Что же представляет из себя изобретение, зародившееся в 1894 году во время моего путешествия по Швейцарии? С этим изобретением связан один из эпизодов научной истории, и я кратко остановлюсь на этом здесь:
Колебательное движение электричества по проволоке напоминает во многом распространение колебательного движения шнура или струны от одного конца к другому. Это распространение электрического движения по длинному проводнику от одного конца к другому впервые было исследовано профессором В.Томсоном-Кельвином в Глазговском университете в 1855 году, когда проектировался Атлантический кабель. Он разработал проблему электрической сигнализации по подводному кабелю, а три года спустя Кирхгоф, бывший моим учителем в Берлине, разработал ее для телеграфной связи по надземным проводам, натянутным на столбы. Когда в 1876 году был изобретен телефон, сразу же появилась необходимость в математической теории телефонной трансмиссии по длинным проводам. Тот, кто понимал работу Томсона и Кирхгофа, мог без особых трудностей разрешить эту проблему телефонной трансмиссии. Француз Ваши и англичанин Хевисайд были первыми, кто разработал ее. Они сделали это в указанном хронологическом порядке: Ваши был на два года впереди Хевисайда. Они оба заметили: так же как в кабеле и в надземной телеграфной линии, в телефоне редукция передаваемой электрической силы была тем меньше, чем больше была так называемая индуктивность проволоки-проводника. Многие склонны думать, что это наблюдение было важным открытием. Я никогда не считал это за открытие, потому что я верил, что работа Томсона и Кирхгофа сделала это наблюдение очевидным. Но как бы то ни было, наблюдение Ваши было сделано на два года раньше Хевисайда, но ни тот и ни другой не усмотрели в этом особый случай общего физического принципа. Этот принцип, между прочим, сделал союзникам большую услугу в Мировой войне, в их борьбе против подводных лодок. Я вкратце остановлюсь на нем.
Звук передается через воду или через твердые тела значительно лучше, чем через воздух. Я знал это, когда, будучи еще подпаском в Идворе, изучал искусство сигнализации через землю. Почему же, спрашивается, вода или твердая земля передает звук лучше воздуха? Идворские пастухи не могли мне ответить на это, но познакомившись с этим явлением в раннем возрасте, я был подготовлен искать его объяснение в динамике, как только я почувствовал в этом необходимость. Она явилась в Швейцарии летом 1894 года.
Передача звука означает собой передачу колебательного движения от одного элемента вещества к другим смежным с ним элементам. Элемент передающий энергию колебания действует, а элемент получающий ее — противодействует. Каждый элемент способен применить три противодействующих силы. Одну — против перемены скорости своего движения, то есть против перемены инерции. Эта реакция называется кинетической реакцией и, как я уже говорил раньше, была открыта Галилеем триста лет назад. Вторая реакция направлена против эластического сжатия получающего элемента. Она называется эластической реакцией и была открыта Хуком, современником Ньютона, двести лет назад. Третья сила является фрикционной реакцией, известной с очень давних времен. Таким образом существуют три формы энергии, производимой в противодействующем элементе каждого вибрирующего тела работой действующего элемента. Результатом первой реакции является энергия движения массы противодействующего элемента; результат второй — энергия эластического сжатия элемента, а третья — дает тепло. Первая и вторая реакции являются энергией звукового колебания и передаются дальше к смежным элементам, но третья не создает звукового колебания и как таковая не передается. Она остается как тепло и представляет собой редукцию звуковой энергии, передающейся от одной части тела к другой. Ясно, что редукция будет тем меньше, чем больше первые две реакции по сравнению с реакцией трения. Тяжелые несжимающиеся тела, как вода, металлы или твердая почва имеют большую кинетическую и эластическую реакцию, чем воздух и поэтому они передают звук лучше воздуха. Этот физический принцип играл большое значение во время Мировой войны в подводном и надземном наблюдениях по звукам. Пастухи Идвора блестяще пользовались этим принципом в их сигнализации через землю. Я не думаю, чтобы и Ваши и Хевисайд имели ясное представление об этом. И если я прав, то весьма интересно, что сербские крестьяне знали о физическом принципе, который, очевидно, был неизвестен таким французским и английским ученым, как Ваши и Хевисайд.
Переходя теперь по аналогии от движения материи к движению электричества, мы можем, образно говоря, заключить, что колебательное движение электричества будет передаваться от одного конца проводника к другому тем лучше, чем тяжелее это электричество, и чем меньше его сжатие, или, говоря обыкновенными словами, можно сказать, что чем выше кинетическая и эластическая реакции движущегося электричества, тем лучше будет передаваться по проволоке энергия его колебательного движения. Но это означает, что индуктивность проволоки должна быть как можно больше, а ее ёмкость — как можно меньше. Всё это было очевидно из работ Томсона и Кирхгофа за двадцать лет перед тем, как Ваши и Хевисайд начали работать над математической теорией телефонной трансмиссии. Эти два крупных математика имеют большую заслугу в их непреклонной защите индуктивности. Телефонные инженеры, в те времена, плохо разбирались в математической теории и общих принципах трансмиссии колебательных движений и были настроены скептически.
Проволочная спираль, намотанная на железный стержень, представляет собой первую картину в нашем представлении, когда мы слышим о только что упомянутой мной индуктивности. Если индуктивность увеличивает эффективность передачи телефонной линии, но вы не можете включить ее в линию в большом количестве, то само собой напрашивается предложение: включить как можно больше таких катушек в телефонную линию. Ваши попытался, но безуспешно. Пикернель, главный инженер отдела дальних линий Американской Телеграфной и Телефонной Компании, тоже попытался и также безуспешно. Хевисайд заключил, что, этот эксперимент не давал положительных результатов индуктивности. Я сделал попытку и нашел, что эксперимент давал весьма замечательные результаты в индуктивности, включаемой в сеть именно таким способом. Мне удалось это лишь потому, что я не делал догадок, а руководствовался математическим решением обобщенной проблемы Лагранжа. Что говорит это решение, когда оно применяется к электрическому движению по проволоке? Оно говорит следующее: включите ваши индуктивные катушки в телефонную линию на таких расстояниях друг от друга, чтобы для всех колебательных движений электричества, которые желают передать, было несколько катушек на каждую длину волны. В телефонной трансмиссии речи это означает одну катушку на каждые четыре или пять миль надземного провода и одну катушку на одну или две мили в телефонном кабеле. Такой провод согласно описанному выше общему физическому принципу передает значительно лучше. Чтобы иллюстрировать это аналогичным явлением из механики, мы можем сказать, что легкий шелковый шнур, подвешенный между двумя предметами и имеющий на равных расстояниях друг от друга тяжелые дробинки будет действовать как равномерно отяжеленный шнур для всех колебательных движений, длина волны которых охватывает несколько интервалов, разделяющих дробинки. Шнур будет передавать эти движения от одного конца к другому на много лучше, чем если бы этих дробинок не было. Этот простой эксперимент с дробинками и растянутым шнуром может быть легко испробован. Этот опыт прост, дешев и вполне убедителен, если вы даже и не знаете математических оснований этой проблемы. Этот простой эксперимент и занимал меня, когда я блуждал по зигзагам швейцарских дорог в 1894 году. Один профессор физики, который часто был научным консультантом телефонных компаний, имел такой шнур над столом своей аудитории для того, чтобы объяснять трансмиссию волнообразного движения с одного конца шнура к другому. Но он никогда не сделал из этого какого-нибудь заключения относительно зарядки телефонных линий индуктивными катушками. Когда я обратил его внимание на это явление и пошутил над ним, он сердился на свою неудачу, думая очевидно, что решение механической задачи и связанное с ней изобретение было делом счастья.
