Чарльз Уитстон (Charles Wheatstone)
Ранние годы
Чарльз Уитстон родился 6 февраля 1802 года в Барнвуде (Barnwood), в деревне в двух милях от Глостера (Gloucester), в семье башмачника Уильяма Уитстона и Беаты Уитстон. 17 марта того же года он был крещен в церкви Святой Марии де Лоде (St. Mary de Lode).
В 1806 году семья переехала в Лондон, и там Уильям Уитстон занялся продажей нот и музыкальных инструментов. Так же он давал уроки музыки, и среди его учениц был принцесса Шарлотта Августа Уэльская (1796-1817), которая могла бы стать английской королевой, если бы не умерла при родах.
Уже в 4 года Чарльз Уистон ходил в школу в Глостере и умел читать некоторые строки из Библии. Когда он приехал в Лондон, то пошел в школу в Кеннингтоне (Kennington), которой заведовала миссис Кастлмэйн (Castlemaine). В учебе он достигал больших успехов, но по своему характеру был нервным и робким, а потому не был общительным. Однажды он даже стал спорить с учителями, утверждая, что они преподают ужасно, и даже убежал из школы, но был пойман на соседней улице.
В 1813 году он перешел в школу на Вере Стрит (Vere Street), которая работала по Ланкастерской системе, согласно которой старшие ученики поучали младших. В одном из школьных отчетов его прилежание оценивалось как «среднее», однако и там были свои достижения. Чарльз выиграл золотую медаль за свои успехи в изучении французского языка и должен был произнести речь на ее вручении. Но он категорически отказался это делать, несмотря на все уговоры и угрозы, и поэтому свою медаль утратил. Помимо французского, он изучал латынь и греческий, и превосходно усваивал математику и физику.
В 1816 году юного Чарльза отправили на работу к своему дяде, но тот был разгневан тем, что юнец все время запирается на чердаке, где читает книги, и совершенно не думает о бизнесе. Пришлось отцу забирать его обратно. В свои 15 лет Чарльз зачитывался французской поэзией и сочинял музыку. Но он был настолько не уверен в своих силах, что передал сочиненные им мелодии профессиональному музыканту, а тот продал их дяде Чарльза, и они были отпечатаны под чужим именем.
Чарльз все свои карманные деньги тратил на книги, среди которых были сочинения Хладни о природе звука. Свои увлечения Чарльз мог использовать и в деле. Он сконструировал фигуры-марионетки, изображающие музыкантов, и установил их в витрине отцовского магазина, а приказчик мог приводить их в движение и изображать целый концерт. Они стали местной достопримечательностью в Глостере, и трюки Чарльза Уитстона еще долго были на слуху в тех местах.
Музыкальный бизнес
Следующим изобретением Чарльза стал Акукриптофон, или «Зачарованная Лира». Об этом инструменте с восторгом писали лондонские газеты в 1821 году.
Зачарованная лира
Само слово «акукриптофон» можно было перевести с греческого как «слышать спрятанный звук». Лира была подвешена над потолком за медную проволоку, а та была соединена со звуковыми панелями пианино, арфы или других струнных инструментов, на которых играли музыканты.
Следующим номером был «Диафоникон», который передавал звук из соседней комнаты. Эти и другие инструменты были очень популярны, и вход на концерты Уитстона стоил по пять шиллингов, а от желающих не было отбоя.
Когда Чарльзу Уитстону исполнился 21 год, его дядя умер, и Чарльзу пришлось заняться семейным бизнесом. Неоднократно ему приходилось переезжать и открывать магазины в разных районах Лондона, но одна встреча значительно повлияла на Чарльза.
Знакомство с наукой
В 1822-1823 гг. великий датский ученый Ганс Христиан Эрстед (Hans Christian Ørsted) путешествовал по Европе. Он знакомился с достижениями науки и техники разных стран, но и сам давал публичные лекции и проводил эксперименты. В Париже он демонстрировал публике опыты с фигурами Хладни (Ernst Florens Friedrich Chladni), а в мае 1823 года приехал в Лондон. Там он попал на концерт Уитстона и увидел Зачарованную Лиру и другие аттракционы, после чего незамедлительно решил познакомиться с изобретательным молодым человеком. Точно неизвестно, как именно они познакомились, но в июне 1823 года они уже состояли в переписке.
Ганс в своих письмах рассказывал о своих опытах с передачей звука и уговорил Чарльза написать свою первую научную работу. Эту работу он взял с собой в Париж, и 30 июня французские академики познакомились с научными изысканиями Чарльза Уитстона. В августе 1823 года читатели «Анналов философии» познакомились со статьей Уитстона «Новые эксперименты со звуком». После этого Чарльз долго не писал научных работ, о чем весьма сожалел Эрстед, и поделился своим сожалением с астрономом сэром Джоном Гершелем (John Herschel) летом 1825 года. Тот сумел повлиять на Чарльза, и с тех пор Уитстон постоянно делился своими научными работами с членами Британского Королевского Института (Royal Institution of Great Britain). Там он стал директором лаборатории и постоянно участвовал в заседаниях Института, а еще Чарльз тесно сотрудничал с Майклом Фарадеем (Michael Faraday). Стоит отметить тот факт, что Чарльз Уитстон стал членом Королевского Института только в 1846 году, хотя постоянно участвовал в научных исследованиях и семинарах.
15 февраля 1828 года перед слушателями Королевского Института выступил Майкл Фарадей с лекцией «Резонанс». В печати Института было отмечено, что докладчиком выступил Фарадей, который все же отметил тот факт, что честь открытий в этой области принадлежит Уитстону. 9 мая 1828 года Фарадей выступил с лекцией «О природе звука и музыки», и опять же в отчетах Института было отмечено, что материал был предоставлен Уитстоном, а представлен публике Фарадеем.
После того как создатель музыкальных инструментов стал ученым, он не забросил свои занятия, но они приобрели упорядоченный и научный характер. В 1827 году он создал калейдофон, который, по словам изобретателя, представлял из себя забавную «философскую игрушку». Название им было взято у калейдоскопа сэра Дэвида Брюстера (David Brewster), созданного в 1817 году. Это устройство тоже производило потрясающие фигуры, но иным способом.
Калейдофон
Фигуры, описываемые шестами Калейдофона
На неподвижной платформе было установлено несколько шестов. На вершинах шестов располагались отражающие поверхности. Шест № 1 был примерно 30 см высотой, толщиной 2-3 мм в диаметре, и при своих колебаниях производил фигуры Лиссажу, которые можно было наблюдать при отражении света от вершины шеста. На шесте № 2 была навесная платформа, которая могла удерживать объект, установленный на ней. Стоило ударить по шесту № 4, как его стороны начинали колебаться в разных направлениях, а его вершина описывала трехмерную фигуру. Чарльз Уитстон сконструировал этот прибор, чтобы наглядно показать колебания струн. Таким образом, он подошел к идее о взаимосвязи механических колебаний и звуковых.
Чарльз Уитстон создал инструмент для усиления звука, который он назвал микрофоном, хотя сейчас его бы скорее назвали прообразом стетоскопа. Это были две металлические пластины, покрывающие уши, от которых отходили провода длинною примерно 40 см, соединенные друг с другом. Чарльз погружал проволоки в сосуд с кипящей жидкостью, и мог лучше слышать то, что происходило внутри сосуда. Тот же эффект наблюдался в том случае, если конец проволоки прикладывали к сосуду.
«Микрофон» (стетоскоп) Уитстона
В 1831 году Чарльз Уитстон опубликовал научную работу «О передаче звуков музыки при помощи твердых проводников». В этой статье он размышлял о том, что если бы человечество смогло подобрать нужный проводник, то смогло бы передавать не только музыку из одного зала в другой, но и парламентские слушания можно было бы транслировать по всей Англии, а то и по всему миру.
Научные исследования звука сопровождались творческими поисками, в результате которых появился симфониум, музыкальный инструмент, губная гармоника конструкции Чарльза Уитстона. Было продано всего лишь две сотни этих инструментов, и сейчас их редко можно увидеть.
Симфониум Чарльза Уитстона
Следующий инструмент, концертина Чарльза Уитстона, стал более популярным. За XIX век их было продано более 20 тысяч, и концертину полюбили виртуозные музыканты. Самым известным любителем концертины был британский премьер-министр Артур Бальфур (Arthur Balfour), который прекрасно играл на ней в свободное от политики время.
Каталог с изображением концертины Уитстона
Отец Чарльза Уитстона часто брал учеников, но его сын не занимался преподаванием, хотя делал пособия по теории музыки, самым известным из которых является «Гармоническая Диаграмма Уитстона».
Гармоническая диаграмма Уитстона
Волновая машина Уитстона
Идеи о наглядной демонстрации волновых колебаний появлялись в письмах Уитстона Гершелю еще в 1825 году, но реализация проекта заняла определенное время. Первые сведения о «волновой машине Уитстона» появились в 1848 году от посетителей его лаборатории. Волновая машина представляла собою коробку с прорезями сверху и по бокам, в которых находились подвижные стержни. Как только через коробку пропускали заготовки различной формы, стержни приходили в движение и благодаря этому лектор мог демонстрировать волновые колебания, поляризацию и интерференцию волн.
Волновая машина Уитстона
Это устройство было желанным наглядным пособием для всех преподавателей физики, и в Лондоне в 1870-х гг. его продавали за 25 фунтов, а в Париже его можно было приобрести за 1000 франков, и от желающих не было отбоя.
Стереоскоп
С 1830 года в журнале Королевского Института стали появляться заметки Чарльза Уитстона о физиологии зрения, в которых он знакомил британского читателя с европейскими достижениями науки в этой области. Первая его заметка была сконцентрирована на результатах работы Яна Эвангелиста Пу́ркине (Jan Evangelista Purkyně). В 1838 году он представил перед академиками Королевской Академии Наук стереоскоп, который можно по праву назвать предшественником 3D-очков и виртуальной реальности. Чарльз подготовил обстоятельный доклад, в котором утверждал, что разные изображения, попавшие на сетчатые оболочки разных глаз, формируют единую картину. Его прибор был основан на рассматривании половин стереопары через зеркала, расположенные перед глазами наблюдателя под углом 45°. Друг с другом зеркала образовывали прямой угол и перенаправляли свет от двух рисунков, которые были закреплены на противоположных боковых стенках стереоскопа. Как и стереоскоп Эллиота, устройство появилось до изобретения фотографии, и служило аттракционом, демонстрирующим возможности бинокулярного зрения воспринимать объём нарисованных соответствующим образом картинок.
Стереоскоп Уитстона на фестивале искусств и гуманитарных наук в 2016 году (Arts and Humanities Festival)
Стереоскоп Уитстона на фестивале искусств и гуманитарных наук в 2016 году (Arts and Humanities Festival)
Скорость электричества
Чарльза Уитстона интересовала скорость электричества и света, и для их измерения он проводил различные опыты. Для того, чтобы измерить скорость электрической искры, он соорудил устройство с подвижным держателем, который делал 50 оборотов в секунду. Шар f находился вблизи генератора электроэнергии, и между ним и проводником пробегала искра. Затем ток шел от шара g к шару h, и между этими шарами пробегала искра. Уитстон предположил, что если бы искра отклонялась от прямой траектории при вращении, то это означало бы, что скорость искры меньше скорости вращения подвижной части. Но при опытах никакого отклонения замечено не было. Из этого Уитстон заключил, что скорость электрической искры гораздо быстрее 1/1000 секунды.
Устройство для измерения скорости электрической искры
Для того, чтобы измерить скорость электрического тока, Чарльз сконструировал аппарат, в проводнике которого должны были возникать три искры, которые наблюдатель мог увидеть в зеркале, вращающемся со скоростью 800 оборотов в секунду (после доработок и синхронизации скорость уменьшилась до 600 оборотов). Наблюдая за промежутками в появлении электрических искр на разных участках цепи, Чарльз пришел к выводу, что скорость электрического тока составляла 288.000 миль в секунду (примерно 463 тысячи километров в секунду). Современные данные отличаются от полученных им результатов, но опыт весьма любопытный.
Аппарат Уитстона для измерения скорости электрического тока
Занятия телеграфией
Опыты с измерением скорости электрического тока привели Чарльза к мысли о том, что с его помощью можно доставлять сообщения, и он вплотную занялся телеграфией.
Уильям Кук (William Fothergill Cooke)
На этом поприще он повстречал Уильяма Кука (William Fothergill Cooke 1806-1879), который пришел к телеграфу другой дорогой. Его отец был хирургом и профессором анатомии в Дареме (Durham). Уильям учился в Эдинбургском Университете (Edinburgh University), затем отправился служить в войсках Британской Ост-Индской компании, которые он покинул в 1833 году. После этого Уильям занялся анатомическим моделированием, изготавливал из воска макеты различных частей тела, сначала как наглядные пособия для студентов своего отца, а затем на продажу. Уильям разъезжал по Европе, и в марте 1836 года он побывал на лекции в Гейдельбергском университете, где профессор Мунк (Muncke) проводил эксперимент с телеграфом. Увиденный им опыт настолько поразил мистера Кука, что после этого он забросил все свои занятия и посвятил себя телеграфу.
Через три недели после вдохновляющего опыта Кук соорудил собственный телеграф, который задействовал 6 проводов, 3 сигнальных устройства (которые могли поворачивать флажки в 3 разные стороны) и мог передавать 27 различных сигналов (3х3х3).
Телеграф Кука. 1836 г.
Затем Кук стал работать над «механическим телеграфом», который мог передавать 60 сигналов. В апреле 1836 года он вернулся в Англию и стал искать инвесторов для своих предприятий. Он сумел добиться переговоров с правлениями Лондонских и Манчестерских железных дорог, но руководство запросило простую систему, понятную для простых служащих. Он стал совершенствовать механический телеграф. Ко всему прочему, Уильям Кук пытался продвигать на рынок «пружины, создающие постоянное движение», своего рода perpetuum mobile (вечный двигатель).
Майкл Фарадей (Michael Faraday)
Для этого Кук прибег к помощи ученого сообщества, и в ноябре 1836 года упросил самого Майкла Фарадея посетить мастерскую и поделиться своим мнением о телеграфе. После визита ученого мужа Кук написал подробное письмо своей матери о том, что его посетил «сам Король Элетро-Магнетистов» и был восхищен его опытами. Фарадей обещал заехать на полчаса, но провел в мастерской полтора часа, и провел их в постоянных опытах и рассказах об электричестве. Великий физик заявил о том, что конструкция телеграфа сможет принести пользу человечеству, но при этом Фарадей сожалел о том, что его советы приведут к новым затратам на оборудование. Он дал понять Куку, что не собирается участвовать в его предприятии. Что же касается вечного двигателя, то Фарадей нашел принцип оригинальным, но усомнился в его работоспособности. Из письма становится понятным, что Фарадей был увлечен телеграфом, но тут же сбежал из мастерской, когда услышал про вечный двигатель. Впоследствии сам Кук старался не упоминать об этой затее.
В феврале 1837 года Кук провел опыты с передачей данных на дистанцию в одну милю (примерно 1.6 км), но результаты опытов были неутешительными. Кук вновь обратился к Фарадею за консультациями, но после переписки с ним и другими учеными мужами, Уильяму посоветовали обратиться Чарльзу Уитстону. В письмах домочадцам Кук писал о том, что его направили к «профессору химии из Лондонского Университета». Он ошибся с предметом и с университетом, но вот с компаньоном ему повезло.
Стрелочный телеграф Кука и Уитстона
В марте 1837 Кук и Уитстон пришли к соглашению о совместной работе в области телеграфии. Сначала Кук предлагал Уитстону 1/6 часть будущих доходов, но тот захотел половину. Затем пришли другому варианту: Кук получал 10 % всех доходов совместного предприятия как оплату за менеджмент предприятия, а оставшиеся доходы делились пополам, и Кук самостоятельно вырабатывал условия контрактов на прокладку телеграфных линий.
В мае 1837 года они подали заявку на изобретение пятистрелочного телеграфа. Конструкция представляла собой аппарат, стрелки которого можно было вращать в две стороны и, таким образом, указывать на определенный символ. Для передачи и приема данных требовалось 6 проводов.
Оформление заявки длилось довольно долго и закончено было только 12 июня 1837 года. До 1852 года в Великобритании патенты не публиковались официально, более того, в Англии, Шотландии, Уэльсе и Ирландии были разные процедуры. А желающих оформить все права на электрический телеграф было предостаточно. Уже весной 1837 года это попытался сделать Эдвард Дэви (Edward Davy), который был наслышан об экспериментах Уитстона. В телеграфе Дэви для передачи каждой (!) буквы требовался отдельный провод, но этот факт его не смущал. В Шотландии против телеграфа Уитстона и Кука выступил Уильям Александр (William Alexander), но все же патент был оформлен 12 декабря 1837 года, а в Ирландии он был оформлен 23 апреля 1838 года.
Пятистрелочный телеграф Уитстона и Кука
Работа пятистрелочного телеграфа Уитстона и Кука (пример)
В июне 1838 года Сэмюель Морзе (Samuel Finley Breese Morse) приехал в Англию для того, чтобы запатентовать там свой телеграф. Но он опубликовал чертежи своего аппарата в британском «Механическом Журнале» (Mechanics' Magazine), а по британским законам того времени запрещалось оформлять патент на известную конструкцию. Помимо прочего, против его притязаний выступили и Уитстон, и Дэви. Хоть их интересы противоречили друг другу, но против американца они выступили воедино. Правда, в 1840 году Уитстон и Кук обратились к Морзе с предложением продвинуть их продукт в Америке, и пообещали ему долю в совместном предприятии. Он хоть и был польщен предложением, но не согласился, а затем продвигал телеграф собственной конструкции.
В июле 1839 года пятистрелочный телеграф был установлен на железной дороге между Паддингтоном и Западным Дрейтоном (Paddington and West Drayton). Контракт на установку Уитстон и Кук заключили с главным инженером дороги, Изамбардом Брунелем (Isambard Kingdom Brunel).
Срез кабеля пятистрелочного телеграфа
При всех своих достоинствах этот аппарат имел свои недостатки. Администрация железных дорог считала, что для работы этого устройства нужно задействовать слишком много проводов. Поэтому на смену пятистрелочному телеграфу пришли двухстрелочные, затем однострелочные.
Двухстрелочный телеграф Кука и Уитстона
Телеграф в детективной истории
В Великобритании телеграф стал очень популярен после того, как с его помощью удалось поймать убийцу, отравившего свою любовницу. После того как Джон Тауэлл (John Tawell) избавился от своей любовницы, он взял билет на поезд в Лондон. Как только полиция обнаружила тело, то немедленно послала телеграмму из Слау (Slough) на станцию Паддингтон (Paddington Station in London). По прибытии в Лондон он был арестован, а детективная история с участием телеграфа прогремела на весь Лондон.
Алфавитный указатель раздора
Указательные телеграфы изготавливал Кук еще в 1836 году, но ему потребовалась помощь Уитстона для передачи сообщений на большие расстояния и синхронизации аппаратов. В январе 1840 года Кук и Уитстон разработали телеграф, который прозвали алфавитным указательным телеграфом (ABC pointer).
Алфавитный указательный телеграф Кука и Уитстона 1840 года
Его конструкция многократно дорабатывалась, но еще она привела к раздору среди компаньонов. В том же году Кук и Уитстон прибегли к арбитражному регулированию и пересмотру условий контракта. Урегулирование споров продолжилось до апреля 1841 года, после чего вчерашние компаньоны перестали контактировать друг с другом. У них оставались совместные интересы в телеграфном бизнесе, но каждый стремился заниматься собственными делами.
Мистер Кук перестал заниматься телеграфией. Вскоре он приобрел несколько патентов на устройства для каменоломен и купил несколько карьеров в Уэльсе. Но в этом бизнесе он потерял даже то, что заработал на телеграфе. В 1854 году Кук напечатал обличительное сочинение, озаглавленное «Электрический телеграф. Был ли он изобретен профессором Уитстоном?».
Подводный кабель
Что же касается Чарльза Уитстона, то он продолжил совершенствовать конструкцию телеграфа, а так же занялся подводной телеграфией. Уже в 1844 году Чарльз проводил опыты с прокладкой кабеля по дну залива Суонси (Swansea Bay). В 1858 году, после провала прокладки кабеля по дну Атлантического океана, британское правительство назначило его в комиссию по расследованию инцидента и перспектив подводной укладки кабеля. Его главным вкладом была научная работа «Об обстоятельствах, влияющих на индуктивные разряды в подводных телеграфных кабелях» (On the Circumstances which influence the Inductive Discharges of Submarine Telegraphic Cables).
Полет мысли
Чарльз конструировал различные устройства: генераторы, моторы, реостаты, устройства для измерения сопротивления (мост Уитстона) и другие конструкции. Некоторые из них весьма пригодились человечеству, другим еще долго пришлось ждать своего часа.
Одним из таких устройств стала печатная машинка Уитстона. В 1850-х он пытался делать различные печатные машины, но не патентовал их и не продвигал на рынок, поэтому человечеству пришлось ждать печатную машинку Ремингтона.
Печатная машинка Уитстона
Телеграфный бизнес Уитстона
В 1858 году Чарльз Уитстон усовершенствовал конструкцию алфавитного указательного телеграфа, и это устройство было очень востребованным в Великобритании.
Алфавитный указательный телеграф образца 1858 года
Одним из первых заказов стала установка таких телеграфов в лондонских отделениях полиции в 1860 году, за тем бизнес стал набирать обороты. В 1861 году Чарльз учредил собственную телеграфную компанию (Universal Private Telegraph Company). Когда правительство Великобритании стало национализировать телеграфную отрасль в 1868 году, в сети этой компании насчитывалось более 1700 аппаратов, и ей принадлежало более 2500 миль телеграфных линий. Со временем телефон изрядно потеснил телеграф, но один алфавитный указательный телеграф Чарльза Уитстона работал на британской почте аж до 1950 года!
Завершение карьеры
В октябре 1875 года Чарльз Уитстон находился в Париже. Там он надеялся посетить заседания Академии Наук и продвигать свою конструкцию телеграфа, но скоропостижно скончался.
Список использованной литературы:
1. Bowers, Brian. “Sir Charles Wheatstone. FRS.1802–1875”. History of Technology Series 29. Published by The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom. 2001.
2. Cooke, William Fothergill. “The electric telegraph: Was it invented by professor Wheatstone?” . London. 1857.
3. Huurdeman, Anton A. “The worldwide history of telecommunications”. 2003.
4. Shaffner, Taliaferro Preston. “The Telegraph Manual: A Complete History and Description of the Semaphoric, Electric and Magnetic Telegraphs of Europe, Asia, Africa, and America, Ancient and Modern”. New York. 1867.
Александр Иванов
экскурсовод Музея истории телефона