился бы работой с волнами очень короткой длины. Следует отметить, что Лодж в своих экспериментах и демонстрациях между 1894 и 1896 гг. не находил ничего, что его удивляло бы, никаких явлений, которые он как ученый считал бы аномальными или странными. Маркони, напротив, уже с 1895 г. начал уходить от этого упорядоченного и хорошо организованного пастбища в область неизведанного. Рассмотрим, например, что ему потребовалось, чтобы полностью понять полученные им результаты, оперируя со своей новой антенной и когерером. Ему требовалось создать теорию проектирования антенны; не считая фундаментальной теории линейного диполя, здесь ничего не было сделано. Ему была нужна теория распространения радиоволн и в особенности теория, которая позволила бы ему распознавать и использовать различия между характеристиками распространения разных диапазонов частот. Но такой теории не существовало [...] Ему нужна была также такая теория линий передачи, которая помогла бы ему согласовать его передатчик и приемник с антенной. В этой области были выработаны некоторые эмпирические соотношения, но систематически организованного знания не существовало. В каждой из этих областей работа Маркони заключалась в генерации новых данных и проблем" [33].

Точно также экспериментировал в России с беспроводной передачей сигналов Александр Попов: "Летом 1897 г. Попов увеличил возможное расстояние передачи. На средства Морского министерства Попов построил новые приборы и достиг 5-километровой дальности передачи сигнала. Этот первый российский опыт с радио, имевший в первую очередь военное значение, сохранялся в тайне, но открытое при этом свойство отражения радиоволн от предметов (а именно от кораблей) послужило основой для будущего радара. В 1898-1899 гг. Попов руководил экспериментами на Балтийском и Черном морях и разработал способ преобразования принятых радиоволн в звуковые сигналы (ранее модно было их регистрировать лишь на бумаге). В 1900 г. дальность передачи сообщений достигла уже 112 километров" [34] (см. рис. 11) [35].

Чиновники того времени плохо понимали, чем занимается Попов, и весьма незначительно поддерживали его работу. Он умер в 1906 г. после очередной бессмысленной беседы с министром. Важность его исследований стали правильно оценивать лишь спустя некоторое время после его смерти. В 1910 г. для разработки морских радиостанций в Санкт-Петербурге Морское министерство России основало "Радиотелеграфное депо" (позже ставшее радиотелеграфным заводом). Но действительно серьезную государственную поддержку радиотехнические исследования - как теоретические, так и прикладные - получат только в Советское время. Такой же поддержкой будет пользоваться и радиопромышленность.

Маркони, рассчитывая на коммерческий успех, активно пользовался результатами других исследователей и изобретателей, демонстрируя при этом необыкновенную смекалку. Но очень скоро оказалось, "что для достижения большей дальности передачи сигналов требуется непропорциональное увеличение высоты антенны. Так, в 1897 г. Слаби для передачи сигнала на расстояние в 21 км использовал антенный провод длиной 300 м, прикрепленный к воздушному шару. Совершенно очевидно, что по такому пути новое блестящее изобретение Маркони развиваться дальше не могло, требовались новые идеи и лучшее понимание происходящих в нем физических процессов. [...] И то и другое обеспечил Ф. Браун" [36]. Он разработал так называемый сдвоенный передатчик (первичный контур - конденсаторный контур с искровым промежутком, вторичный контур - антенна), в то время как Маркони использовал антенну с включенным в нее искровым промежутком. Какие физические процессы происходили в антенне Маркони, никто себе ясно не представлял. В противоположность Маркони Браун сознательно работал с большими длинами волн.

14 октября 1898 г. Браун запатентовал это изобретение. Его ассистент и ближайший сотрудник Ценнек провел серию опытов на Северном море и доказал явное преимущество передатчика, созданного Брауном. Маркони моментально перенял новое изобретение, что позволило ему реализовать беспроводную телеграфную связь между Европой и Америкой в 1901 г. Интересно, что сам Маркони после первых успешных опытов по передаче сообщений на сравнительно небольшое расстояние не верил в возможность реализации беспроводной телеграфии на большие расстояния (как, например, между Европой и США). Он называл распространяемые тогда в прессе по этому поводу рассуждения как необоснованные фантазии. "...Сам [Маркони] ни в коем случае не соглашается с фантастическими сообщениями прессы, которые видят в его изобретении знаки телеграфии будущего и считают реализацию беспроводной телеграфной связи между Америкой и Европой лишь вопросом времени. Эти сообщения прессы вызвали легко объяснимое беспокойство кабельных компаний. По его же мнению, беспроволочная телеграфия не сможет вытеснить провод и кабель, если речь идет о тысячах километров" [37]. Другой немецкий ученый Адольф Слаби, принимавший участие в опытах Маркони в мае 1897 г., после этого сам провел эксперименты по беспроволочной телеграфии.

А. Слаби улучшил аппаратуру: он использовал в качестве передатчика искровой индуктор (катушку Румкорфа), так чтобы его искровой промежуток располагался в антенном контуре, индуктивно с ним связанном. Когерер же и соответствие антенного провода различным частотам были также последовательно улучшены (рис. 12) [38].

Спор за приоритет между Поповым и Маркони демонстрирует нам различия в "философии техники" сообществ ученых и инженеров. В то же время становится ясным, что для внедрения новой техники в жизнь важную роль играют не только открытие, изобретение и их патентирование, но и их приспособление к промышленному производству этой новой техники, а также распространение вновь созданного продукта (нововведения) на рынке. Такую способность соединить воедино все эти области лучше всего продемонстрировал Фердинанд Браун, "блестящий физик-теоретик и практик", он развивал беспроволочную телеграфию "одновременно со своими контактами в области промышленности". Он не только вовремя и грамотно патентовал и защищал свои изобретения, но также создал фирму для продвижения своих изобретений и патентов на рынок. Он доказал, например, что его патенты на замкнутый колебательный контур и рамочную антенну, без которых вряд ли возможно было бы перейти к передаче сигналов на большое расстояние, появились существенно раньше патентов Маркони.

В Германии продолжалась борьба за приоритет между Брауном и Слаби, но они смогли ее прекратить. Слаби и его бывший ассистент Граф Арко работали на фирму "АЭГ", а Браун - на фирму "Сименс". Браун разработал и усовершенствовал также целый ряд измерительных инструментов. Коммерческое распространение всех этих приборов Брауна на рынке взяла на себя фирма "Хартманн и Браун", руководителем которой был брат Ф. Брауна. В связи с ростом значения радиотелеграфии, чтобы создать противовес деятельности фирмы Маркони, в 1903 г. с помощью "АЭГ", а также "Сименс и Гальске", которые до того находились в конкуренции друг другу, было основано "Общество беспроволочной телеграфии" (Телефункен) [39]. "Для телеграфии в водной среде он работал совместно с инвестором Стольверком. Это сотрудничество привело его в июле 1900 г. к созданию нового "Общества Браун-Сименс-Гальске", которое позже слилось с другими предприятиями и до сих пор производит свою продукцию под именем "Телефункен". Впрочем, с технической точки зрения новая фирма "Телефункен" еще долгое время уступала британскому "Обществу Маркони". Ей, правда, удалось благодаря демпинговым ценам получить у российского правительства заказ на оснащение Российского военно-морского флота системами Арко-Слаби. Но во время морской битвы при Цусиме (против японского морского флота) она отказала в работе, а несколько станций Маркони надежно работали" [40].

Развитие электродинамики проходило далее в двух основных направлениях: 1) дальнейшее обобщение и систематизация физической теории; 2) совершенствования структурных схем эксперимента, стимулировавшего появление беспроволочной телеграфии (радиотехники). Второе направление носило в основном инженерный характер.