Antonio Rojo - Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

Следуя, как всегда, своей интуиции, Фарадей дал этому качественное объяснение, которое позже опубликовал в «Философском журнале». Любой электрический сигнал, который передается по кабелю, создает вокруг себя «электронное возмущение». Если кабель окружен сухим воздухом, не происходит ничего значительного. Но вода обладает электрической проводимостью, которой нельзя пренебрегать. Эта проводимость явно больше проводимости сухого воздуха, следовательно, когда кабель погружают в воду, появляются местные индуцированные электрические токи, которые тормозят исходящий сигнал. В статье Фарадей, как это было характерно для него, не приводил никаких конкретных расчетов, ограничиваясь только изложением своего видения проблемы.

Однако публикация Фарадея заинтересовала Уильяма Роуэна Гамильтона, который на собрании Британской ассоциации развития науки в 1854 году, прошедшей в Ливерпуле, обратился к Томсону за консультацией на этот счет. Томсон посоветовал Гамильтону побеседовать со Стоксом, что тот и сделал. Но Стокс не смог решить вопрос и снова передал проблему Томсону, который в итоге сформулировал основные уравнения телеграфии. Сделал он это исключительно чтобы удовлетворить свое любопытство. В первом из писем, которыми Томсон обменялся со Стоксом, после краткого вступления («Когда я перечитывал твое письмо этим утром, чтобы ответить на него, я понял, что все это должно вычисляться следующим образом») ученый привел все необходимые действия для анализа передачи электрических сигналов в изолированных подводных кабелях.

В декабре этого же года Томсон написал Стоксу письмо, в котором просил его не публиковать полученные результаты, поскольку он совместно с Ранкином и Джоном Томсоном (братом Уильяма, преподавателем медицинской практики в Университете Глазго) подал заявку на патент. При этом Томсон не обладал никакими знаниями в вопросах, связанных с промышленностью и интеллектуальной собственностью. Так, в письме брату Джеймсу он отмечал:

«[Ранкин] предложил взять патент, о чем я не имел никакого представления ранее. Надеюсь, через несколько дней он будет нам предоставлен; между тем не рассказывай ничего из того, что я говорил тебе на эту тему. Не думаю, что смог многое сделать по ней, но, возможно, она окажется продуктивной».

Внезапно, как это часто происходит с учеными, которые вступают в прикладные области, Томсон открыл для себя правила, действующие в промышленной сфере и очень отличающиеся от возвышенных академичексих норм.

Интерес Томсона к технологическим и прикладным аспектам физики не был новым. В этом смысле решающую роль сыграла лаборатория, которую он начал оборудовать, как только приехал в Университет Глазго в 1846 году. Кроме достижения основных целей (дополнять теоретическое образование и получать новые экспериментальные данные, необходимые для развития научных теорий), это помогло Томсону разработать новые измерительные приборы, особенно в области электромагнетизма. Ученый тесно сотрудничал с фирмой Jаmеs White Optician and Philosophical Instrument Makers: основанная в Глазго в 1850 году, она со временем изготовила и ввела в торговый оборот многие устройства, придуманные Уильямом.

Модель кабеля, изготовленная Томсоном, была относительно простой. Кабель состоял из медной жилы, окруженной изолятором и водоупорной защитой. Томсон предположил, что это равносильно сочетанию сопротивления и конденсатора, особые характеристики которых определялись конкретными деталями кабеля. В этой модели электрическое поведение кабеля было простым: чем больше толщина медной жилы, тем меньше сопротивление; чем шире изолирующий слой, тем меньше соответствующая способность конденсатора. Последний отвечал за накопление заряда по мере того, как электрический импульс проходил по кабелю. Томсон вычислил время, необходимое сигналу на то, чтобы дойти до другого конца кабеля, и выяснил, что при неизменном значении сопротивления и пропускной способности время пропорционально квадрату длины кабеля. Этот результат для проекта трансатлантического кабеля обескураживал, но Томсон не терял надежды, отмечая, что при достаточно интенсивном сигнале, некотором терпении со стороны операторов и, безусловно, довольно низкой стоимости передачи сигнала общение все же возможно.

Томсон опубликовал эти результаты в статье под названием «Ü теории электрического телеграфа», в которой снова провел аналогию с теорией Фурье: переданный электрический импульс аналогичен теплу, движущемуся через твердое металлическое тело. Томсон очень любил проводить аналогии между проблемами из разных областей, и это его пристрастие было общеизвестным.

Некоторые экспериментаторы, в частности английские инженеры Генри Дженкин и Кромвель Флитвуд Варли, подтвердили расчеты Томсона. Но закон квадратов — как стали называть полученное ученым отношение - вызывал споры. В 1856 году на собрании Британской ассоциации развития науки Уайтхаус представил результаты, противоречащие выводам Томсона. Основываясь на смутных экспериментах и недостоверных гипотезах, он сделал вывод, что время передачи должно быть пропорционально длине кабеля (а не ее квадрату), и не без некоторой чванливости указал:

«И каков, могли бы вы спросить меня, общий вывод, который можно сделать в результате этого исследования о законе квадратов применительно к подводным цепям? Со всей искренностью я могу рассматривать его только как выдумку преподавателей, принужденную и насильственную адаптацию принципа физики, хорошего и истинного в других обстоятельствах, но ошибочно примененного здесь».

Томсон позирует с компасом. Снимок около 1900 года.

Сайрус Филд, инициатор проекта трансатлантического телеграфного кабеля.

Члены Международной ниагарской комиссии, Томсон сидит в центре.

После этого представления между Томсоном и Уайтхаусом состоялся обмен репликами, во время которого каждый защищал свою позицию. Первый выявил неточиости в экспериментах второго; тот ответил, что расчеты оппонента сделаны на основе идеальной модели. Независимо от того, понял ли Уайтхаус предложение Томсона, также верно, что анализ последнего не был и не мог быть полным. Однако ученый верил в полученные результаты, что полностью подтверждают сказанные во время дебатов с Уайтхаусом слова: «Как и любая теория, эта является всего лишь сочетанием установленных истин». Очевидно, что такой подход не гарантирует абсолютной точности. Подводный кабель был намного более сложным объектом, чем способна описать модель, а с другой стороны - разработка электромагнитной теории также еще не была завершена. И все же у анализа Томсона было два преимущества. Одно - общего характера: рационализация, которая предполагала подход к проблеме с научной точки зрения. Другое - более прагматичное: он объяснял, хотя и очень приблизительно, поведение подводных кабелей.