Электрическая Вселенная. Невероятная, но подлинная история электричества

Боданис Дэвид

Блестящий популяризатор науки Дэвид Боданис умеет о самых сложных вещах писать увлекательно и просто. Его книги переведены на многие языки мира. Огромный интерес у российских читателей вызвала его «Е=мс

2

». биография знаменитого эйнштейновского уравнения, выпущенная издательством «КоЛибри». «Электрическая Вселенная» — драматическая история электричества, в которой были свои победы и поражения, герои и негодяи. На страницах книги оживают истовый католик и открыватель электромагнетизма Майкл Фарадей, изобретатель и удачливый предприниматель Томас Эдисон, расчетливый делец Сэмюэл Морзе, благодаря которому появился телеграф, и один из создателей компьютеров, наивный мечтатель Алан Тьюринг.

David Bodanis

ELECTRIC UNIVERSE

How Electricity Switched on The Modern World

© 2005 by David Bodanis

Дэвид Боданис

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Невероятная, но подлинная история электричества

ВСТУПЛЕНИЕ

Когда перед Первой мировой войной мой отец, в ту пору еще мальчик, жил в польской деревне, отключение электричества никому особенно страшным не казалось. Автомобилей там не было, а значит, не было и светофоров, которые вдруг переставали работать; холодильников не было тоже, их заменяли куски льда или погребы, и, стало быть, продукты питания внезапно испортиться не могли. У очень немногих богатых людей мог, когда переставали работать электрические генераторы, гаснуть в домах свет, могла умолкать шедшая через город телеграфная линия, однако в общем и целом повседневная жизнь практически не изменялась.

Ко времени, когда семья отца эмигрировала в Канаду, а затем, в начале 1920-х, в Чикаго, серьезные перебои в подаче электричества приобрели вид совершенно иной. Делать покупки люди еще могли — кредитных карточек, требующих компьютерной проверки, не существовало, — однако трамваи, на которых рабочие добирались до фабрик, останавливались. Телефоны, от которых зависела работа офисов, замолкали, небоскребы, которыми так гордился город, становились недоступными — во всяком случае, верхние их этажи, — поскольку вставали лифты. И все-таки полной катастрофы не происходило. Фермеры продолжали выращивать урожай — тракторов тогда было немного, — а питавшиеся углем поезда и пароходы доставляли в город все необходимое.

А сейчас? Сейчас я живу в Лондоне, люди тут по преимуществу спокойные и флегматичные, и все же пережить полное отключение электричества мне не хотелось бы. Чем чревато для нас такое отключение? Радиоприемники и телевизоры большей частью сразу же умолкнут, так что выяснить, открыта ли еще школа ваших детей, вам будет трудновато. Сотовые телефоны, может, еще и проработают какое-то время, однако, не имея возможности подзарядить их батарейки, вы станете пользоваться ими с большой осторожностью. Везти детей в школу, если она все же останется открытой, будет затея рискованная, поскольку автозаправочные станции хранят бензин в подземных емкостях, а выкачивать его оттуда электрическим насосом и продавать кому-либо из горожан станет невозможно. Купить продукты вы не сумеете, так как перестанут работать кредитные карточки, да и наличные взять вам будет неоткуда, ибо банкоматы также зависят от компьютеров, а компьютерам требуется электричество.

За одну неделю город придет в полный упадок. Полицейские участки окажутся отрезанными от мира — телефоны молчат, батарейки в рациях разрядились; вызвать «скорую помощь» никто не сможет, поскольку и ее каналы радио- и телефонной связи тоже замолкнут; кому-то, возможно, и удастся доковылять до больницы на своих двоих, однако и от больниц ожидать многого им не придется — рентгена нет, вакцин и донорской крови, которые хранились в холодильниках, тоже нет, нет даже вентиляции и света.

Попытки добраться до аэропорта, чтобы улететь куда-нибудь, утратят всякий смысл — радары замолчат, да и на ручном управлении поднять самолеты в воздух никто не сможет, поскольку топливо для них, залитое в подземные емкости, выкачать окажется невозможно. По мере того как отключение электричества станет распространяться по стране, замрет жизнь в ее портах — грузовые краны без электричества не работают, электроника, позволяющая определять, что есть и чего нет на портовых складах, тоже. Военные, возможно, попытаются организовать топливные конвои, но, поскольку и их машины тоже требуют топлива, надолго их не хватит. А когда отключение электричества охватит весь мир, начнется все нарастающая изоляция людей и стран друг от друга. Первыми откажут интернет и электронная почта, за ними телефонные линии, и, наконец, прекратят вещание радио- и телестанции.

Часть I

ПРОВОДА

Глава I

Колонист и денди

Джозеф Генри был рослым, костлявым американцем, происходившим из удаленных, приграничных мест штата Нью-Йорк и успевшим к своим тридцати годам поработать прислугой (ушел — слишком скучно), строителем (ушел — слишком мало платили), рабочим-металлистом (ушел — слишком жаркая работенка), а затем геодезистом, и это уже был полный кошмар, поскольку его уговорили в течение нескольких зимних месяцев вести по зимним лесам целую команду к канадской границе (холодища стояла жуткая). Вернувшись в 1826 году из экспедиции, во время которой он только чудом и не обморозился, Генри услышал о месте в школе его родного города Олбани. Жалованье там платили небольшое, к тому же Генри как новый в школе человек должен был преподавать наряду с другими предметами и элементарную арифметику. Однако в школе хотя бы топили, и потому Генри немедля ухватился за эту работу.

Глава 2

Алек и Мейбл

Грандиозные преобразования, к которым привело изобретение телеграфа, распространялись по всему земному шару в течение нескольких десятилетий. А затем, начиная с 1860-х, наступила долгая пауза. Отчасти ее причиной было то, что главный центр всяческих новаций — Соединенные Штаты — сначала погрязли в ужасной Гражданской войне, а затем долгое время оправлялись от ее последствий. Однако и в 1870-х фундаментально новых технологий так и не появилось.

Денег для субсидирования новых идей на Уоллстрите и в лондонском Сити более чем хватало, другое дело, что идеям этим надлежало быть удобопонятными, всего лишь видоизменяющими то, что существовало и до них. Однако величайшие эффекты электричества — новую силу, получаемую от огромного числа скрытых в нем заряженных частиц, — еще предстояло выявить творениям, в ту пору даже невообразимым. Одно из таких обладавших фундаментальной новизной изобретений появилось лишь жарким летом 1875 года, и автором его оказался совершенно непритязательный молодой человек, двадцативосьмилетний учитель, открывший в Бостоне собственную школу. И человеком этим правила не алчность и не жажда власти.

Им правила любовь.

К сожалению, предмет его страсти, Мейбл Хаббард («Вы не знаете, — в отчаянии писал он ей, — вы и догадаться не можете, как сильно я люблю вас»), принадлежала к числу учениц молодого человека, и потому он считал себя обязанным первым делом поведать о своих чувствах ее родителям. Увы, хоть он и расписывал радужные виды на будущее и даже постарался, чтобы им попалась на глаза его витиеватая подпись, в которой к скучному

Alec

была для пущей красоты добавлена буква

k — Aleck

, — большого впечатления этот молодой человек на родителей Мейбл не произвел. Дело в том, что она происходила из очень богатой семьи — ее отец владел значительной частью центральных кварталов Бостона, — к тому же ей едва исполнилось семнадцать, и, что было самым главным, в детстве она переболела скарлатиной. Инфекция поразила уши Мейбл, лишив ее способности слышать. Алек, собственно, и преподавал в школе для глухих, а Мейбл вот уже десять лет как не слышала ни единого звука музыки и человеческой речи. Она научилась немного петь и читать по губам, а родители старались оградить ее от любых переживаний. И Алеку было запрещено признаваться ей в любви.

Глава 3

Томас и Джи-Джи

Работа, проделанная Беллом в 1870-х, словно вскрыла источник, из которого потоком хлынули важные открытия. Если бы проконсула Римской империи вдруг перенесли в стоявшее посреди грязной, заболоченной равнины американское поселение, именовавшееся фортом Дирборн в 1850 год нашей эры — время, от которого до изобретения Белла было уже рукой подать, — обнаруженное там его сильно не удивило бы. Он увидел бы повозки на конной тяге и деревянные дома, свечи и масляные лампы, горевшие по ночам. Несколько установленных в больших городах телеграфных аппаратов качества повседневной жизни почти не изменили. А вот попади этот проконсул туда же, но во время, которое наступило по прошествии срока жизни всего лишь одного поколения, в год 1910-й, он обнаружил бы, что грязный городишко словно взорвался, обратившись в Чикаго — город автомобилей, электрического освещения и телефонных столбов, город, по которому на огромных скоростях проносятся мощные электрические заряды, и вот этот город поразил бы нашего путешествующего во времени проконсула по-настоящему.

Начало второму поколению преобразований положили изобретатели-одиночки, такие, как Белл. Однако в ходе 1870-х все возраставшее число открытий совершалось большими исследовательскими группами, работавшими совершенно по-новому — в промышленных исследовательских лабораториях. Это они разрабатывали генераторы, трамваи, двигатели, системы освещения, которые создали современный Чикаго и другие великие города мира.

Для управления этими большими исследовательскими лабораториями требовались люди совершенно иного склада, ничем не похожие на мягкого Алека Белла. Разумеется, директора этих лабораторий должны были понимать, что представляет собой электричество, однако они должны были также выполнять задания сверху… и не особенно волноваться по поводу того, что эти задания собой представляют.

Самым сильным из таких новых руководителей промышленных исследований был Томас Эдисон, и один из крупных его успехов пришелся на 1877 год, когда он получил важное задание — разгромить Белла. Крупнейшая телеграфная компания мира, «Вестерн юнион» внимательно следила за тем, что делает Белл, и еще до того, как была готова окончательная модель его аппарата, попыталась однажды упросить изобретателя оставить на одну ночь опытный образец в ее нью-йоркской штаб-квартире — для «проверки». Белл был человеком доверчивым, но

Часть II

ВОЛНЫ

Глава 4

Бог Фарадея

Майкл Фарадей, человек, сделавший больше всех прочих для открытия этой незримой силы, был курчавым лондонцем. Он родился в 1791 году — более чем за сто лет до открытия электрона — в семье рабочего. В отрочестве из него ключом била энергия, друзей, с которыми он бегал по лондонским улицам, юный Майкл веселил словесными играми, одну из которых Фарадей повторил позже в письме к своему другу Бенжамину Абботту:

Даже получив работу лабораторного ассистента в величавом Королевском институте, он сохранил прежнее чувство юмора и в один памятный вечер тайком провел туда Абботта, чтобы нюхнуть вместе с ним закиси азота — веселящего газа, который директор института припас для одного из своих опытов.

Однако имелась в натуре Фарадея и сторона серьезная — его притягивали к себе те же тайны электричества, над которыми ломал голову Джозеф Генри. Как может свитая в спираль медная проволока служить магнитом и притягивать к себе куски металла? Ведь между проволокой и металлом нет ничего, кроме пустого пространства. С точки зрения общепринятой науки это было бессмыслицей. Поместите такой электромагнит над гвоздем, и гвоздь полетит вверх. А между тем его тянет вниз сила тяжести, создаваемая несчетными триллионами тонн камней и магмы — всей массой Земли.

Глава 5

Шторма в Атлантике

Подводная авантюра, которая в конце концов подтвердила догадки Фарадея, началась с некоего Сайруса Уэста Филда в 1854 году. Однажды холодным январским вечером Филд сидел, размышляя, перед богато изукрашенным глобусом в библиотеке своего нью-йоркского особняка. Телеграфу, которому Морзе дал свое имя, уже исполнилось десять лет; Томас Эдисон был семилетним мичиганским мальчишкой. Филд, занимаясь бизнесом, нажил большое состояние. Он, предположительно, удалился от дел, однако ему было всего тридцать с небольшим лет, и положение удалившегося от дел человека нисколько его не устраивало. Он попытался заняться исследованиями Южной Америки, однако они обернулись всего лишь турами для богатых людей, а о том случае, когда он привез оттуда в Нью-Йорк ягуара и как будто безобидного подростка, выросшего на берегах Амазонки, Филд старался не вспоминать. Он попробовал также коротать время в нью-йоркском высшем свете, в кругах, которые впоследствии предстояло описать романистке Эдит Уортон, но тамошнее помешательство на чае и сплетнях лишь убедило его в том, что Амазонка, в конце концов, не так уж и плоха.

И теперь, сидя в своем кабинете, он вдруг обнаружил, что его чем-то раздражает земной шар. На одной стороне этого шара лежала Англия с ее империей, великий источник подлинной культуры белого человека, а вдали от нее, за огромным океаном располагалась Америка. Почему две этих естественных союзницы разделены, да еще и так жестоко? Единственным средством обмена сообщениями были для них суда, однако на то, чтобы добраться от столицы одного государства до столицы другого, уходили недели.

В прошлом это уже приводило к серьезным недоразумениям. В январе 1815 года великая битва за Новый Орлеан утратила некоторую часть своего величия, когда сошедшиеся в ней британские и американские войска получили известие о том, что война, которую они здесь вроде бы ведут, закончилась семь недель назад. Именно столько времени потребовалось этой новости, чтобы добраться до американского Юга,

Часть III

ВОЛНОВЫЕ МАШИНЫ

Глава 6

Одиночка

Выдержки из дневника Генриха Герца, 1884:

27 января 1884.

Размышлял об электромагнитных лунах.

и мая.

Вечером взялся за максвелловский электромагнетизм.

13 мая.

Ничего, кроме электромагнетизма.

Глава

7

Энергия в воздухе

За годы, прошедшие после создания радио, идея радара приходила в голову далеко не одному радиотехнику, однако заставить свое начальство поверить в нее никому из них не удавалось. К примеру, в сентябре 1922 года Альберт Тейлор и Лео Янг, служившие в военно-морском флоте США, попытались послать через реку Потомак простой радиосигнал, но столкнулись со странными помехами. Приглядевшись к реке, они увидели, что по ней проплывает пароход. Однако средств, необходимых для исследования этого эффекта, им получить не удалось — их просто высмеяли: каким это образом громоздкий пароход может воздействовать на нечто столь призрачное и невесомое, как радиоволны? О подобных же явлениях сообщалось из России, Франции и большинства других стран, где широко использовалось радио, однако реакция на эти сообщения почти всегда была аналогичной.

К тому же и радиотехники были, как правило, людьми тихими и не напористыми. Впрочем, на счастье Британии, да, собственно, и всего цивилизованного мира, по крайней мере один специалист в области радио обладал качествами совершенно противоположными. Его звали Роберт Уотсон Уатт, и в 1935 году он работал в принадлежавшей Национальной физической лаборатории прескучнейшей, занимавшейся атмосферными исследованиями станции, которая находилась неподалеку от не менее скучного английского города Слау. Уж на что поэт Джон Бетджемен любил юг Англии, а и он, познакомившись со Слау, написал известное:

Глава 8

Энергия, брошенная в бой

Сведения, позволившие установить местонахождение немецкой радарной системы — и инициировать цепочку событий, которые завершились тем, что невидимые волны Фарадея были использованы для колоссальных разрушений, — поначалу показались ничего не значащими. Они содержались в восьмистраничном машинописном документе, который некий пожелавший остаться неизвестным гражданин Германии прислал британскому военному атташе в Осло. Документ этот выглядел слишком диковинным, чтобы быть правдивым, ибо описывал деятельность, лежавшую за пределами всего, что могло примерещиться Британии. Он походил на научно-фантастический рассказ — о созданном на уединенном балтийском острове научно-исследовательском институте, в котором сооружались похожие на планеры реактивные самолеты, о радарной системе, превосходящей по уровню изощренности все, чем располагала Британия. Когда документ перевели на английский и разослали по лондонскому начальству, всерьез к нему отнесся лишь один человек.

Однако человеком этим оказался двадцативосьмилетний, хоть и очень моложавый на вид, Реджинальд В. Джонс. По образованию он был астрономом и физиком, закончил аспирантуру оксфордского Бейллиол-Колледжа, а там от аспирантов ожидают глубокого знания литературы и учат критическому подходу к любому общепринятому мнению. Джонс сознавал, что нацистские руководители относятся друг к другу с подозрительностью, которая делает вполне возможным существование немецких исследовательских групп, разработавших радар без ведома руководства люфтваффе, — и впоследствии выяснилось, что именно так все и было. Тогда же, в 1941 году, он понял, что у Германии имеется работающая радарная система, а читая отчеты о разговорах военнопленных и радиоперехватах, выяснил даже, что она носит название «Фрейя».

Человеку с его подготовкой это кодовое имя давало ключ, позволявший понять намерения немцев так же ясно, как если бы точная информация о них была доставлена в Управление воздушной разведки, размещавшееся в лондонском Уайтхолле, почтовым голубем. Верховное командование Германии было помешано на арийских мифах. Для понимания этой огромной электронной угрозы середины двадцатого века, сообразил молодой Джонс, нужно вернуться во времени назад лет примерно на тысячу.

И потому в один из последних дней 1941 года Джонс отправился из Уайтхолла на Чаринг-Кросс-Роуд, в лондонский центр книготорговли. И уже к концу дня отыскал то, что ему требовалось. Фрейя была древней северной богиней, проводившей немалое время в обществе еще одного мифического существа, Хеймдаля. У Фрейи имелось ожерелье, а Хеймдалю полагалось его охранять. И для того, чтобы он мог исполнять эту работу, ему была дарована способность видеть все на сотни километров вокруг — днем и ночью.

Часть IV

КОМПЬЮТЕР, ПОСТРОЕННЫЙ ИЗ КАМНЕЙ

Глава 9

Тьюринг

Первая попытка построить компьютер была предпринята в Англии в 1820-х, однако господствовавшая в ту пору технология паровых машин, шарикоподшипников и зубчатых колес оказалась слишком грубой для того, чтобы он хотя бы начал работать. Впрочем, поражение потерпела не только технология, но и воображение создателей этой машины. Ровно столетие спустя, в 1920-х, хитроумных машин было уже предостаточно — локомотивы, сборочные линии, телефоны, аэропланы. Однако каждая из них выполняла лишь одну задачу. Постепенно сложилось мнение, что для выполнения какой-либо новой задачи необходимо строить и новую машину.

Вот в этом-то все и ошибались. Алан Тьюринг был первым, кто убедительным образом показал, как это положение можно переменить. Жизнь его завершилась трагедией, ибо, хотя он детально продумал совершенный компьютер и очень ясно его описал, а новые представления о том, что электроны могут совершать скачки и словно бы останавливаться, позволяли Тьюрингу построить такую машину, технология все еще оставалась слабой. Новые научные идеи далеко не всегда автоматически порождают новые машины. Тьюринга превозносили после его смерти — но не при жизни.

Мальчиком — в 1910-х и начале 1920-х — Алан Тьюринг получал удовольствие, отыскивая выход из того или иного трудного положения. Он путал правое с левым и потому наносил красной краской точку на большой палец левой руки — и испытывал гордость оттого, что способен ориентироваться не хуже прочих детей. А в скором времени он превзошел смекалкой не только детей, но и взрослых. Во время пикника в Шотландии Алан, чтобы заслужить одобрение отца своей храбростью и удальством, нашел дикий мед, проведя векторы, по которым летали вокруг пчелы, а затем продлевая эти векторы, пока они не сошлись в одной точке — в ней-то и обнаружилось дупло с медом.

Однако в отрочестве, а следом и в ранней юности он начал замечать, что ему становится все труднее и труднее не выделяться из толпы сверстников. К шестнадцати годам Тьюринг открыл в себе физическое влечение к мужчинам, что уже было плохо, и обнаружил также, что он, вне всяких сомнений, интеллектуал, а в Англии 1920-х и особенно в ее частных школах это было еще хуже.

Глава 10

Наследие Тьюринга

То, что искал Тьюринг, то, что могло бы спасти ему жизнь, уже довольно долгое время находилось под самым его носом. Намек на это он получил еще в 1948 году, до того даже, как перебрался в Манчестер. Его друг по временам Блетчли, Джек Гуд, написал Тьюрингу: «Слышали вы что-нибудь о ТРАНЗИСТОРЕ (или Транзисторе)? Этот маленький кристалл выполняет, предположительно, «почти все функции электронной лампы». Возможно, это самое важное из совершенных после войны открытий. Собирается ли Англия приглядеться к нему?»

Однако ответом было молчание. В Америке произошло нечто замедлившее разработку устройства, и причина задержки была связана с самой сутью того, как оно работает.

В студенческую пору Тьюринга большинство специалистов по электричеству считало, что все вещества мира делятся на два совершенно различных типа. Одни, такие как медь или сталь, способны проводить электрический ток, другие — стекло или дерево — проводить ток не способны. Первые называли проводниками, вторые изоляторами. Общего между ними было столько же, сколько между муравьедом и угольной шахтой, — они просто-напросто не имели точек соприкосновения.

Это несложное различение и дает, похоже, ответ на вековой давности вопрос: почему сквозь стекло свет проходит, а сквозь сталь — нет? Внутренность стальной стены немного похожа на заброшенный египетский храм с его стоящими почти вплотную колоннами из атомов железа и углерода. Однако, если вглядеться в эти атомы с расстояния более близкого, выяснится, что они не такие уж гладкие и опрятные. Многие из них лишились наиболее удаленных от центра атома электронов, и — как мы уже видели в первой из посвященных радару глав — внутри бесцельно болтаются целые флотилии таких электронов. Когда туда же попадает свет, он начинает расходовать свою энергию на увеличение энергии движения этих электронов. А это означает. что чем глубже световая волна забирается в сталь, тем меньше от нее остается — она отклоняется, «впитывается» поджидающими ее, словно в засаде, свободными электронами. Все выглядит так, точно целая волна исследователей врывается в заброшенный храм и их начинает одного за другим утягивать куда-то за колонны. И очень скоро никаких исследователей не остается. Отраженные от вас световые волны могут войти в сталь с одной стороны, но с другой они не выйдут.