Глава 2. Научно-техническое наследие

В этой главе рассматриваются преимущественно только те работы, изобретения, идеи и научные открытия Николы Теслы, в отношении которых имеется определенность касательно сути принципа и времени его открытия. Также нужно отметить, что нижеперечисленные сведения основываются на достоверно аутентифицированных источниках, как правило, это прижизненные лекции, статьи и иные публикации в научных и научно-популярных изданиях, а также патенты.

1882–1888 гг. Открытие явления вращающегося магнитного поля, изобретение индукционного двигателя и создание комплексной системы промышленного применения многофазных переменных токов. Несмотря на кажущуюся простоту изобретений, их появление было связано с преодолением огромной инерции мышления целой индустрии, самых высококвалифицированных инженеров-электротехников и выдающихся ученых. Явление переменного тока давно было известно, с ним экспериментировали и отчасти использовали в промышленности, но только появление системы многофазных токов и особенно электродвигателей Теслы открыло путь к промышленной революции. В течение двадцати лет компания Вестингауза выиграла более 20 судебных процессов (все до единого), направленных на оспаривание приоритета Теслы на изобретения в этой области. Тесла был первым, именно Тесла является первопроходцем, открывшим эру современной электроэнергетики. Однако коммерческая привлекательность изобретений Теслы пробудила совсем другую силу.

Идет долгое и ожесточенное соперничество крупных капиталов за мои права на патенты; оно пробудило озлобленность торгашей и зависть собратьев по профессии… Но, несмотря на все усилия изобретательных адвокатов и экспертов, судебные решения подтвердили мои права на приоритет во всех без исключения случаях.

Никола Тесла, «Личные воспоминания», 1915 г. (24)

Учитывая, что до сих пор вопрос приоритетов в этой области является до удивления болезненным и заслуги Теслы сплошь и рядом ставятся под сомнение, любителей подискутировать отсылаем к советскому академическому изданию (25), где вопрос разобран основательно и справедливо. Из этого же издания здесь уместно привести высказывание выдающегося электротехника с мировым именем Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Позиция русского инженера, являющегося одним из создателей промышленной техники трехфазного тока в Германии, возглавившего в 1909 г. крупнейший немецкий электротехнический и машиностроительный (и военный) концерн AEG, такова:

Я обязан добавить, что приоритет относительно многофазных машин принадлежит Тесле… Если потрудиться заглянуть в его патенты, то легко можно усмотреть, что благодаря своим опытам Тесла уже давно раскрыл характеристики этих двигателей… Я бы хотел довести до вашего сведения именно дату патента, играющую принципиальную роль в этом историческом событии.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский, 1891 г. (25)

Под руководством М. О. Доливо-Добровольского в 1891 г. была проведена Лауфен-Франкфуртская передача электроэнергии напряжением 15 кВ на расстояние 170 км, что было неслыханным достижением для того времени и считается началом современной электрификации. Поэтому будет также уместно привести слова главного инженера швейцарской электротехнической компании, которая непосредственно занималась Лауфен-Франкфуртской электропередачей:

Трехфазным токам, применявшимся во Франкфурте, мы обязаны трудам г. Теслы, что совершенно ясно видно из его патентных спецификаций.

Чарльз Юджин Браун, 1891 г. (26)

Важно отметить, что, несмотря на огромный вклад, который внесли в усовершенствование и развитие электроэнергетики целые поколения последующих разработчиков, особенно теоретиков, никаких принципиально новых физических открытий в этой области не сделано и по сию пору.

Независимо от принятого мнения, будь оно тем более несправедливым по отношению к изобретателю, никому не разрешается заходить так далеко, чтобы осуждать его в таком случае, как теории и интерпретации его изобретения. Теории приходят и уходят, но мотор работает, практический результат достигнут, и техника продвинута вперед его стараниями и усилиями.

Никола Тесла, «Трехфазный патент», 1892 г. (27)

Интересно, что по свидетельству О‘Нила в 1920-х гг. Тесла также разрабатывал компоненты системы для высоковольтной передачи постоянного тока (6), которая при очень высоких напряжениях на дальних расстояниях в ряде случаев может быть экономичнее, чем ЛЭП переменного тока. Разработкой таких систем практически одновременно в начале 1930-х занялись шведы (ASEA), немцы (AEG и Siemens) и американцы (GE). Вопрос приоритетов в этой области требует дополнительного исследования.

1891 г. Тесла разрабатывает и патентует совершенно новый вид осветительных приборов – люминесцентных ламп различных типов (сегодня они известны как лампы «дневного света»). Само явление свечения газов и газового разряда было уже известно, но именно Тесла первым создал и запатентовал промышленную систему электрического освещения газоразрядными лампами, которая состояла из источника высокого напряжения высокой частоты и ламп нескольких типов.

По-видимому, именно Тесла еще в 1889 г. первым ввел в колбу лампы люминофоры – специальные вещества, которые преобразуют ультрафиолетовое излучение в видимый свет (6). Позднее это изобретение было приписано немцу Э. Гермеру (Edmund Germer), которого несколько десятилетий называли «отцом люминесцентных ламп». Патент Э. Гермера, датируемый 1926 годом, приобрела «General Electric», которая и вывела изобретение на рынок в 1930-х.

1891 г. Тесла патентует и широко применяет в экспериментах механический осциллятор, обладающий уникальными свойствами даже по сегодняшним меркам. С его помощью Тесла изучает явление резонанса механических колебаний и действие ультразвука. В то время ультразвук только-только научились получать с помощью простого свистка. Механический осциллятор Теслы позволял не только осуществлять регулировку частоты и мощности в широких пределах, но и был охарактеризован изобретателем как «простейшая форма вибрационной механической системы, в которой по природе конструкции прилагаемая сила всегда находится в резонансе с естественной периодичностью» (29).

Тесле принадлежит идея использования ультразвука для обнаружения подводных лодок (30), а механических (сейсмических) колебаний – для обнаружения месторождений полезных ископаемых. Здесь Тесла, вне всякого сомнения, опередил науку и технику на десятки лет. Стоит отметить, что в 1930-х годах разработками Теслы интересовались главный геолог и инженеры Техасской нефтяной компании, которые вели консультации с изобретателем, касающиеся геофизики и геологоразведки (8).

Широко распространена версия о том, что большое Нью-Йоркское землетрясение 1897 года было вызвано экспериментами Теслы по изучению механического резонанса. В том же году Тесла заявил журналистам, что с помощью своих осцилляторов вполне в состоянии положить конец человеческой цивилизации.

1891 г. Тесла является основателем практически применимой высокочастотной электро- и радиотехники. Первоначально Тесла в целях получения колебаний высокой частоты конструировал специальные модификации асинхронного двигателя, рассматривая его в качестве универсального преобразователя не только типа энергии, но и напряжения, силы тока, частоты, числа фаз. В одной из запатентованных модификаций такой электрической машины он довел число полюсов до 384 и, перепробовав целый ряд других ухищрений, достиг частоты изменения тока примерно 30 кГц, после чего перешел на немашинные способы генерации токов высокой частоты и высокого напряжения – специальные резонансные колебательные контуры, называемые ныне осцилляторами или трансформаторами, а также просто катушками Теслы разных типов.

Попытаться перечислить области практической применимости и оценить значение катушки Теслы для техники и науки, особенно поисковых исследований, – безнадежное дело.

Здесь отметим только, что высокочастотные высоковольтные трансформаторы Теслы непосредственно использовались при создании в 1930-х годах первых резонансных циклических ускорителей – циклотронов, в которых тяжёлые заряженные частицы ускоряются под действием высокочастотного электрического поля.

Изобретатель первого циклотрона (1931) и лауреат Нобелевской премии по физике 1939 года «за изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные с его помощью», выдающийся американский ученый, один из ведущих физиков Манхэттенского проекта Э. О. Лоуренс (Ernest Orlando Lawrence) в своей Нобелевской лекции помянул добрым словом катушку Теслы, которая, по его словам, способствовала «плодотворной стадии развития» в эволюции ускорителей. Это, кстати, едва ли не единственный случай за всю историю Нобелевской премии, когда на церемонии были так или иначе упомянуты предшествующие достижения Николы Теслы.

Небезынтересно добавить, что в 1930-х годах один из ближайших сотрудников Э. Лоуренса объявил в научной печати, что катушки Теслы «не могут быть удовлетворительно рассмотрены с помощью математики» (4). Что это значит, будет рассмотрено позже.

Истина заключается в том, что электрики были снабжены настоящей лампой Аладдина. Все, что они должны сделать, – это потереть её.

Никола Тесла, «Как электрической лампой Аладдина можно построить новые миры», 1908 (31)

1891 г. и ранее. Тесла одним из первых исследовал воздействие высокочастотных электрических токов на человеческий организм. В «войне токов», развернувшейся с начала 1888 г., Тесла продемонстрировал решающий аргумент в доказательство безопасности переменного тока высокой частоты, пропустив через свое тело высокочастотный переменный ток напряжением в десятки и даже сотни киловольт, что стало мировой сенсацией. В этих зрелищных показах вокруг тела ученого образовывалась светящаяся электрическая «аура» (коронный разряд). В научно-теоретическом отношении, как считается, формально Тесла этим экспериментом первым доказал существование поверхностного (или скин-) эффекта, математически предсказанного Хэвисайдом в 1885 г.

Понятно, что эти опыты стали тут же воспроизводиться в научных лабораториях всего мира и исследоваться под разным углом. Выявленные свойства электрической энергии, при терапевтических дозах, изменять функциональное состояние органов и систем человека легли в основу целого направления медицины – электротерапии. Устройства медицинского назначения, основанные на высокочастотных осцилляторах Теслы, стали выпускаться в промышленных масштабах уже в конце XIX века, а вот сам метод получил название дарсонвализация.

Когда доктор д’Арсонваль заявил, что сделал такое же открытие, касающееся физических эффектов, вызываемых воздействием необычайно высоких частот на человеческое тело, начался ожесточенный спор на тему установления истинного автора этого открытия. Французы, горя желанием почтить своего соотечественника, сделали его членом Академии, совершенно игнорируя мои ранние публикации. Решившись принять меры для восстановления справедливости, я встретился с доктором д’Арсонвалем. Его личное обаяние полностью обезоружило меня, и я позабыл о своем намерении, решив довольствоваться тем, что есть. Похоже, мое разоблачение предвосхитило его, и он стал использовать мой аппарат в своих показах. Окончательную оценку я оставляю следующему поколению.

Никола Тесла, «Механическая терапия» (7)

г. Тесла 20 мая 1891 г. в Нью-Йорке сделал важное сообщение; этот экспериментатор очень искусно… пришел к тем же выводам, что и я, относительно физиологических действий, однако он располагал несравнимо более сильными средствами.

Д’Арсонваль, июль 1891 г. (25)

Позднее появились многочисленные «изобретатели» на эту тему. Например, в 1949 г. супруги Кирлиан из Краснодара запатентовали новый способ фотографирования свечения объектов, находящихся под воздействием токов высокой частоты и высокого потенциала, и теперь это свечение называется «эффектом Кирлиана», хотя правильно называть его «Тесла-свечением».

1892 г. В ходе лекции в Королевском институте Великобритании Тесла продемонстрировал опыт, на основе которого 40 лет спустя были сделаны первые электронные микроскопы.

Конструкция лампы Тесла очень проста: сферическая стеклянная колба с разреженным воздухом, в центре которой на конце проходящего сквозь колбу провода крепилась частица твердого, тугоплавкого материала – катода. Катод запитывался однопроводным током высокой частоты и высокого потенциала.

Под действием высокого напряжения молекулы газа начинают с огромной скоростью ударяться много раз в секунду об электрод, который мгновенно раскаляется до любой степени накала. В результате сочетания автоэлектронной, термоэлектронной и вторичной эмиссии электронов, распространяющихся из катода почти прямолинейно, на поверхности колбы возникает геометрическая проекция катода с очень большим увеличением.

В колбе, откуда почти полностью откачан воздух, электричество истекает от электрода при помощи независимых носителей… Должны быть какие-нибудь неровности, даже если поверхность отшлифована, что, конечно, невозможно в случае большинства тугоплавких материалов, которые применяются в качестве электродов… Глазу поверхность электрода представляется равномерно светящейся, но на нем есть точки, которые постоянно перемещаются и блуждают, температура которых гораздо выше средней, и это существенно усиливает процесс распада. То, что нечто подобное происходит, по крайней мере когда температура электрода немного ниже, можно подтвердить следующим достаточным экспериментальным доказательством. Хорошенько откачаем воздух из колбы, так, чтобы при довольно высоком потенциале разряд не мог пройти, то есть светящийся, ибо слабый, невидимый разряд проходит всегда, при любых условиях. Теперь медленно и осторожно увеличим потенциал, покидающий первичный ток не более чем мгновенно. В какой-то момент на колбе появляются два, три или полдюжины светящихся пятнышек. Эти места на стекле, очевидно, подвергаются более интенсивной бомбардировке, чем другие, что происходит вследствие неравномерно распределенной электрической плотности, обусловленной, конечно же, резкими выступами, или, вообще говоря, неровностями электрода. Но светящиеся участки постоянно перемещаются, что особенно хорошо видно, если умудриться создать их очень мало, а это говорит о том, что форма электрода постоянно меняется.

Никола Тесла, лекция в Лондонском Королевском научном обществе, 1892 г.

Приведенная цитата – точное описание картинки электронного микроскопа (Фото 26), сочетающего принципы полевой и термоэлектронной эмиссий.

Надо сказать, что, несмотря на то что субатомная структура строения вещества в то время еще была совсем неясна и Тесла называет в качестве причины появления изображения на колбе не электроны (официально открыты только несколько лет спустя), а «наэлектризованные атомы», суть открытого им принципа это не меняет. Он не только получил увеличенное во много раз изображение электрода, но и правильно понял и идентифицировал основные принципы его появления: «наэлектризованные атомы» нормально отталкиваются от поверхности электрода, формируя изображение во многом согласно законам геометрической оптики, и первым применил простейшие методы фокусировки такого потока для достижения нагрева или свечения.

В последующем открытие автоэлектронной (полевой) эмиссии электронов было приписано американскому физику-экспериментатору Роберту Вуду, который не более чем лишь повторил вышеописанный опыт Теслы: «Открытие явления автоэлектронной эмиссии в 1897 году связано с именем замечательного экспериментатора Роберта Вуда. При исследовании вакуумного разряда Вуд заметил в сильном электрическом поле испускание электронов, наблюдая свечение стекла под их воздействием, и описал это явление» (32).

Последующие достижения, которые привели к появлению огромного класса вакуумных электронных приборов: электронных ламп различных типов, сканирующих и просвечивающих электронных микроскопов, электронно-лучевых трубок и пр., а именно управляющие сетки, магнитные линзы, флуоресцентные экраны, растровые электронные зонды, корректоры аберраций и т. д., – несомненно, потребовали высочайшего инженерного искусства и научной прозорливости, но вряд ли их можно назвать фундаментальными физическими открытиями.

Первые промышленные электронные микроскопы были разработаны фирмой Siemens по заказу концерна «Farben Industrie» в 1930-х годах (М. Кнолль и Э. Руска), а Нобелевскими лауреатами по физике за создание электронных микроскопов стали Э. Руска, Г. Биннинг и Г. Рорер, ни много ни мало, в 1986 г.! Нужно ли говорить, что в своей Нобелевской лекции никто из них и не вспомнил, что соответствующее принципиальное открытие и первое электронное изображение получил Никола Тесла почти на 100 лет раньше их нобелевского банкета.

1892 г. В той же лекции, поместив внутрь лампы (Фото 26, а) рубиновую каплю, Тесла продемонстрировал опыт, который можно трактовать как демонстрацию лазера.

В целом во время плавки были замечены великолепные световые эффекты, о которых трудно дать адекватное представление. Рисунок … должен проиллюстрировать эффект, наблюдавшийся с рубиновой каплей. Сначала можно наблюдать узкий столб белого света, который проецируется на верхнюю часть колбы, где он образовывает неровно очерченное светящееся пятно. Когда кончик рубина оплавляется, свечение становится очень мощным; но поскольку атомы испущены с намного большей скоростью с поверхности капли, вскоре стекло нагревается и «устает», и теперь светится только кромка пятна. Таким образом формируется очень яркая и четко очерченная линия, соответствующая внешнему контуру капли, которая медленно расширяется по верхней части колбы по мере того, как капля растет. Когда эта масса начинает кипеть, образуются пузырьки и мелкие пустоты, которые вызывают на поверхности колбы темные пятна.

Никола Тесла, лекция в Лондонском Королевском научном обществе, 1892 г.

Удивительно, но, по сути, идея о возможном существовании явления вынужденного излучения, которое лежит в основе работы лазеров, вскользь высказана Теслой еще в предыдущей лекции 1891 г. Приведем этот отрывок, где Тесла размышляет о производстве мощного практичного источника света:

Но мощные электростатические эффекты – непременное условие производства света так, как показывает теория…электромагнитные волны, длина которых во много раз больше длины световых волн и которые вырабатываются посредством резкого разряда конденсатора, использовать, кажется, нельзя… Мы не можем при помощи таких волн воздействовать на статические заряды молекул или атомов газов и заставить их вибрировать и излучать свет. Длинные поперечные волны, очевидно, не могут дать нужный эффект, тогда как крайне малые электромагнитные возмущения могут проходить мили в воздухе. Такие невидимые волны, если только они не имеют длину волн света, не могут, как кажется, возбуждать световое излучение в трубке Гейсслера, а световые эффекты, которые порождаются индукцией в трубке, лишенной электродов, я склонен считать имеющими электростатическую природу.

Никола Тесла, лекция для сотрудников AIEE в Колумбийском университете, 1891 г.