Читать книгу "Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - Антонио М. Лальена Рохо"

В области электричества Томсон разработал многочисленные устройства и методы измерения различных показателей. В 1867 году он изобрел квадрантный электрометр, позволявший осуществлять абсолютное измерение электростатического потенциала. В определенной конфигурации этот прибор мог использоваться для измерения атмосферного электричества. Ученый разработал токовые весы для определения единицы силы тока — ампера. В благодарность за его вклад в электрическую стандартизацию Международная электротехническая комиссия на собрании, состоявшемся в Лондоне в июне 1906 года, избрала Томсона своим первым председателем.

Также можно выделить нововведения ученого в морском деле. После смерти супруги в 1870 году он приобрел 126-тонный корабль, который назвал «Лалла Рук». Работа с ним позволила увеличить опыт Томсона в связи с прокладкой кабеля. Также он разработал прибор для исследования морского дна. Раньше использовался лот на веревке, который опускали с борта корабля, пока веревка не ослабевала, когда лот сталкивался с дном. Томсон заменил веревку стальным кабелем и использовал манометр для регистрации давления и косвенного определения глубины. Этот усовершенствованный лот в свое время интенсивно использовался вплоть до 1960 года, в том числе и на Королевском флоте.

Кроме того, бортовые работы в связи с прокладкой подводных кабелей увеличили знания Томсона в мореходном деле и привели к постановке новых проблем. Так, он предложил, чтобы маяки, вместо того чтобы испускать постоянный луч, мигали, передавая уникальную для каждого из них информацию с помощью кода типа Морзе: таким образом моряки получали дополнительные сведения о своем реальном местонахождении. Ученый долго настаивал на этом своем предложении, и со временем оно начало внедряться на практике.

Также Томсон интересовался морскими компасами, которые он начал изучать около 1870 года, чтобы написать статью для журнала Good Words, издателем которого был его друг. В 1874 году в связи со смертью Арчибальда Смита Томсон выяснил, что тот исследовал отклонения, которым подвергались компасы, используемые на борту кораблей. Если первые корабли изготавливались из дерева, то постепенно в их конструкции использовалось все больше металла, пока они не стали полностью металлическими. Это повышало надежность судна, но порождало новые проблемы. Железо корабля обладало собственным магнитным полем, которое было постоянным и называлось эффектом сильного магнетизма, а в зависимости от своего положения корабль оказывал воздействие на магнитное поле Земли, этот эффект был переменным и назывался эффектом слабого магнетизма.

Также было известно, что привычная на море качка, особенно в случае плохой погоды, или сотрясение, которому подвергается военный корабль из-за отдачи при пушечной стрельбе, расстраивают работу компасов, поскольку меняют слабый магнетизм.

ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ПРИЛИВОВ

Начиная с 1860 года Томсон начал интересоваться характеристиками приливов, предсказание которых имело большую важность для Британского адмиралтейства, поскольку его корабли бороздили моря всей планеты.

Так стартовал проект предсказания приливов под руководством Томсона, разработавшего гармонический анализатор приливов.

Он вновь использовал разработки гармоник Фурье, проявив свою гениальность. Дэвид Линдли, автор биографии Томсона, писал: «Математика, которую она [эта проблема] включала в себя, принадлежала всем, в основном Лапласу во Франции и Эйри в Англии. Зачаток механизма [расчета] происходил от [его брата] Джеймса Томсона. Но именно Уильям Томсон нашел сочетание теоретических и практических элементов, переформулировал математику доступным образом, развил новшество своего брата в устройство более точного расчета и создал машину, которая делала ровно то, что ей было предназначено, не требуя при этом участия оператора».

Гармонический анализатор приливов, разработанный Уильямом Томсоном и выставленный в Музее науки в Лондоне.

Эйри изучал проблему и нашел приемлемое решение, включив в компас пару постоянных магнитов, ориентированных определенным образом. Но это решение не было абсолютно удовлетворительным, поскольку позволяло только скорректировать, и то не полностью, действие сильного магнетизма. Позже Смит разработал процедуру коррекции, в которую включался слабый магнетизм, но она была слишком сложной, поскольку требовалось, чтобы каждый корабль прошел ряд измерений, результаты которых следовало обработать и составить таблицы, включающие специфические поправки для каждого конкретного корабля. И все же, несмотря на свою сложность, эта процедура использовалась в британском флоте долгие годы.

Томсон в своем анализе учел другую проблему, связанную с движением стрелки компаса, которая стремилась вращаться вокруг своей оси, выравниваясь в одну линию с осью корабля. Этот чисто механический эффект накладывался на магнитное выстраивание, но мог влиять на движение стрелки, особенно когда она имела больший, чем обычно, вес (такие компасы использовали на некоторых кораблях, полагая, что благодаря своему большему весу такие стрелки будут стабильнее, однако эффект был обратным). Со временем корабли становились все больше, компасы — тоже, и проблема была все острее.

Решение Томсона казалось очевидным. В задаче участвовали хорошо знакомые элементы: магнитное поле Земли, сильный и слабый магнетизм корабля, намагниченные элементы и динамика. Томсон искал решение, которое не требовало бы от моряков знаний в таких дисциплинах, как физика или математика. Он разработал конструкцию из легких элементов, чтобы избежать динамических эффектов и облегчить компенсацию явлений, вызванных использованием железа в конструкции корабля.

Однако его компас был оценен не очень высоко. Ни Эйри, ни руководство адмиралтейства не поняли улучшений, предложенных ученым. Несмотря ни на что Томсон добился использования своей конструкции на некоторых кораблях и на основании отчетов об эксплуатации и наблюдений пользователей вносил в прибор усовершенствования. К 1880 году компас Томсона начал использоваться на коммерческих судах.

Прикладная работа, которой занимался ученый в эти годы, безусловно, заставила его отложить темы, связанные с базовой наукой. Фон Гельмгольц, навестивший его в 1884 году, написал:

«У меня впечатление, что сэр Уильям может делать нечто лучшее, чем применять свою выдающуюся проницательность к промышленным проектам; его инструменты кажутся мне слишком утонченными для того, чтобы давать их в руки необразованных рабочих и служащих. [...] Он одновременно решает в уме глубокие теоретические проблемы, но у него нет времени спокойно поработать над ними».

Однако уже был близок новый этап в плодотворной научной жизни Томсона.

ГЛАВА 4

Механистическое мировоззрение

В последние годы жизни Томсон придерживался присущего ему механистического представления о физических процессах. Однако новая физика, которая начала появляться, полностью противоречила такому восприятию действительности. Это поставило ученого в несколько маргинальное положение в науке, что было полной противоположностью лидерству Томсона, характерному для начала его карьеры.