Валерий Родиков - Приключения радиолуча

Если рассматривать последнее уравнение отдельно, то само по себе введение тока смещения мало бы что дало. Но в совокупности с остальными тремя уравнениями эта добавка, можно сказать, произвела революционный переворот в физике.

Максвелл так и не отрешился полностью от механической модели. Для своей теории электромагнитного поля ему понадобился эфир — неощутимый вид материи, которым заполнено все мировое пространство. Ток смещения — смещение частиц эфира. И действительно, если в какой-нибудь вакуумный сосуд поместить две пластины и соединить их с источником переменного тока, то на помещенную поблизости магнитную стрелку будет воздействовать переменное магнитное поле так же, как если бы в пространстве между пластинами протекал поток электронов, или иначе конвекционный ток. Впоследствии теория эфира отмерла, но уравнения Максвелла от этого нисколько не пострадали. Название тока смещения стало историзмом, а его дублер — переменное от времени электрическое поле — ничуть не хуже выполняет функции колебания частиц эфира.

«Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено», — писал об уравнениях Максвелла немецкий физик Генрих Герц. Ему первому удалось экспериментально доказать правильность Максвелловой теории.

Именно Генрих Герц, а точнее — англичанин Оливер Хевисайд и Генрих Герц (приоритет Хевисайда признал сам Герц) придали уравнениям тот изящный вид, в котором они и представлены в современных учебниках и научной литературе.

С именем Оливера Хевисайда связаны многие открытия в области физики, прикладной математики, телеграфии. Это был гениальный самоучка, намного определивший свое время.

В частности, за 15 лет до Эйнштейна он получил знаменитую зависимость между энергией и массой Е = mc 2, известную ныне как формула Эйнштейна.

Он был одним из создателей векторного исчисления. Теперь начала векторного исчисления преподают в школьном курсе математики и физики, но в то время, около ста лет назад, хотя понятие вектора и было известно, им практически не пользовались для описания физических явлений. Векторный способ представления уравнений Максвелла сделал их более наглядными и более доступными.

Курсы теоретических основ электротехники и радиотехники для студентов вузов электротехнических и радиотехнических специальностей начинаются с операторного метода расчета цепей, созданного Хевисайдом.

Для исследования переходных процессов в электрических цепях, то есть для изучения того, что в них происходит после подключения или отключения питания, при импульсных воздействиях Хевисайд ввел специальную функцию, которая получила название функции Хевисайда.

В приложении к электрическим цепям это, по сути, единичный скачок напряжения, а математически — такая функция равна нулю во все отрицательные моменты времени и равна единице во все положительные моменты времени.

Хевисайд пользовался в своих расчетах еще одной функцией. Он назвал ее импульсной. Для его современников-ученых функция казалась по меньшей мере странной. Она равнялась нулю во всех точках, кроме одной, где ее значение взлетало в бесконечность, но таким образом, чтобы интеграл от нее был равен единице. Хевисайд подробно разобрал свойство такой функции, которую он использовал для изучения импульсных воздействий на электрические цепи. Его работа была забыта, и через тридцать лет импульсную функцию переоткрыл и ввел в обиход физики английский ученый Дирак. Теперь она носит название дельта-функции Дирака.

Хевисайд внес большой вклад в теорию передачи электрических сигналов по линиям связи. Уравнения Хевисайда принесли огромные барыши телеграфным компаниям, а сам их создатель жил в бедности. Хевисайд был горд. Он не принимал пожертвований.

В 1902 году (одновременно с американским электротехником Кеннели) Хевисайд указал на существование высоко над поверхностью Земли ионизированного слоя, который должен отражать короткие радиоволны. Специалисты не сразу поверили открытию. И только в 1924 году, за два месяца до смерти Хевисайда, было получено подтверждение существования слоя. Его раньше называли слоем Хевисайда. В современной, даже узко специализированной литературе этого названия почти не встретишь. Тем удивительнее было увидеть его в стихах…

Автор строк, датированных 1946 годом, поэт Сергей Орлов, фронтовик. Я недавно наткнулся на них, просматривая вышедший посмертно (в 1982 году) сборник его стихотворений. Забытое название — «слой Хивсайда» — привлекло мое внимание. Прочел стихотворение и восхитился: «Первый послевоенный год — и такая вера в будущее!» Спустя пятнадцать лет сквозь «слой Хивсайда» проложил трассу и отмерил первые космические версты Юрий Гагарин.

Кстати, Оливера Хевисайда Максвелл упоминает в своем знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме». Приведенные Максвеллом в главе «Измерения электрического сопротивления» результаты Хевисайда, пожалуй, самое малое, что сделал Хевисайд в области электромагнетизма.

Хевисайд купил «Трактат» Максвелла вскоре после его выхода. Можно сказать, что он определил всю его дальнейшую жизнь.

Чтобы осилить книгу, а она оказалась для него очень трудной, Хевисайду пришлось самостоятельно изучить высшую математику. На это ушло несколько лет. Но годы самоотверженной работы окупились сторицей. Ему, как и Герцу, удалось свести двенадцать уравнений, которые дал Максвелл в своем «Трактате», лишь к четырем (о них мы упоминали).

Многое из того, что сделал Хевисайд, входит в учебники по электричеству без всякого упоминания о его имени, хотя не только теоретические основы электротехники, но и ее язык, терминология в значительной мере созданы Хевисайдом. «Импеданс», «индуктивность», «проницаемость», «затухание», «отрицательное сопротивление», «линия без искажений»… Эти общеупотребительные сегодня термины введены Хевисайдом.

«…Он исследовал влияние земли, моря и верхней атмосферы на распространение радиоволн и объяснил, каким образом энергия распространяется между двумя удаленными точками, огибая кривизну земной поверхности…» — было написано в статье, посвященной памяти Хевисайда в журнале фирмы «Белл систем». Статья появилась не случайно. Американская фирма высоко оценила теоретические исследования Хевисайда для практики связи. А фирма была известна своей деловитостью.