Борис Якоби. Жизнь и научная деятельность до перехода в российское подданство. Создание модели электромагнитного двигателя (П. В. Ломакина, 2016)

Серия «Великие умы России»

Редактор серии Владимир Губарев

© АНО «Ноосфера», 2016 год.

© ИД «Комсомольская правда», 2016 год.

Жизнь и научная деятельность до перехода в российское подданство. Создание модели электромагнитного двигателя

Борис Семёнович Якоби родился 21 сентября 1801 года в Пруссии, в городе Потсдаме – второй после Берлина резиденции прусских королей с удивительной архитектурой и консервативной европейской атмосферой. Его отец Симон Якоби был коммерсантом, удачно распорядившимся своим наследством, благодаря чему семья Якоби считалась довольно состоятельной. Кроме старшего Морица (именно такое имя носил Борис Семёнович до принятия российского подданства), у Симона и его жены Рахиль были еще сыновья Карл, впоследствии ставший известным математиком, и Эдуард, а также дочь Тереза.

Высшее образование в Европе того времени могли позволить себе далеко не все: обучение стоило очень дорого, но Симон настолько преуспел в своей работе, что твердо решил отправить своих детей в высшие учебные заведения. Однако перед семьей Якоби встало еще одно препятствие: в то время в Пруссии царствовали жесткие ограничения в отношении лиц иудейского вероисповедания. Глава семьи остался верен своему решению обеспечить детям хорошее будущее, поэтому даже окрестил их по канонам лютеранской церкви. Но осталась еще одна проблема: в Потсдаме не существовало гимназий, в которых учеников готовили бы к поступлению в университет. Так, достигнув школьного возраста, Мориц познакомился с человеком, которого в будущем назовет своим «единственным и любимым наставником», – дядей Леманом. Рахиль пришлось попросить своего образованного брата заниматься с ее старшим сыном, чтобы в будущем тот мог продолжить обучение в университете, и дядя подошел к предложенной задаче со всей ответственностью: мальчик начал изучать древние и европейские языки, основы математики, классическую литературу. Часто на уроках присутствовал и Карл. Дядя Леман старался не только силой своего авторитета заставить мальчишек заучивать новую информацию, но и привить им желание получать новые знания, постоянно заниматься самообразованием. Недаром одним из самых значимых литературных произведений в жизни Морица и Карла стал «Фауст» Гете – символ вечного человеческого стремления к познанию.

Мориц Герман фон Якоби. 1837 г.

Потсдамская площадь, Берлин, Германия. Мэри Эванс.

С 1 апреля 1819 до 29 февраля 1820 года повзрослевший Мориц Якоби отбывал воинскую повинность в качестве вольноопределяющегося. А уже в январе 1821 года он сдает вступительные испытания в Берлинский университет, где получает аттестат зрелости, выданный ему ученой испытательной комиссией и подписанный самим Гегелем. К сожалению, Мориц не мог выбирать факультет самостоятельно – это сделали за него родители, твердо убежденные в том, что наиболее престижной и подходящей для сына сферой деятельности будет строительство. Однако в Берлинском университете именно этот факультет был одним из самых слабых, поэтому, проучившись там меньше года, Мориц уезжает продолжать обучение в Геттингенском университете. Там он встречает своего второго наставника – профессора Б. Ф. Тибо, читавшего лекции по прикладной математике, высшей механике, комбинаторике. Тогда Якоби даже не представлял, как в будущем ему пригодится фундаментальная математическая подготовка, а просто наслаждался интересными занятиями.

Безусловно, Мориц Якоби был активным, заинтересованным студентом. В 1823 году он становится членом Бранденбургского экономического общества, созданного в Потсдаме. А в 1825 году он переводит на немецкий язык книгу английского механика Р. Бьюкенена о строительстве мельниц и машин. Переведенная работа в 412 страниц с собственными дополнениями и примечаниями Морица стала его первым выступлением в печати. В 1827 году в «Журнале чистой и прикладной математики» выходит статья с исследованием Якоби, в котором он выводит формулы для зубчатых передач с пересекающимися осями. Почти сорок лет спустя в заграничной прессе появится описание мельницы, построенной в Бельгии, устройство которой было основано на выводах Морица. Именно эта работа стала первым шагом Якоби от чистой теории к прикладным проблемам. Но вместе с новыми интересами она принесла и смятение в его душу. В одном из писем к младшему брату Карлу, ставшему уже на тот момент приват-доцентом Берлинского университета, Мориц писал: «Я вижу, как то, что я считал до сих пор самым стабильным и надежным, а именно наука, превращается в моих руках в хаос невыразимой путаницы, в лабиринт, в котором я все больше и больше запутываюсь, беспорядочно двигаясь и бросаясь то туда, то сюда, из которого я никак не могу выбраться и найти для себя какую-либо опору». Якоби пишет, что в поисках своего места в жизни и науке он пытается обратиться к философии: «Я не знаю, чего я хочу, чего хотят другие, чего хочет наука, что она должна. И чтобы все это узнать как в науке, так и в жизни, я спасся бегством – удивляйся, но не возражай – в логику Гегеля, и она будет теперь постоянно лежать на моем столе со многими пометками, подчеркиваниями, закладками». Однако и эти попытки не смогли помочь будущему ученому обрести цель в жизни. К тому же его охватывает зависть к Карлу, который прославился в научных кругах тем, что сумел решить некоторые математические задачи, считавшиеся неразрешимыми. Мориц, будучи чрезвычайно амбициозным человеком, не мог найти сферу, в которой его интеллект и трудолюбие будут оценены должным образом.

Георг Вильгельм Фридрих Гегель.

Карл Густав Якоби.

1 июня 1829 года Морицу Якоби был вручен диплом на звание архитектора. А 6 октября 1829-го он становится членом Союза поощрения промышленной деятельности в Пруссии. Финансовое положение семьи в то время сильно пошатнулось, поэтому времени на дальнейшие размышления о своем предназначении у Морица не было – пришлось устраиваться на государственную службу. Якоби обратился в Министерство ремесел, торговли и строительства Пруссии с просьбой предоставить ему место руководителя строительством дорог. Безусловно, эта должность не могла полностью устраивать такого честолюбивого человека, как Мориц. В своем дневнике он пишет: «Вся беда происходит оттого, что я стремлюсь к свершениям слишком большого масштаба. Только на долю немногих выпадает такое высокое счастье и возможность проявить свой талант, как это случилось у Жака (так в семье называли Карла. – Авт.). Я же не могу махнуть на себя рукой и удовольствоваться тем, что я на кое-что пригоден, кое-чему научился».

Несмотря на внутреннее сопротивление своим новым обязанностям, 1 июля 1831 года Мориц вступает в должность королевского руководителя дороги в Шенебеке под Либенвальде, которая должна была стать частью шоссе между Берлином и Пренцлау. По прибытии в Шенебек его ждало еще большее разочарование: после долгих лет изучения различных новшеств в строительной технике и оборудовании ему предстояло строить шоссе, имея в своем распоряжении только людей с лопатами, кирками, тачками и другими примитивными орудиями труда. Подверженный своим идеалистическим представлениям, Якоби требует у начальства приобрести паровую машину и ввести еще ряд других нововведений, на что, конечно же, получает отказ. Без ведома вышестоящих лиц он пишет статью об увеличении народного богатства путем сооружения шоссейных дорог с целью пропаганды новых методов строительства, чем приводит их в настоящую ярость. Но даже на этом охваченный бунтарским настроением Якоби не остановился: в нарушение иерархии он обращается со своими предложениями непосредственно к министру, что являлось недопустимым по прусским понятиям того времени. Результатом такой самозабвенной борьбы стало увольнение: 20 октября 1832 года ему пришлось вернуться домой в Потсдам.

Отец Морица Симон Якоби умер 16 марта 1832 года. Семья тяжело переживала утрату, а неудачи старшего сына в профессиональной сфере стали дополнительным ударом. Никто не поддержал действия Морица, брат Карл даже указал, что сам он своим многолетним трудом и успехами оправдывает свои редкие неразумные поступки, в то время как у Морица нет права на них. На фоне упреков в бунтарстве и неумении находить общий язык с начальством в Морице начинает развиваться дух чинопочитания, который в будущем очень понравится Николаю I.

Кроме упреков, Мориц получил предложение от младшего брата приехать в Кенигсберг, где он преподавал, и вступить в должность инспектора гавани Пиллау. Выбора не было, будущему ученому пришлось подавить самолюбие и отправиться в отдаленную окраину. Приехав в Кенигсберг, Якоби был приятно удивлен: в городе царила атмосфера творчества, духовных поисков и стремления к научным открытиям. Крупнейшие ученые преподавали в местном университете. Например, Ф. В. Бессель, директор университетской обсерватории, станет одним из ближайших друзей Морица. А Ф. Э. Нейман, профессор физики и минералогии, предоставит ему возможность пользоваться приборами физического факультета и читать присылаемые ему журналы.

Наконец Мориц Якоби попал в свою обстановку, которая вновь вдохновила его на стремление к «свершениям большого масштаба». Обстоятельства открыли перед ним возможность окунуться в науку, и он не преминул ими воспользоваться: за то время, что Якоби пробыл в Кенигсберге, он успел осуществить поразительный объем работы.

В первую очередь Мориц занялся исследованиями электромагнетизма – магнитными явлениями, вызываемыми электрическим током. Дело в том, что главным достижением науки того времени был паровой двигатель, однако механическая передача энергии сводила на нет главное его преимущество – огромную мощность. Электрическая же энергия способна легко превращаться в любой другой вид энергии, необходимый для определенного случая, и именно Якоби был одним из первых ученых, указавших на недостатки парового двигателя, от которых свободен электрический. Кроме того, в центре внимания Морица было открытие магнитного поля электрического тока, подтверждающее тесную связь между электричеством и магнетизмом. Прорывом, который принес успех ученому, стал отказ от царствовавшего тогда в строительстве машин принципа возвратно-поступательного движения. Именно движение поршня в паровой машине ученые мечтали заменить на электродвигатель, приходя к ошибочному заключению, будто оно является образцом для конструкции нового двигателя. Якоби же построил машину, основанную на принципе вращательного движения. Отмечая ее преимущества, он писал: «В моем двигателе отсутствуют все управляющие и регулирующие механизмы, как то: клапаны, вентили, поршни, полые цилиндры и др., которые в паровой машине дорого стоят и быстро изнашиваются при работе. Благодаря этой простоте стоимость двигателя уменьшается и со временем может быть доведена до четверти стоимости паровой машины»; «магнитная машина обладает почти бесшумным действием благодаря тому, что в ней отсутствуют неизбежные в паровой машине сотрясения и удары, столь вредно действующие, в особенности в локомотивах»; «двигатель не требует постоянного наблюдения за собой, он может быть на целые часы и даже дни предоставлен самому себе, его действие остается ровным и спокойным».

Эффект конструкции зависел от точно налаженной перемены полюсов, что придало особенную важность уникальному коммутатору, созданному ученым. Свой двигатель Якоби считал универсальным, применимым во всех случаях, когда требуется механическая энергия, пригодным «для нужд промышленности и жизни». «Я уже не говорю о крайней простоте магнитной машины, – писал ученый, – с круговым беспрерывным движением, о конструктивных ее преимуществах и легкости превращения кругового движения во всякое другое, какого требует данная рабочая машина. Я с самого начала был проникнут этими мыслями, еще когда я не представлял себе, каким образом мне удастся осуществить свою машину; я тогда имел в виду практическое ее применение, и задача представлялась мне настолько важной, что я не хотел тратить силы на выдумывание игрушек с возвратно-поступательным движением, которые удостоились бы чести быть поставленными в один ряд с электрическим звонком в отношении их эффекта».

Главной заслугой Якоби было умение концентрироваться исключительно на тех вопросах, которые наиболее остро стояли в производстве того времени; стремление не к эмпирическим выводам, но созданию необходимого для промышленности и транспорта двигателя. В будущем он скажет своим студентам: «Я учился в немецких университетах: изучение точных наук было моим главным занятием. Позднее силою обстоятельств я был втянут в практическую деятельность, и моя работа в области строительства носила самый разнообразный характер. Но хотя при быстрых успехах науки это было очень трудно, я всегда старался не отставать от ее уровня. Я черпал из науки только то, что ведет или обещает повести к практическим результатам. Я поставил себе задачу примирить науку и технику, стереть неоправданное различие, которое установили между теорией и практикой».

8 апреля 1834 года Мориц закончил многочисленные исследования и организовал первое испытание электродвигателя. Причем, наверное, впервые в жизни Якоби, все окружающие твердо верили в его успех, а Ф. Нейман даже организовал демонстрацию работы модели. В дальнейшем с ней ознакомятся В. Я. Струве, А. Гумбольдт, К. М. Бэр.

Электродвигатель Б. С. Якоби конструкции 1834 г.

Копия первого электрического двигателя Б. С. Якоби, 1834 г.

Чертеж первого электрического двигателя Б. С. Якоби, 1834 г.

В. Я. Струве.

Обретя уверенность в своих силах, Мориц отправляет «Заметки о магнитной машине, в которой магнетизм используется как двигательная сила» в Парижскую академию наук, которая являлась тогда центром промышленных исследований, а затем публикует брошюру под названием «Памятная записка о применении электромагнитной силы для приведения в движение машин». Что интересно, Якоби одним из первых оценил важность закона, открытого Г. Омом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке (при заданном сопротивлении) и обратно пропорциональна сопротивлению участка (при заданном напряжении). Именно этот закон он положил в основу своих работ по конструированию магнитного аппарата. Даже Дж. Генри, один из величайших физиков, создавший свою модель электромагнитного двигателя, впервые ознакомился с законом Ома, прочитав о нем в «Памятной записке» Якоби.

На этом успех ученого в Кенигсберге не остановился: 1 марта 1833 года он был принят в число действительных членов «Кенигсбергского физико-экономического общества». Его доклад, с которым он выступил на открытом собрании общества, был включен в сборник лучших докладов под редакцией академика К. М. Бэра. В нем Якоби много говорит о сохранении энергии, что позволяет назвать его одним из предшественников великого открытия этого явления.

Работоспособность Морица не знала границ: в 1834 году он дважды выступает на заседаниях Кенигсбергского союза искусств и ремесел, пишет интереснейшую речь «Об использовании сил природы для нужд человека». В начале своего сочинения ученый писал:

«Труд всегда преследует цель – вызвать коренные или лишь пространственные изменения в телах, представляемых природой. С этим каждый раз связано преодоление известного сопротивления, независимо от того, чем оно вызывается: реакцией против трения, сцепления и притяжения тел или силами упругости и тяжести. Когда такое сопротивление только уравновешивается, имеет место лишь давление; работа же – надо твердо усвоить это различие – имеет место тогда, когда точка, к которой приложено сопротивление, перемещается в пространстве.

Поэтому, чтобы получить меру работы, нужно умножить сопротивление на длину пути, проходимого точкой, где приложено сопротивление; это произведение имеет особое значение в экономическом отношении, ибо оно полностью исчерпывает движущую силу, посредством которой должна быть произведена работа, за каждый момент или за определенный закономерный период. Мера движущей силы на пространство, пройденное точкой приложения силы, и если сила и сопротивление изменяются одинаковым способом и в одинаковых единицах, то является возможность сравнивать друг с другом движущую силу и работу и оценивать их по отношению одна к другой»

Далее в речи ученого есть не менее важные слова: «Наряду с принципом – добиться возможной независимости от природы – имеет величайшее значение и другой принцип – концентрировать двигательную силу на возможно малом пространстве. Ибо только в этом случае можно привести все работы в наиболее целесообразную связь и, вместо того чтобы идти к силам природы, отыскивать их и приспособляться к ним, напротив, заставить их идти к себе и применять их где и когда понадобится».

В 1835 году авторитет Морица Якоби стал так велик, что Ф. Нейман поставил вопрос о его допущении к защите ученой степени доктора философии, которая и была присуждена ему 24 июня 1835 года. Напомним, что все это время Мориц еще и выполнял обязанности инспектора гавани, а теперь, добившись такого успеха, мог бы претендовать на место в университете. Но здесь его ждала неудача: вакансии, соответствующие его специальности, отсутствовали и никаких перспектив не предвиделось. Кроме того, финансовое положение ученого становилось все тяжелее: все свои сбережения он истратил на дорогостоящие опыты, которые теперь пришлось прекратить. Единственным возможным источником материальной помощи для научных экспериментов в Пруссии того времени являлись денежные пособия от монархов, стремившихся прослыть просвещенными правителями. А. Гумбольдт убедил короля Пруссии Фридриха Вильгельма III в важности и необходимости для науки опытов Якоби, намекнув, что помощь с финансированием создаст хорошую славу монархии. 10 января 1834 года Морицу выдали 600 талеров на продолжение работ по электромагнетизму. Однако, по подсчетам Якоби, для устройства электродвигателя в натуральную величину требовалось в 30 раз больше! Таким образом, карьера Морица вновь зашла в тупик, но внезапно ему улыбнулась удача.

Король Пруссии Фридрих Вильгельм III.

Как говорилось ранее, два русских академика К. М. Бэр и В. Я. Струве проявляли активный интерес к деятельности Морица Якоби. Работая в университете Дерпта (нынешний Тарту), они знали о свободной вакансии профессора гражданской архитектуры и строительства. Тогда В. Струве, будучи в курсе нестабильного положения Якоби, предложил ему переехать в Дерпт и занять это место. В письме А. Гумбольдту Мориц писал об этом так: «Может быть, вашему превосходительству случайно известно, что со стороны действительного статского советника Струве последовал запрос ко мне, не согласен ли я занять кафедру архитектуры в Дерпте, если бы на меня пал выбор Ученого совета. Не колеблясь ни минуты, я принял бы это предложение, ибо, несмотря на шестилетнее ожидание и многократные старания, я не мог получить соответствующего положения, и в будущем также ничего в этом отношении не предвидится. Поэтому я с величайшей радостью воспользовался бы случаем выступить на арену, где мне бы открылась возможность развить деятельность, отвечающую моим силам».

Связь с Россией Якоби чувствовал уже давно по разным причинам. Во-первых, здесь сыграла свою роль, казалось бы, бесполезная служба в гавани Пиллау. Кенигсбергский порт находился близко от границы с Россией и имел огромное значение для вывоза русских товаров на Запад. Экономическое благополучие Кенигсберга крайне зависело от этого обстоятельства, и Мориц прекрасно это понимал. С годами эта зависимость становилась все сильнее, и впоследствии на Кенигсбергский порт даже были распространены русские правопорядки. Во-вторых, Якоби был связан с Россией и в научной сфере, например рассказы А. Гумбольдта, совершившего путешествие по приглашению русского правительства, об огромных богатствах российских недр производили огромное впечатление на кенигсбергских ученых. Наконец, Якоби был невероятно вдохновлен личностью и жизнью писателя А. Шамиссо, принявшего участие в кругосветном путешествии на русском корабле «Рюрик» по рекомендации И. Ф. Крузенштерна. Описание этого путешествия содержало и подробный рассказ о жизни в Петербурге. Друг Карла математик Я. Штейнер шутливо называл Морица «Великим Константином», указывая на его чрезвычайный интерес к России. Впоследствии Якоби не раз вспомнит об этом, удивляясь, как шутка стала своего рода предопределением.

Забегая вперед, стоит отметить, что эта связь с нашей страной в жизни ученого станет только более крепкой со временем. Так, уже на склоне лет, незадолго до смерти Якоби напишет о России следующие слова:

«Если достигнутые в сфере науки результаты приносят пользу всему миру, то, без сомнения, тем большее значение они имеют для страны, в пределах которой результаты эти добыты… Культурно- историческое значение и развитие наций оценивается по достоинству того вклада, который каждый из них вносит в общую сокровищницу человеческой мысли и деятельности. Поэтому нижеподписавшийся обращается с чувством удовлетворенного сознания к своей тридцатисемилетней ученой деятельности, посвященной всецело стране, которую привык считать вторым отечеством, будучи связан с нею не только долгом подданства и тесными узами семьи, но и личными чувствами гражданина.

Нижеподписавшийся гордится этой деятельностью потому, что она, оказавшись плодотворной в общем интересе всего человечества, вместе с тем принесла непосредственную и существенную пользу России…»

13 мая 1835 года философский факультет Дерптского университета ходатайствовал об избрании на должность экстраординарного профессора гражданской архитектуры М. Якоби. 8 июня Совет университета единогласно проголосовал в пользу Морица. Сам министр просвещения С. Уваров утвердил Якоби в этой должности. 27 сентября Мориц приехал в Дерпт и уже на следующий день вступил в новую должность.