Книга Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - Антонио М. Лальена Рохо

Кроме того, проблемы, стоявшие в то время перед Томсоном, выходили за пределы области электричества. В 1857 году он смоделировал процесс сбрасывания кабеля с кормы корабля, что позволило ему сформулировать дифференциальные уравнения, учитывавшие задействованные силы, и, зная скорость корабля и диапазон углов кабеля при вхождении в воду, ученый смог установить причину разрыва, которая состояла в напряжении, оказанном на кабель системой торможения. Благодаря расчетам Томсона были внесены изменения в процесс сбрасывания кабеля и уточнены детали соответствующих операций.

Постоянный контроль также позволял находить новые характеристики поведения кабеля. Так, в свидетельстве, которое подписали ответственные за проект в 1865 году, значилось:

«Изоляция кабеля сильно улучшается после его погружения в глубокие и холодные воды Атлантического океана, и, следовательно, его проводящая способность значительно увеличивается. [...] Кабель 1865 года более чем в 100 раз лучше изолирован, чем кабель 1858 года. [...] Электрические проверки могут осуществляться с такой точностью, что это позволяет электрикам определить наличие ошибки сразу же после того, как она произойдет, и очень быстро обнаружить ее местонахождение в кабеле».

ТОМСОН И ТЕЛЕГРАФИЯ

Работа Томсона над проектом прокладки трансатлантического телеграфного кабеля оказалась неблагодарной. Он не получил за нее никакого вознаграждения, поэтому удивляет его преданность этому проекту в течение всего долгого периода его реализации, особенно если учитывать образование Томсона и его предыдущие интересы, в основном связанные с теоретическими научными исследованиями. Его отец и особенно брат Джеймс интересовались практическими вопросами намного больше. Фон Гельмгольц познакомился с Джеймсом во время визита, который нанес в Глазго в 1863 году. Он так отзывался о брате ученого:

«Он уравновешенный человек, полный хороших идей, но его беспокоит исключительно инженерное дело, которым он занимается неустанно днем и ночью, поэтому невозможно заниматься чем-то другим, когда он присутствует рядом. Действительно забавно смотреть, как два брата разговаривают друг с другом, ни один из них не слушает второго, и они не перестают говорить — каждый о своем. Но инженер — самый упрямый из них, и в итоге они всегда начинают ссориться из-за своих тем».

Причины, по которым Томсон так углубился в проблемы телеграфии, были довольно тривиальными. Речь шла о технологии, основанной на использовании электричества. В этой сфере Томсон был экспертом, его интересовали процесс распространения сигналов в металлических проводах и их поведение в изоляторах с научной точки зрения. Но проблемы, связанные с использованием подводных кабелей, привели к тому, что он полностью погрузился в их решение.

В отличие от того, что происходит с наземными кабелями, в которых сигналы с одного конца почти мгновенно и без видимых искажений доходят до другого конца, в случае с подводными кабелями сигналы принимались с большими трудностями и искажались до такой степени, что часто было сложно различить, действительно получено какое-то сообщение или это просто помехи. Кроме того, в 1823 году английский метеоролог и изобретатель Фрэнсис Рональде заметил, что в закопанных кабелях сигналы подвергаются при передаче значительным задержкам, а под водой этот эффект был выражен еще сильнее.

В 1853 году Джордж Биддель Эйри, английский астроном и математик, а также королевский астроном и директор Гринвичской обсерватории (Англия), пытался проложить телеграфную линию к Парижской обсерватории, чтобы синхронизировать наблюдения, осуществляемые одновременно из обеих точек. Задержка сигналов была для него большой проблемой, и Эйри проконсультировался с английским инженером-электриком Джозайей Кларком, который сравнил поведение кабеля длиной примерно 150 м, свернутого и погруженного в бассейн, с поведением кабеля длиной примерно 2 км, образующего круг над открытой территорией. В первом кабеле были очевидны задержка и потеря четкости сигнала, и это зафиксировал Фарадей, присутствовавший при одном из испытаний.

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.