Вильгельм Эдуард Вебер родился 24 октября 1804 года. С раннего детства он жил в академической среде и в тесном контакте с образованными людьми разной ориентации.
Он был пятым ребенком профессора богословия Виттенбергского университета. Двое его братьев были профессорами анатомии и физиологии в Лейпцигском университете, старший брат стал министром.
Интерес троих братьев к науке, несомненно, пробудил друг семьи, профессор медицины и естествознания Кристиан Август Ланггут, в доме которого жили Веберы. Еще одним арендатором здесь был известный физик Эрнст Флоренс Фридрих Хладни (1756–1827).
Вильгельм Эдуард Вебер (24 октября 1804, Виттенберг — 23 июня 1891, Гёттинген)
С 1813 года семья Вебер жила в Галле. Университет Галле был официально связан с Виттенбергским университетом в 1817 году.
Здесь, в очень молодом возрасте, Вильгельм начал научное сотрудничество со своим братом Эрнстом Генрихом, который был почти на десять лет старше его, над проблемой волн на воде.
Результатом экспериментального исследования в 1825 году стала научная публикация, сделавшая имя Вильгельма известным в научных кругах.
Во время учебы в университете Галле на молодого Вебера наибольшее влияние оказали физик Иоганн Саломо Кристоф Швайггер (1779–1857) и, вероятно, математик Иоганн Фридрих Пфаф (1765–1825).
Вильгельм Эдуард Вебер защитил докторскую диссертацию, посвященную акустическому соединению язычка и воздушной полости органной трубы, в 1826 году вместе со Швейггером, год спустя получил квалификацию лектора, продолжая работать над тем же вопросом, и вскоре после этого был назначен доцентом Университета Галле.
Его лекция на берлинском собрании Общества немецких естествоиспытателей и врачей в сентябре 1828 г., посвященная органным трубам, привлекла внимание немецкого математика, механика, физика, астронома и геодезиста, считающегося одним из величайших математиков всех времён, «королём математиков» Карла Фридриха Гаусса.
Гаусс признал Вебера ценным сотрудником, заинтересовал его работой по геомагнетизму и получил для него профессуру в Геттингене. Здесь Вебер провел шесть плодотворных и, несомненно, полезных для Вебера лет в сотрудничестве и тесной дружбе с Гауссом несмотря на их разницу в возрасте (Вебер был на 27 лет моложе Гаусса).
Хотя оба занимались экспериментальной работой и хотя Вебер проявлял большие теоретические способности и оригинальность, старший был лидером в теории, а младший — в эксперименте. Их первым общим научным интересом был земной магнетизм.
Карл Фридрих Гаусс и Вильгельм Эдуард Вебер
Исследования земного магнетизма
Гаусс подверг критике современное учение о магнетизме и пришел к выводу о необходимости коренных реформ. Они касались не только магнетизма, но и всей физики.
В начале совместной работы он поставил частичную цель: найти способ математически обобщить результаты многолетних исследований магнетизма. Гаусс верил в безграничную силу математического анализа физических явлений.
Гаусс и Вебер организовали Magnetische Verein (Магнитное общество), объединившее эту всемирную сеть обсерваторий.
Вместе они опубликовали Resultate aus den Beobachtungen des magnetische Vereins (1836–1843 - Результаты наблюдений Магнитной ассоциации), который был опубликован в шести томах и содержал пятнадцать статей Гаусса и 23 статьи Вебера. Вместе они также опубликовали Atlas des Erdmagnetismus (1840 г. - Атлас земного магнетизма).
Эти и другие публикации касались проблем приборостроения и измерительной техники для измерения магнитного поля Земли. Наиболее важной публикацией по этому вопросу была Allgemaine Theorie des Erdmagnetismus Гаусса (1839 г. - Общая теория земного магнетизма).
Здесь Гаусс уже мог основывать свою математическую теорию на данных, полученных из мировой сети обсерваторий. Таким образом, он использовал эмпирическую основу для своих ранее сформулированных идей и выразил магнитный потенциал в любой точке земной поверхности бесконечным рядом пространственных функций.
Счастливое и плодотворное сотрудничество двух ученых было внезапно прервано в 1837 году событием, положившим конец экспериментальной работе Гаусса в области физики. В то время в стране бушевал революционный бум, чего не одобрял консерватор Гаусс.
Первый телеграф
В 1833 году Гаусс и Вебер построили в Геттингене первый электромагнитный телеграф (способный работать на расстоянии более 1 км). Они протянули медный провод длиной 1200 метров над крышами города от кабинета Вебера через рыночную площадь до обсерватории Гаусса.
Телеграфная линия использовалась двумя исследователями для связи, но она была построена из чисто научных интересов однако Гаусс и Вебер осознавали и коммерческий аспект.
Сам телеграф состоял из передатчика, проводника и приемника. Проводник, то есть натянутый медный провод, соединял между собой две катушки: в кабинете Вебера и в обсерватории Гаусса.
Обе катушки были свободно намотаны на магнитный стержень и могли перемещаться вдоль стержня. Когда катушка передатчика двигалась, явление электромагнитной индукции вызывало бросок тока, который проходил по проводу к другой катушке, которая тоже приводилась в движение. Катушка на приемнике была увеличена и сделана видимой с помощью системы зеркал.
Гаусс и Вебер разработали собственную систему двоичного кода, основанную на направленном отклонении катушек и на том, что каждой букве было присвоено сочетание нескольких отклонений.
В 1845 г. удар молнии разрушил телеграфную линию Геттингена. Гаусс тем временем занимался всемирной сетью станций наблюдения для измерения магнитного поля Земли и другими научными темами, и не стал ремонтировать телеграф.
Страница лабораторной тетради Гаусса, содержащая как его код, так и первое переданное сообщение, а также копию телеграфа, сделанную в 1950-х годах по указанию Вебера, хранится на физическом факультете Геттингенского университета в Германии.
В 1835–1836 годах Карл Август Штайнхайль построил первую телеграфную сеть по системе Гаусса-Вебера в Мюнхене. А в 1838 году Штайнхайль проложил телеграфные линии вдоль железной дороги Нюрнберг-Фюрт.
После окончания Геттингерской телеграфной линии в 1845 г. и в последующие годы триумфального шествия американской телеграфной системы Морзе научные достижения Гаусса и Вебера поначалу были преданы забвению. Об изобретении немецких ученых вспомнили лишь в ходе подготовки к Всемирной выставке 1873 г. в Вене.
Модель телеграфа, сделанная Вебером для Всемирной выставки 1873 года в Вене, сейчас находится в исторической коллекции Физического института в Геттингене.
Телеграф Гаусса-Вебера в Физическом музее. Эта модель сделал Вебер между 1848 и 1873 гг.
«Геттингенская семерка»
Вильгельм Эдуард Вебер был одним из Геттингенской семерки, группы из семи либеральных профессоров из Геттингена.
Основным вкладом Вильгельма Вебера в геттингенский период его жизни была разработка чувствительных измерительных приборов и проведение очень точных измерений в области магнетизма.
Несмотря на свою большую увлеченность магнетизмом, Вебер также находил время для сотрудничества со своим младшим братом Эдуардом по вопросам физиологии и физики движений человека.
Совместные результаты были представлены в публикации Mechanik der menschlichen Geliwerkzeuge (1836 г. - Механика суставной системы человека). Публикация стала еще одним проявлением тесного научного сотрудничества трех братьев Вебер.
Пребывание Вебера в Геттингенском университете было неожиданно и драматически прекращено.
После смерти короля Вильгельма IV его племянница Виктория (1819–1901), происходившая из ганноверской династии, в 1837 году стала королевой Англии. Ее дядя Эрнст Август II, сын британского короля Георга III, начал править в Ганновере. Его первым актом была отмена либеральной конституции 1833 года.
Вебер был одним из семи профессоров Геттингенского университета, подписавших заявление протеста против этого решения.
Хотя так называемая геттингенская семерка завоевала в Германии большую симпатию, все семь профессоров лишились своих должностей по королевскому приказу.
В течение следующих пяти лет Вебер был безработным и без постоянного дохода. По всей Германии был организован сбор в пользу «семерки». Он принес Веберу 1400 толар, что почти вдвое превышало профессорскую зарплату Вебера.
Вебер, верный своим нравственным принципам, считал, что не должен растрачивать этот дар, он хранил его и жил как можно скромнее в маленькой комнате. Он получил некоторые средства, хотя и не очень обильные, от Гаусса.
Несмотря на потерю должности, Вебер продолжил работу по геомагнетизму в Геттингене. Хотя и Гаусс, и Гумбольдт пытались вернуть ему профессорское звание, король обусловил этот шаг публичным обращением, однако это было неприемлемо для Вильгельма Вебера.
Геттингенская семерка на почтовой марке Германии 1992 года
Электродинамика Вебера
Электродинамика Вебера — исторически значимый подход в физике к объяснению и описанию основных явлений электродинамики. Его теория предполагает, что электрическая сила зависит не только от расстояния, но и от скорости. Она расширяет закон Кулона с целью включения магнитной силы с дополнительными членами.
В современной физике применяется электродинамика Максвелла, которая стала бесспорной основой классического электромагнетизма. Электродинамика Вебера, с другой стороны, в значительной степени неизвестна и забыта.
После семи лет работы без университетской должности в Геттингене Вебер стал профессором физики в Лейпцигском университете в 1843 году. Помимо получения постоянной работы, это означало для него и возможность более тесной связи с братьями. На этом посту он заменил близкого друга семьи Вебер, физиолога и физика Густава Теодора Фехнера (1801–1887).
Фехнер отказался от поста из-за мучительного напряжения глаз, вызванного его психофизическими экспериментами, которые привели к его временной слепоте. Это заставило Фехнера обратиться к философии и психологии.
Вебер часто спорил с Фехнером — убежденным атомистом о силовом действии между атомами и частицами материи.
В своих работах Вебер осуществил поиск единого общего закона взаимодействия зарядов, находящихся как в покое, так и в движении.
Он руководствовался амперовской трактовкой магнетизма и концепцией электродинамики. Он углубил теорию магнетизма Ампера, основанную на молекулярных магнитных диполях.
Экспериментально проверив закон силы Ампера, он приступил к теоретическому выводу общего закона действия электрической силы, в том числе движущихся зарядов.
Однако, в отличие от Ампера, он не считал взаимодействие между элементами проводников тока фундаментальным явлением, а искал закон взаимодействия между электрическими зарядами в движении. Поэтому Вебер предполагал действие центральных сил (точно так же, как Ампер) и токов как совокупность двух типов электрических зарядов, движущихся в противоположных направлениях.
В основу положен известный факт, вытекающий из закона Кулона, что две одинаково заряженные частицы в состоянии покоя отталкиваются друг от друга, а два одинаковых тока в проводниках, как следует из закона Ампера, притягиваются.
Отсюда он сделал вывод, что две равномерно наэлектризованные, но движущиеся частицы притягиваются электромагнитным эффектом. Чтобы эти два силовых воздействия уравновесились, частица должна иметь определенную скорость.
Он выразил закон математически следующим образом:
где dr/dt — скорость, с которой заряды Q1 и Q2 удаляются друг от друга, d2, r/dt2 — ускорение взаимного движения зарядов, c — постоянная.
Особого внимания заслуживает константа с. Вебер впервые измерил ее в 1852 г. и некоторое время называлась числом Вебера и имела физический смысл скорости. Она была равна скорости света. Здесь скорость света впервые предстала в определенной и понятной форме.
Преимущество закона силы Вебера состояло в том, что он содержал закон электростатики Кулона, закон силы Ампера для элементов с током.
Вебер добросовестно считал свой закон «Grundgesetz» электродинамики. Он включил в нее все известные электрические явления и попытался использовать ее для объяснения и электрического состава материи.
Когда он позднее (в 1871 г.) применил этот закон к своей планетарной модели атома, он, вероятно, первым выдвинул гипотезу о квантовой природе электрического заряда.
Однако, в отличие от Ампера, Вебер задумал свой закон только в конце эпохи, когда физика основывалась на ньютоновском, а затем и на принципе Лапласа мгновенного действия силы на расстоянии.
Эта концепция, хотя и имела еще очень сильную теоретическую позицию в первой половине XIX века, в середине этого века оно уже сильно пошатнулось.
В основном за это отвечал Майкл Фарадей с его концепцией действия силы на близком расстоянии, созданием концепций силовой кривой и поля, теоретически развитой в дальнейшем Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879).
Вторым мыслительным процессом (как уже упоминалось), который встряхнул существующую концепцию, был переход от «физики сил» к «физике энергии».
Новая концепция вызвала разногласия. Они также произошли между Вебером и Германом фон Гельмгольцем (1821–1894).
Первое столкновение произошло после публикации мемуаров Гельмгольца в 1847 г. Гельмгольц птыался доказать что закон силы Вебера нарушает закон сохранения энергии.
Он заметил, что отрицательный знак второго члена в уравнении Вебера вообще может привести в замкнутой системе к неограниченному росту кинетической энергии частиц, что физически невозможно. Однако Вебер доказал, что критика была необоснованной.
Вебер расширил теорию молекулярного магнетизма Ампера, включив явление диамагнетизма. Он предположил, что два типа жидкости циркулируют вокруг магнитных атомов по разным, непересекающимся путям (положительные циркулируют вокруг отрицательных зарядов в кеплеровских спиралях).
Разработанный Вебером тангенциальный гальванометр экспериментально определил величину электромагнитной величины тока разряда из электростатически заряженной лейденской банки.
Отношение обеих измеренных величин – электростатической и электромагнитной – равно 3,107 х 1010 см·с–1 , т. е. скорости света.
В 1843 г. Вебер создал свой электродинамометр на теории Ампера о воздействии одного проводника с током на другой – за счет электродинамического воздействия вращающаяся катушка прибора стремится вращаться, причем ее витки параллельны виткам последовательно соединенной неподвижной катушки. Поворот пропорционален величине проходящего тока.
Парный памятник Гауссу и Веберу в Геттингене, открытый в 1899 году
Система единиц
С точки зрения влияния на развитие науки вклад Вебера в создание системы единиц для электротехники, возникшей из системы Гаусса СГС для механических величин, был очень важным вкладом в ее развитие.
Абсолютная система СГС была предложена Гауссом и Вебером в 1836 году. Система СГС Гаусса и Вебера была дополнительно дифференцирована в зависимости от того, исходила ли она из закона Кулона о силе электрических зарядов или силе магнитных полюсов. Это позволило создать электростатическую систему СГСЭ и электромагнитную систему СГСМ ( в настоящее время они заменены системой СИ).
Человек и ученый Вильгельм Эдуард Вебер
Вебер был дружелюбным, очень скромным человеком. Он никогда не был женат и его домашнее хозяйство вела его сестра, а в последующие годы племянница. Он мирно скончался 23 июня 1891 года в возрасте 86 лет в своем саду.
Могила Вильгельма Эдуарда Вебера на муниципальном кладбище в Геттингене
Как ученый он был непреклонен, честен в своем мышлении и временами настойчиво применял свои идеи на публике.
Он прославился своим подходом к описанию основных явлений электродинамики (электродинамика Вебера), и, несмотря на то, что его вытеснила теория поля Максвелла, Вебер был одним из ведущих авторитетов в области теории электричества и магнетизма при жизни.
Более продолжительное влияние на физическую теорию он оставил своими идеями об атомистической концепции электрического заряда и своим видением влияния этих зарядов на электрические, магнитные и тепловые свойства материи.
В дальнейшем был также оценен его большой вклад в создании абсолютной системы физических единиц, которую также можно охарактеризовать как его главную работу непреходящей ценности. Его имя было увековечено использованием его для обозначения единицы магнитного потока в системе СИ - вебер (Вб).