Текст книги "Американские ученые и изобретатели"

Автор книги: Митчел Уилсон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 17 страниц)

Самостоятельные открытия и изобретения Эдисона

В тот же год, когда Эдисон завершил работу над телефоном, он, сидя за письменным столом, вчерне набросал чертеж нового аппарата, потом с минуту глядел на него, прикидывая, сколько времени уйдет на его изготовление. Эдисон платил своим механикам сдельно, и сбоку на чертеже он написал «18 долларов». Он передал чертеж Джону Круези. Механизм был совсем прост, и, уже почти кончая сборку деталей, Круези мимоходом спросил у Эдисона, что это будет такое.

– Говорящая машина, – ответил Эдисон. И Круези расхохотался над шуткой Старика.

Когда аппарат был готов, Эдисон установил его и громко крикнул в рожок: «У Мэри был барашек». Затем он что-то переключил в аппарате, и машина скрежещущим голосом выкрикнула те же слова. Круези опешил от изумления.

Тот факт, что электрический свет, телеграф, телефон и динамомашина Эдисона были вариантами уже существовавших изобретений, никак не умаляют роли изобретателя. Большинство ученых работало в направлениях, намеренных их предшественниками. Ньютон продолжал дело Кеплера, Франклин – Хоксби и Уиллард Гиббс – Клаузиуса.

Первый фонограф Эдисона

Однако случается, что человек находит новую дорогу, на которую еще никто не ступал. Идея фонографа, машины, записывающей, неограниченное время сохраняющей и воспроизводящей человеческую речь и музыку, была совершенно новой. Патентное бюро, следуя обычной процедуре, пыталось разыскать прецедент, но не нашло ничего, даже отдаленно напоминающего изобретение Эдисона, несмотря на то, что отдельные узлы, входящие в конструкцию, не являлись новинкой.

Эдисону пришла в голову мысль о говорящей машине, когда он разрабатывал метод записи телеграмм на поверхности плоского вращающегося диска иглой, которая по спирали наносила точки и тире. Для воспроизведения телеграммы плечо рычажка помещалось в желобке цинкового диска, и, когда диск вращался, плечо опускалось и поднималось в соответствии с пометками на диске. Однажды Эдисон запустил машину на большой скорости, и плечо рычажка начало вибрировать, издавая звуки. Эдисон тут же сообразил, по аналогии с телефонными экспериментами, что, если он прикрепит плечо рычага к диафрагме, будут возникать звуковые волны разной частоты.

На чертеже, который Эдисон передал Круези, был изображен вращающийся цилиндр, приводимый в движение ручкой. Он был обернут листом олова При вращении цилиндр продвигался вдоль двух неподвижно закрепленных рожков. Один рожок был микрофоном. В нем находилась гибкая диафрагма с крохотной иглой; игла соприкасалась с оловянной оболочкой цилиндра.

Когда кто-нибудь говорил в микрофон и одновременно вращал цилиндр, вибрации диафрагмы оставляли шероховатый след на оловянной оболочке. Для воспроизведения записи микрофон снимали, цилиндр возвращали в первоначальное положение, и другая трубка со значительно более чувствительной диафрагмой и более легкой иглой ставилась на место микрофона. При вращении рукоятки иголка передавала вибрацию диафрагме, которая создавала звуковые волны.

В следующей модели фонографа одни и те же диафрагма и игла использовались и для записи, и для воспроизведения. При воспроизведении на диафрагму крепился мегафон для усиления звука.

Публика впервые узнала о существовании фонографа в 1877 году, когда Эдисон показал его нескольким друзьям. Они увидели незамысловатую машину, которая, к их удивлению, говорила голосом, похожим на человеческий и в то же время каким-то сверхъестественным: «Доброе утро! Как поживаете? Как вам нравится фонограф?»

Усовершенствованная модель фонографа Эдисона.

Эдисон был в восторге от своего изобретения. Он предложил следующие десять способов его применения:

1) диктовка писем и документов без стенографистки;

2) фонографические книги для слепых;

3) обучение красноречию;

4) воспроизведение музыки;

5) запись на память семейных событий, голосов членов семьи;

6) музыкальные шкатулки и игрушки;

7) часы, которые могут вслух объявлять время;

8) сохранение языков посредством точной регистрации правильного произношения;

9) в целях образования;

10) в сочетании с телефоном для записи переговоров.

Так же как когда-то Эдисон усовершенствовал телефон Белла. Белл и его помощники развили теперь идею Эдисона. Они создали графофон, в котором восковой цилиндр заменил оловянный Игла теперь оставляла дорожку на цилиндре, в то время как в аппарате Эдисона она наносила вдавленные отметины. Графофон значительно превосходил по качеству машину Эдисона. Для массового производства была создана компания «Коламбиа Графофон компания».

Третий вид «говорящей машины»-граммофон – был изобретен Эмилем Берлинером, тем самым Берлинером, чье телефонное передающее устройство было признано более совершенным, чем аппарат Эдисона. Берлинер использовал плоский диск, сделанный из застывшей пластмассы. На стыке веков фонограф и все его виды завоевали широкое признание, и большинство предсказаний Эдисона, сделанных за двадцать пять лет до этого, начали осуществляться.

Эффект Эдисона

Фонограф был одним из изобретений, которыми Эдисон особенно гордился. Другое открытие Эдисона, как оказалось впоследствии, было еще более важным: он первый обнаружил ток свободных электронов через вакуум. В течение четверти века эти его наблюдения оставались почти незамеченными. Только в конце XIX века на них, наконец, обратили внимание, и «эффект Эдисона» лег в основу создания радиолампы и радиопромышленности.

В 1883 году, когда Эдисон работал над угольными нитями накаливания, он заметил, что внутренняя поверхность стеклянных ламп постепенно темнеет. Угольный налет равномерно покрывал всю поверхность лампы, кроме одной полоски в том месте, где крепилась нить. Создавалось впечатление, что подпорка как бы отбрасывает тень.

Эдисон предположил, что угольный налет на стекле появляется из угольной нити, но не мог объяснить происхождение «тени». Он поместил маленькую металлическую пластинку между двумя ножками подпорки нити. К металлической пластинке можно было попеременно подключать конец нити накаливания с большим или меньшим потенциалом. Эдисон обнаружил, что когда пластинку соединяли с положительным полюсом, в пластинке появлялся небольшой электрический ток. При присоединении к отрицательному полюсу этого не происходило.

Прибор, на котором был получен «эффект Эдисона».

Через тринадцать лет, в 1896 году, открытие электрона Дж. Дж. Томсоном навело помощника Эдисона Флеминга на мысль, о том, что полузабытое явление, которое наблюдал Эдисон, объяснялось тем, что раскаленная угольная нить испускала электроны, которые притягивались через вакуум к положительно заряженной пластине. Когда пластина заряжалась отрицательно, электроны отталкивались от нее.

В сконструированном Флемингом варианте прибора Эдисона нить накаливания окружала металлическая стенка, заряженная положительно. Прибор пропускал только положительную половину каждого цикла переменного тока. Это было не что иное, как первый электронный выпрямитель.

В начале нового века великий творческий дух Эдисона начал увядать. Он стал работать усерднее и менее разносторонне, хотя еще в 1903 году изобрел новый вид аккумулятора, а еще раньше – новый способ отделения железа от низкокачественных руд.

В 1891 году он изобрел кинетоскоп – аппарат для демонстрации последовательных фотографий движения на непрерывной полоске ленты.

В течение жизни Эдисона Бюро патентов США выдало ему 1093 патента – такого количества никогда не получал ни один человек.

Его первая жена умерла, и Эдисон женился во второй раз. Теперь он вел более размеренный образ жизни, и тень мальчишки, когда-то ввалившегося в бостонское отделение «Вестерн Юнион», возникала лишь иногда, во время интервью с журналистами. Старый Эдисон любил того мальчишку, каким он был когда-то.

Мир изменялся очень быстро, и как бы ни называлось то, что заставляло Томаса Альву Эдисона работать сутки напролет, оно, казалось, утратило свою силу. Инженеры и химики, работавшие в гигантских корпорациях, созданных благодаря Эдисону, перехватывали у изобретателя его работу, а новое объяснение физического мира было для Эдисона непостижимо.

Молодые люди, бывшие когда-то его ассистентами, сами стали всемирными знаменитостями, директорами компаний, лауреатами Нобелевских премий, получили высокие титулы. Все это происходило слишком быстро, но Эдисон ни разу не произнес того, что всегда говорят усталые и растерявшиеся люди: «Пожалуй, я слишком задержался на этом свете». Он дожил до старости, но не прекращал работы, не утратил своей гордости и никогда не узнал горечи поражения.

Уиллард Гиббс

Познавая мир изменений

На трибуне выступал великий английский ученый Кларк Максвелл. Его речь внимательно слушали королева Виктория и международное собрание наиболее известных ученых Европы. Темой его выступления было блестящее научное исследование одного неизвестного молодого американца – «профессора Уилларда Гиббса, Иёйьский колледж, США». Это происходило в Лондоне в 1876 году.

Музыка, шум и суета филадельфийской Выставки Столетия заслонили от американцев тот факт, что другая довольно могущественная нация – международная нация ученых – также устраивала свою выставку. Две сестры – английская королева Виктория и германская императрица совершили в Саут-Кенсингтоне тот же торжественный ритуал, что и Дон Педро и президент Грант в Филадельфии, и Международная выставка исторических научных приборов была открыта.

Речь Максвелла о Гиббсе была необычайной в своем роде: ученый, находящийся в зените славы, превознес никому не известного молодого человека. Но Максвелл предвидел, что имя Гиббса в будущем займет свое место среди бессмертных имен науки. Всего несколько месяцев назад Максвелл заявил, что благодаря неизвестному американцу «проблемы, которые в течение долгого времени были не под силу ни мне, ни моим коллегам, теперь легко поддаются разрешению».

Казалось бы, такая восторженная поддержка великого человека перед лицом именитых экспертов должна была принести молодому ученому немедленное признание. Однако этого не случилось. Ни одно научное достижение не может быть оценено, если не существует достаточных знаний в той области науки, к которой оно относится. В 1876 году американские и европейские ученые еще слишком мало разбирались в химических и физических процессах, чтобы оценить открытие Гиббса. Вот почему лондонские газеты не уделили места докладу Максвелла. По этой же причине о нем не писалось и в американских газетах. Сам Гиббс тогда не узнал о докладе Максвелла. В то время в доме 121 по улице Хайстрит в Нью-Хэвене говорили главным образом о приближающемся летнем отпуске и планах снять маленький домик в Адирондаке или Белых Горах.

Джозия Уиллард Гиббс, которому в тот год исполнилось тридцать семь лет, стройный человек, с худощавым бородатым лицом, проницательными голубыми глазами и спокойным чувством юмора, был профессором математики и теоретической физики Йельского университета уже в течение пяти лет. Он остался холостяком и жил в семье своей сестры. Для ее детей он был «нашим дядей Уиллом», который умел прекрасно готовить салат, топить печи, катался с ними на санках и рассказывал удивительные истории.

Позже им пришлось убедиться, что он знаменитость, но сам он об этом никогда не обмолвился ни словом. Даже если бы ему стало известно о речи Максвелла, вероятнее всего, он не рассказал бы об этом семье. В течение своей жизни он получил девятнадцать наград и почетных дипломов, в том числе главную международную премию за научные достижения. Но даже самые близкие его друзья не знали о его успехах в полной мере до тех пор, пока не прочли некролога в газетах.

Физик Уиллард Гиббс родился в 1839 году. Он принадлежал к тому же поколению, что и Джордж Пульман, Пирпонт Морган и Джон Рокфеллер. Он вырос в той же Америке, что и они, подвергался тем же влияниям, но тем не менее пошел по иному пути.

В течение шести поколений его семья славилась в Новой Англии своей ученостью. Один из его предков был президентом Гарвардского университета, другой – секретарем Массачузетской колонии и первым президентом Принстонского университета. Отец Гиббса считался выдающимся теологом.

Исторические научные приборы, демонстрировавшиеся на Лондонской выставке 1876 года: 1–2 – телескоп Галилея; 3 – горный барометр Дальтона; 4, 5, 6 – различные варианты безопасной лампы Дэви; 7 – аппарат Дальтона для измерения парциального давления паров эфира; 8 – электрический телеграф Земмеринга; 9 – счетная машина Паскаля; 10 – старинные швейцарские часы; 11 – «счеты Нэпера» для деления и умножения.

Когда Гиббсу было десять лет, он начал учиться в небольшой частной школе в Нью-Хэвене, расположенной в том же квартале, что и его дом. Он рос тихим, застенчивым мальчиком, всегда следовал за другими, никогда не был вожаком, но и никогда не оставался в стороне. В 1854 году, когда пришло время сдавать вступительный экзамен в Йельский университет, он сознался одному из профессоров, близкому другу семьи, что, хотя он хорошо подготовился, тем не менее поступать не будет. Он боялся, что не выдержит пытки устных экзаменов перед целой комиссией. Профессор Тэчер сочувственно спросил его, каких именно вопросов он боится и как бы он на них ответил, если бы его экзаменовали один на один. Гиббс свободно изложил материал и, немного успокоившись, поднялся и спросил, когда ему прийти на экзамен. Тэчер засмеялся и сказал, что экзамен он только что выдержал. Так Гиббс стал студентом университета.

В годы, предшествовавшие гражданской войне, студенты Йеля создавали тайные общества с дикарскими правилами посвящения. Эти общества находились в состоянии непрерывных раздоров с горожанами. В студенческие годы Гиббса два жителя были убиты во время стычек со студентами. Кое-кто из старшекурсников носил пистолеты. Однажды горожане пришли в такую ярость, что пытались захватить пушку, принадлежавшую местной милиции, и уничтожить всех студентов.

В университете процветали своеобразные нравы. Во время одного из экзаменов студент просверлил дырку в полу под своим стулом и передавал вопросы своему коллеге, сидящему на нижнем этаже. Тот, найдя ответ в книге, передавал его таким же образом наверх. Измученный профессор, принимая экзамен, то и дело кричал: «Глядите за ними повнимательнее, господин староста! Только что один студент выпрыгнул в окно!»

Гиббс принимал участие во всех студенческих проделках, но это не мешало его учению. В 1858 году он получил диплом бакалавра.

В те годы в Шеффильде создавалась научная школа. В 1847 году при ней была открыта аспирантура. Но только в 1861 году эта школа получила право присуждать степень доктора физики. Гиббсу со временем суждено было стать величайшим американским теоретиком науки, но его обучение шло по линии американского практицизма. В 1863 году он первый в Америке получил степень доктора физики за работу по инженерной механике. Диссертация называлась «О форме зубцов в зубчатом сцеплении». Он тут же получил место преподавателя в колледже сроком на три года.

Отец Гиббса умер в 1861 году, оставив детям 23 500 долларов. Таким образом, Гиббс мог жить на собственный небольшой доход.

Во время войны студенты вели себя особенно буйно. Некоторые студенты Гиббса вспоминают, как он бился, стараясь поддержать дисциплину на занятиях. Но это нисколько не бросает тень на Гиббса – Аврааму Линкольну и его генералам тоже приходилось туго с насаждением дисциплины в армии.

В годы преподавательской работы Гиббс не переставал заниматься своим любимым делом – механикой. Он написал несколько работ о паровых турбинах и изобрел железнодорожный тормоз, работающий под действием силы инерции поезда (24 марта 1866 года он получил патент). Когда кончился срок его преподавания в Йеле, Гиббс вместе с двумя сестрами отправился за границу. Это был поворотный момент в его карьере. В Европе он получил углубленное образование, ставшее прочным фундаментом для самой главной работы в его жизни.

Сначала он занимался в Сорбонне и Коллеж-де-Франс. По шестнадцать часов в неделю Гиббс слушал лекции и занимался у таких физиков и математиков, как Дюамель и Лювилль.

Здесь же Гиббс впервые прочел работы Лапласа, Пуассона[14]14
  Пуассон Симеон Дени (1781–1840) – крупный французский математик и механик.


[Закрыть], Лагранжа<sup>[15]15
  Лагранж Жозеф Луи (1736–1813) – знаменитый французский математик и механик. Наиболее важные работы относятся к вариационному исчислению, к аналитической и теоретической механике.


[Закрыть]</sup> и Кочи. На следующий год он отправился в Берлин, где учился у Кундта[16]16
  Кундт Август (1839–1894) – немецкий физик-экспериментатор. Открыл метод измерения скорости звука в твердых телах и газах, исследовал явления аномальной дисперсии света.


[Закрыть] и Вейер-штрассе. Проведя год в Берлине, он переехал в Гейдельберг, где читали лекции такие выдающиеся ученые, как Кирхгоф[17]17
  Кирхгоф Густав Роберт (1824–1887) – видный немецкий физик, установил закономерности течения электрического тока в разветвленных цепях, так называемые правила Кирхгофа. Сформулировал основной закон теплового излучения. Совместно с Бунзеном заложил основы спектрального анализа. Открыл химические элементы цезий и рубидий.


[Закрыть], Кантор[18]18
  Кантор Георг (1845–1918) – немецкий математик. Разработал теорию бесконечных множеств.


[Закрыть], Бунзен[19]19
  Бунзен Роберт Вильгельм (1811–1899) – крупный немецкий химик, исследователь в области неорганической, аналитической и физической химии. Разработал точные методы газового анализа, исследовал действие света на химические процессы. Изобрел много приборов, в том числе знаменитую газовую горелку.


[Закрыть] и Гельмгольц[20]20
  Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд (1821–1894) – крупнейший немецкий естествоиспытатель Автор фундаментальных работ в различных областях теоретической физики и физиологии.


[Закрыть], от которых он узнал еще больше о теоретической физике.

Примерно в то же время в Европе получали образование другие американские ученые: Уильям Джеймс[21]21
  Джеймс Уильям (1842–1910) – американский буржуазный философ и психолог Один из основателей философии прагматизма.


[Закрыть], который жил неподалеку от Гиббса в Гейдельберге, и Генри Адамс, который впоследствии применил теоретическую физику Гиббса к историческим исследованиям.

Дикие студенческие выходки в американских колледжах были лишь одной стороной американской студенческой жизни. Серьезные занятия американских ученых за границей были ее другой стороной. Однако и в Европе в то время студенческая жизнь была чрезвычайно буйной, хотя она так сентиментально приукрашена в «Принце-студенте», «Пильзенском принце» и в романе Дюморье «Трильби». Марк Твен в книге «Простаки за границей» пишет, что не пришел в восторг от немецких студенческих корпораций, славящихся бесконечными дуэлями. Жизнь европейских студентов, так же как и американских, являлась внешним выражением существовавшей в то время общественной напряженности. Бисмарковская Германия готовилась к войне с наполеоновской Францией (война разразилась через два года после возвращения Гиббса в Нью-Хэвен).

Но, как и в Йельском университете, Гиббс и теперь работал, не обращая внимания на происходящий в Европе кризис. Вернувшись в Америку, он поселился в доме отца в Нью-Хэвене вместе с сестрой, которая во время заграничной поездки вышла замуж. 13 июля 1871 года в ведомостях Йельского университета было напечатано сообщение о том, что «мистер Джозия Уиллард Гиббс назначен профессором математики и физики, без жалованья, на факультет философии и изящных искусств».

Эта кафедра была первой в Америке. В тот же год такая же кафедра была создана в Европе, в Кембридже, для Кларка Максвелла, который был уже знаменит, в то время как Гиббс всего-навсего напечатал свою докторскую диссертацию да получил патент на железнодорожный тормоз. Только потому, что окружающие хорошо знали возможности Гиббса и верили в его большое будущее, Йельский университет счел возможным назначить его на этот пост.

Первая попытка теоретического исследования показала, что Гиббс как нельзя более соответствует эпохе, в которой он живет. Как инженер, он работал над наиболее актуальной проблемой дня – эффективностью паровых двигателей. В этом отношении он был человеком той же эры, что Рокфеллер, Вандербильт и Пульман. Но когда Гиббс занялся теоретической работой, он стал самим собою, и появился новый Гиббс, ученик Гельмгольца, Лювилля и Вейер-штрассе.

Круг его научных интересов расширился. Узкая проблема пара и воды выросла в проблему материи вообще. Великолепное механическое видение позволило Гиббсу первому среди американских ученых открыть некоторые из наиболее сокровенных научных истин.

Значение работы Гиббса

До Ньютона люди полагали, что равновесие – это такое состояние, когда все предметы находятся в полном покое. Вертикальная колонна греческого храма находится в равновесии, потому что все силы, действующие на нее – собственный вес, вес покоящегося на ней фриза и боковое воздействие горизонтальных балок, – настолько согласованы друг с другом, что колонна будет стоять вечно.

Исаак Ньютон расширил понятие о равновесии, включив в него движение. Планета в космическом пространстве в результате действующих на нее сил находится в вечном движении по постоянной, определенной орбите. Поэтому, утверждал Ньютон, движение планеты находится в равновесии с той силой, которая создала это движение.

Ньютон понял, что сила, действующая на тело, придает телу ускорение, зависящее от массы тела. Закон Ньютона не только объясняет движение планет в ночном небе, он объясняет также движение тел по поверхности земли. Он объясняет, почему цепляются друг за друга зубцы шестерни, почему вращаются колеса, поднимаются и опускаются клапаны.

Ньютон также предсказал, какие комбинации механизмов никогда не будут работать.

Открытие Ньютона произвело одну из величайших в истории интеллектуальных революций. Работа Уилларда Гиббса имеет не меньшее значение. Гиббс расширил понятие о равновесии, включив в него изменение состояния материи. Лед становится водой, вода превращается в пар, пар превращается в кислород и водород. Водород, соединяясь с азотом, превращается в аммиак. Любой процесс в природе есть процесс изменения; законы подобных изменений были открыты Гиббсом. Так же как Ньютон основал законы механики, Гиббс создал законы физической химии, которая стала основной химической наукой.

В течение пятидесяти лет после открытия Гиббса химия проникла во все главные отрасли мировой индустрии.

Благодаря результатам работ Гиббса выплавка стали сделалась химическим процессом, так же, как и выпечка хлеба, изготовление цемента, добыча соли, производство жидкого топлива, бумаги, вольфрамовой нити для электрических лампочек, одежды и сотни тысяч других предметов.

Труды Гиббса были использованы также для объяснения действия вулканов, физиологических процессов, происходящих в крови, электролитического действия аккумуляторов и для производства химических удобрений.

В течение пятидесяти лет после смерти Гиббса четыре раза Нобелевская премия присуждалась работам, основанным на его трудах.

Гиббс изучал изменения. Подобно Ньютону, который искал какую-нибудь единицу для измерения движения, соответствующую его теории динамического равновесия, Гиббс должен был найти единицу измерения состояния вещества, которая бы показывала, подвергнется ли это вещество какому-нибудь превращению или останется прежним.