После предварительной работы Вильгельма Вебера61, который вместе с Карлом Фридрихом Гауссом построил первый телеграф в Геттингене, шотландец Джеймс Клерк Максвелл наконец сформулировал теорию электродинамики, которая выявила обширную симметрию электрического и магнитного поля. Это было огромное достижение абстракции, которое позже, в математических разработках, таких как дифференциальная геометрия, стало еще более очевидным. Следует также упомянуть ирландца Уильяма Романа Гамильтона, который в 1843 году изобрел четырехмерное обобщение комплексных чисел (кватернионы), с помощью которого Максвелл сформулировал свою теорию. Однако то, что в те времена называлось передовыми математическими исследованиями, всегда имело конкретную связь с физикой.
Уравнения Максвелла, как и, пожалуй, немногие другие вещи, вызывают восхищение тем, как разнообразные природные явления описываются простейшими математическими структурами. Венцом достижений стало доказательство электромагнитных волн Генрихом Герцем в Карлсруэ в 1886 году. Существование этих волн следует непосредственно из уравнений, а их скорость соответствует скорости света. Таким образом, электромагнетизм был объединен с оптикой, и последние сомнения в волновой природе света были устранены.
В начале (если оно было) Бог создал законы движения Ньютона вместе с необходимыми массами и силами. Это все; остальное вытекает из формирования подходящих математических методов путем дедукции. То, чего достиг XIX век на этой основе, должно было вызвать восхищение каждого восприимчивого человека62.
В начале (если оно было) Бог создал законы движения Ньютона вместе с необходимыми массами и силами. Это все; остальное вытекает из формирования подходящих математических методов путем дедукции. То, чего достиг XIX век на этой основе, должно было вызвать восхищение каждого восприимчивого человека62.
Альберт ЭйнштейнРазмышления об объяснениях
Что интересно и почти забыто с сегодняшней точки зрения, так это то, что физики XIX века отнюдь не были удовлетворены новой теорией электродинамики. Несмотря на формальную аналогию законов Ньютона и Кулона, между этими теориями существовал глубокий разрыв. Максвелл, а также многие другие (например, ирландский физик Джеймс Мак-Куллах), пытались понять электромагнитные явления из уравнений механики сплошной среды упругого тела, называемого эфиром. Здесь можно было бы углубиться в историю теорий эфира63 и проанализировать, когда и почему от них отказались. Причина не в несовместимости их с теорией относительности Эйнштейна, как принято считать64. В любом случае в традициях европейских физиков было естественно искать фундаментальные объяснения, в данном случае связь с механикой Ньютона. Так, британский авторитет в области физики лорд Кельвин всю жизнь критиковал электродинамику, утверждая, что она не является теорией, которая действительно объясняет явления.
Я не могу постичь электромагнитную теорию света. Я хочу понять свет настолько полно, насколько это возможно, не вводя вещей, которые я понимаю еще меньше65.
Лорд КельвинОдин только термин «эфир» вызывает зевоту у большинства современных физиков, находящихся под влиянием американской культуры. Это не только свидетельствует об историческом невежестве, но и доказывает, насколько сегодня исследователи отказались от глубокого понимания природы. Конечно, в этом нельзя винить Америку, где в то время почти не занимались теоретической физикой. Но здесь проблема была «решена» с помощью аргумента, что теория была успешной и хорошо работала. Бескомпромиссный поиск фундаментальных законов природы, с другой стороны, остается европейской традицией, которая впоследствии шаг за шагом исчезала.
То, что это соображение относится не к национальности, а к образу мышления, показывает американский физик Джошуа Уиллард Гиббс (18391903), который внес решающий вклад в термодинамику. С тех пор как сэр Фрэнсис Бэкон (15611626) понял, что тепло связано с движением частиц, основы кинетической теории газов разрабатывали Роберт Майер (18121878), Джеймс Прескотт Джоуль (18181889), Рудольф Клаузиус (18221888), Густав Кирхгоф (18241887) и вышеупомянутый лорд Кельвин (18241907). Гиббс, который недолго учился в Европе, вернулся на должность профессора в Йельском университете в 1871 году и в последующие годы разработал универсально обоснованные результаты, которые являются одними из самых важных инструментов современной термодинамики. Гиббс считался одиночкой, чья работа в то время имела мало практического значения. Примечательно, что ему пришлось обосновывать свою диссертацию в Йельском университете по абстрактной математической проблеме, имеющей применение в технологии зубчатых колес66.
Два тысячелетия одна парадигма
Вся термодинамика немыслима без атомистики, которая является одним из самых важных открытий человечества. Идея неделимых строительных блоков природы восходит к греческим философам Левкиппу и Демокриту, которые опередили свое время как ученые. В ходе многовековой детальной работы идея была выработана в модель, которая сегодня кажется нам настолько очевидной, что мы даже не осознаем ее естественных философских следствий. Джон Дальтон (17661844) и Амедео Авогадро (17761856) должны быть упомянуты здесь как пионеры, как, например, первооткрыватели периодической таблицы Дмитрий Менделеев (18341907) и Лотар Мейер (18301895). Но последовательная формулировка атомной физики, особенно квантовой механики, появилась только в XX веке.
Ни одна вещь не возникает случайно, все имеет причину и необходимость.
ЛевкиппПричиной научного прогресса стал метод ratio et experientia67, установленный с конца XVII века, который привел к беспрецедентному триумфу техники во второй половине XIX века68. Хотя механизация с помощью парового двигателя уже привела к первой промышленной революции, открытия в области света и электричества были реализованы гораздо позже. Развитие электротехники вновь привело к фундаментальным открытиям благодаря новым экспериментам (стоит вспомнить электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном в Кембридже в 1897 году).
В истории физики часто можно наблюдать такую коэволюцию теории и технологии, которые взаимно помогают друг другу прийти к новым открытиям. После теоретических прорывов в середине XIX века наступил с небольшим опозданием расцвет соответствующих технологий. Этот этап вскоре достиг Америки, которая в то время оправлялась от последствий Гражданской войны (18611865). В это же время в Америку эмигрировали таланты со всего мира.
Электрические антиподы
После того как Вернер фон Сименс открыл динамо-электрический принцип и разработал генератор в 1866 году, произошла вторая, «электрическая» промышленная революция. В последующий период в Америке работали два великих пионера электротехники, которые, как никто другой, продемонстрировали европейско-американские различия в мышлении: Томас Алва Эдисон и Никола Тесла.
Эдисон, родившийся в Милане, штат Огайо, в 1847 году, является квинтэссенцией американского изобретателя. Всемирно известный благодаря открытию лампочки, он был настолько хорошо знаком со всеми технологиями того времени, что разработал революционные инновации в области электротехники, производства электроэнергии, распределения энергии, телекоммуникаций, а также средств передачи звука и изображения. Обладая безошибочным чутьем, Эдисон распознавал практическую применимость и реализовывал ее технически. Однако в то же время он еще был успешным предпринимателем, обладающим талантом коммерческого использования изобретений. Его вклад в электроснабжение Нью-Йорка ознаменовал начало электрификации всего промышленно развитого мира.
То, что нельзя продать, я не хочу изобретать.
Томас Алва ЭдисонНе будет лишним сказать, что успех Америки был основан на таких людях, как Эдисон. В 1997 году газета New York Times написала, что самым важным вкладом Эдисона были не сами его изобретения, а изобретение «индустрии изобретений». Эдисон был ни много ни мало отцом современных исследований и разработок. Его биограф69 Пол Израэль подчеркивал способность Эдисона мыслить аналогиями и учиться на неудачах. Однако количество идей, содержащихся в его записных книжках, было почти непостижимо для простого смертного.
Никола Тесла был совсем другим. Он родился в 1856 году в пограничном сербско-хорватском регионе в семье православных священников, и всю жизнь его сопровождали поражения, болезни, трудности и экономические неудачи. Конечно, Тесле было бы легче получить постоянную должность на всю жизнь в одном из европейских университетов. Хотя его гениальность, вероятно, проявилась рано например, Тесла знал восемь языков, в 1877 году он по неизвестным причинам бросил учебу в университете Граца, где изучал машиностроение. Сначала он работал помощником учителя и техником на телеграфе, а в 1884 году попал в Нью-Йорк в числе многих нуждающихся иммигрантов. Из таких историй жизни можно понять, что эта страна открыла для способных людей без формальной квалификации возможности, которые они не могли получить нигде в другом месте.
Эксцентричный гений
Тесла нашел работу в компании Эдисона, но уволился через шесть месяцев из-за слишком низкой зарплаты и занялся собственным бизнесом. Несмотря на свои легендарные изобретения в области электротехники, в отличие от Эдисона, он так и не добился экономической независимости благодаря своим разработкам. С возрастом его идеи становились все более эксцентричными: так диктовал характер, ставя его на грань гениальности и безумия.
В то время как Эдисон заработал много денег на своих изобретениях, Тесла вложил в свои идеи то немногое, что у него было. Хотя он добился славы, в последние годы жизни ему приходилось полагаться на богатых покровителей. Он превзошел своего соперника Эдисона только в одном, хотя и технологически решающем аспекте: его система передачи энергии с помощью переменного тока выиграла приз в 100 тысяч долларов от операторов Ниагарских электростанций в 1893 году и одержала победу во всем мире над технологией постоянного тока Эдисона. Вокруг способностей Теслы и его личности существует множество мифов. Предположительно, решающая идея переменного тока пришла к нему в 1881 году в парке Будапешта, когда он декламировал из «Фауста» Гете. В чисто интеллектуальном плане он, несомненно, превосходил Эдисона70. Вероятно, не совсем уж без зависти к экономическому успеху Эдисона, он писал о нем:71
Поначалу я был почти печальным свидетелем его поступков, поскольку лишь немного теории и расчетов могли бы избавить его от 90 процентов работы. Но он испытывал настоящее презрение к книжному образованию и математическим знаниям и полностью полагался на свой изобретательский инстинкт и практический американский подход.