Чарльз Уитстон: Жизнь и изобретения английского ученого

Введение

Британский ученый и изобретатель

Сэр Чарльз Уитстоун (англ. Sir Charles Wheatstone; 6 февраля 1802 – 19 октября 1875) был английским ученым и изобретателем, внесшим множество научных достижений в викторианскую эпоху, включая английскую концертину, стереоскоп (устройство для отображения трехмерных изображений) и шифр Плейфера (метод шифрования). Однако Уитстоун наиболее известен своим вкладом в разработку моста Уитстоуна, первоначально изобретенного Сэмюэлем Хантером Кристи, который используется для измерения неизвестного электрического сопротивления, а также как ключевая фигура в развитии телеграфии.

Жизнь

Чарльз Уитстон родился в Барнуде, Глостершир. Его отец, У. Уитстон, был продавцом музыкальных инструментов в городе, который четыре года спустя переехал в 128 Палл-Молл, Лондон, и стал учителем игры на флейте. Чарльз, второй сын, посещал деревенскую школу близ Глостера, а затем несколько учебных заведений в Лондоне. Одно из них находилось в Кеннингтоне и содержалось миссис Кастлемейн, которая была поражена его быстрым прогрессом. Из другого он сбежал, но был пойман в Виндзоре, недалеко от места, где впоследствии был установлен его практический телеграф. В детстве он был очень застенчив и впечатлителен, любил уединяться на чердаке, ни с кем не общаясь, кроме собственных мыслей. Около четырнадцати лет он был отдан в ученики к своему дяде и тезке, мастеру и продавцу музыкальных инструментов по адресу 436 Strand, Лондон, но не проявлял особого интереса к ремеслу или торговле и предпочитал чтение книг. Отец поощрял его в этом и, наконец, забрал из-под опеки дяди. В пятнадцать лет Уитстон переводил французскую поэзию и написал две песни, одну из которых передал дяде, который опубликовал ее, не зная, что это сочинение его племянника. Некоторые его строки о лире стали девизом гравюры Бартолоцци. Он часто посещал старый книжный ларек вблизи Пэлл-Молл, который в то время был обветшалым и немощеным переулком. Большую часть карманных денег он тратил на покупку книг, которые ему нравились, будь то сказки, история или наука. Однажды, к удивлению книготорговца, он захотел приобрести книгу об открытиях Вольты в области электричества, но, не имея достаточной суммы, он копил монеты и все же приобрел ее. Книга была написана на французском языке, поэтому ему снова пришлось копить, чтобы купить словарь. Затем он начал читать книгу и, с помощью своего старшего брата Уильяма, повторять описанные в ней эксперименты, используя самодельную батарею на кухне в доме отца. При создании батареи у юных философов не хватило денег на приобретение необходимых медных пластин. У них осталось лишь несколько медных монет. Чарльзу, который был движущей силой этих исследований, пришла в голову счастливая мысль: «Мы должны использовать сами пенни», – сказал он, и батарея вскоре была готова. 12 февраля 1847 года в Крайстчерче, Мэрилебон, Уитстон женился на Эмме Уэст. Она была дочерью торговца из Тоунтона и отличалась привлекательной внешностью. Она умерла в 1866 году, оставив ему на попечение пятерых маленьких детей. Его семейная жизнь была тихой и спокойной. Хотя в обществе он был молчалив и сдержан, в частной беседе, если разговор касался его любимых занятий, он был ясным и разговорчивым, а его небольшая, но энергичная фигура, простое, но умное лицо, излучали живость. Сэр Генри Тейлор рассказывает, что однажды он заметил Уитстона на вечерней вечеринке в Оксфорде, увлеченно рассказывающего лорду Палмерстону о возможностях своего телеграфа. «Неужели так?» – воскликнул государственный деятель. – «Я должен попросить вас рассказать об этом лорду-канцлеру». И, сказав это, он познакомил электрика с лордом Вестбери и сумел уйти. Это воспоминание, возможно, побудило Палмерстона заметить, что придет время, когда у министра в парламенте спросят, началась ли война в Индии, и он ответит: «Подождите минуту, я телеграфирую генерал-губернатору и сообщу вам». Уитстон был посвящен в рыцари в 1868 году после завершения работы над автоматическим телеграфом. Ранее он был награжден орденом Почетного легиона. Около тридцати четырех наград и дипломов отечественных и зарубежных обществ свидетельствовали о его научной репутации. С 1836 года он был членом Королевского общества, в 1859 году был избран иностранным членом Королевской шведской академии наук, а в 1873 году – иностранным членом Французской академии наук. В том же году он был удостоен медали Ампера Французским обществом поощрению национальной промышленности. В 1875 году он был избран почетным членом Института гражданских инженеров. Он был доктором права Оксфордского университета и доктором права Кембриджского университета. Во время визита в Париж осенью 1875 года, работая над совершенствованием приемного устройства для подводных кабелей, он простудился, что привело к воспалению легких, от которого он умер в Париже 19 октября 1875 года в возрасте 73 лет. Заупокойная служба была проведена в Англиканской часовне в Париже, в которой приняла участие делегация академии. Его останки были доставлены в его дом на Парк-Кресент в Лондоне (сегодня отмечен синей табличкой) и похоронены на кладбище Кенсал-Грин.

Charles Wheatstone was born in Barnwood, Gloucestershire. His father, W. Wheatstone, was a music seller in the town, who moved to 128 Pall Mall, London, four years later, becoming a teacher of the flute. Charles, the second son, went to a village school, near Gloucester, and afterwards to several institutions in London. One of them was in Kennington, and kept by a Mrs. Castlemaine, who was astonished at his rapid progress. From another he ran away, but was captured at Windsor, not far from the theatre of his practical telegraph. As a boy he was very shy and sensitive, liking well to retire into an attic, without any other company than his own thoughts. When he was about fourteen years old he was apprenticed to his uncle and namesake, a maker and seller of musical instruments at 436 Strand, London; but he showed little taste for handicraft or business, and loved better to study books. His father encouraged him in this, and finally took him out of the uncle's charge. At the age of fifteen, Wheatstone translated French poetry, and wrote two songs, one of which was given to his uncle, who published it without knowing it as his nephew's composition. Some lines of his on the lyre became the motto of an engraving by Bartolozzi. He often visited an old book stall in the vicinity of Pall Mall, which was then a dilapidated and unpaved thoroughfare. Most of his pocket money was spent in purchasing the books which had taken his fancy, whether fairy tales, history, or science. One day, to the surprise of the bookseller, he coveted a volume on the discoveries of Volta in electricity, but not having the price, he saved his pennies and secured the volume. It was written in French, and so he was obliged to save again, until he could buy a dictionary. Then he began to read the volume, and, with the help of his elder brother, William, to repeat the experiments described in it, with a home made battery, in the scullery behind his father's house. In constructing the battery, the boy philosophers ran short of money to procure the requisite copper plates. They had only a few copper coins left. A happy thought occurred to Charles, who was the leading spirit in these researches, 'We must use the pennies themselves,' said he, and the battery was soon complete. At Christchurch, Marylebone, on 12 February 1847, Wheatstone was married to Emma West. She was the daughter of a Taunton tradesman, and of handsome appearance. She died in 1866, leaving a family of five young children to his care. His domestic life was quiet and uneventful. Though silent and reserved in public, Wheatstone was a clear and voluble talker in private, if taken on his favourite studies, and his small but active person, his plain but intelligent countenance, was full of animation. Sir Henry Taylor tells us that he once observed Wheatstone at an evening party in Oxford earnestly holding forth to Lord Palmerston on the capabilities of his telegraph. 'You don't say so!' exclaimed the statesman. 'I must get you to tell that to the Lord Chancellor.' And so saying, he fastened the electrician on Lord Westbury, and effected his escape. A reminiscence of this interview may have prompted Palmerston to remark that a time was coming when a minister might be asked in Parliament if war had broken out in India, and would reply, 'Wait a minute; I'll just telegraph to the Governor General, and let you know.' Wheatstone was knighted in 1868, after his completion of the automatic telegraph. He had previously been made a Chevalier of the Legion of Honour. Some thirty four distinctions and diplomas of home or foreign societies bore witness to his scientific reputation. Since 1836 he had been a Fellow of the Royal Society, and in 1859 he was elected a foreign member of the Royal Swedish Academy of Sciences, and in 1873 a Foreign Associate of the French Academy of Sciences. The same year he was awarded the Ampere Medal by the French Society for the Encouragement of National Industry. In 1875 he was created an honorary member of the Institution of Civil Engineers. He was a D. C. L. of Oxford and an LL. D. of Cambridge. While on a visit to Paris during the autumn of 1875, and engaged in perfecting his receiving instrument for submarine cables, he caught a cold, which produced inflammation of the lungs, an illness from which he died in Paris, on 19 October 1875 aged 73. A memorial service was held in the Anglican Chapel, Paris, and attended by a deputation of the academy. His remains were taken to his home in Park Crescent, London, (marked by a blue plaque today) and buried in Kensal Green Cemetery.

Музыкальные инструменты и акустика

В сентябре 1821 года Уитстоун привлек к себе общественное внимание, продемонстрировав «Зачарованную лиру» или «Акукриптофон» в музыкальном магазине на Пэлл-Молл и в галерее Аделаиды. Она состояла из имитации лиры, подвешенной к потолку шнуром, издававшей звуки нескольких инструментов – фортепиано, арфы и дульцимера. В действительности это была лишь резонаторная коробка, а шнур представлял собой стальной стержень, передававший вибрации музыки от инструментов, игравших вне поля зрения и слуха. В этот период Уитстоун провел множество экспериментов со звуком и его передачей. Некоторые из его результатов сохранились в «Анналах философии» Томсона за 1823 год. Он признал, что звук распространяется волнами или колебаниями атмосферы, подобно тому, как свет, по тогдашним представлениям, распространялся посредством волнообразных колебаний светоносного эфира. Вода и твердые тела, такие как стекло, металл или резонансная древесина, передают модуляции с высокой скоростью, и он задумал передавать звуковые сигналы, музыку или речь на большие расстояния таким образом. Он предположил, что звук будет распространяться по твердым стержням, и предложил организовать телеграфную связь между Лондоном и Эдинбургом подобным образом. Он даже назвал свое устройство «телефоном». (Роберт Гук в своей «Микрографии», опубликованной в 1667 году, пишет: «Я могу заверить читателя, что с помощью натянутой проволоки я распространил звук на очень большое расстояние мгновенно или с кажущейся скоростью, сопоставимой со скоростью света». Не обязательно, чтобы проволока была прямой; ее можно было изгибать под углами. Это свойство лежит в основе механического, или «телефона для влюбленных», который, как говорят, был известен китайцам за много веков до этого. Гук также рассматривал возможность найти способ усилить нашу способность слышать.) Писатель в журнале Repository of Arts от 1 сентября 1821 года, упоминая о «Зачарованной лире», предвидит возможность постановки оперы в Королевском театре и ее прослушивания в Hanover Square Rooms или даже в таверне Horns в Кеннингтоне. Вибрации должны распространяться по подземным проводникам, подобно газу в трубах. И если музыку можно таким образом передавать, – отмечает он, – возможно, слова речи также могут быть подвержены такому же способу распространения. Красноречие адвокатов, дебаты в парламенте, вместо того чтобы читать о них лишь на следующий день… Но мы увлечемся исследованием этого любопытного вопроса. Помимо передачи звуков на расстояние, Уитстоун разработал простой инструмент для усиления слабых звуков, который он назвал «микрофоном». Он состоял из двух тонких стержней, передававших механические колебания в оба уха, и существенно отличался от электрического микрофона профессора Хьюза. В 1823 году его дядя, производитель музыкальных инструментов, скончался, и Уитстоун вместе со своим старшим братом Уильямом возглавили семейный бизнес. Чарльз не испытывал особого интереса к коммерческой стороне дела, но его изобретательность находила выход в улучшении существующих инструментов и создании философских игрушек. Он также изобретал собственные инструменты. Одной из самых известных была концертина Уитстона. Это был шестигранный инструмент с 64 клавишами, логически расположенными для простого хроматического расположения пальцев. Английская концертина становилась все более популярной на протяжении всей его жизни, однако пик популярности она достигла лишь в начале XX века. В 1827 году Уитстоун представил свой «калейдофон» – устройство, позволяющее визуализировать вибрации звучащего тела. Он состоит из металлического стержня, на конце которого находится посеребренная бусина, отражающая «точку» света. Когда стержень вибрирует, точка света описывает в воздухе сложные фигуры, словно искра, вращающаяся в темноте. Его фотометр, вероятно, был предложен этим устройством. Он позволяет сравнивать два источника света по относительной яркости их отражений в посеребренной бусине, которая описывает узкую эллипсу, чтобы свести пятна в параллельные линии. В 1828 году Уитстоун усовершенствовал немецкий духовой инструмент, называемый мундгармоника, создав симфониум (или симфонион) – инструмент со свободными язычками, управляемый ртом, с логичной раскладкой кнопок, запатентованный 19 декабря 1829 года, предвосхитивший английскую концертину с мехами. Еще одним его изобретением является портативный гармониум, получивший золотую медаль на Великой выставке 1851 года. Он также усовершенствовал говорящую машину Де Кемпелена и поддержал мнение сэра Дэвида Брюстера о том, что к концу этого века поющий и говорящий аппарат станет одним из завоеваний науки. В 1834 году Уитстоун, заслуживший признание, был назначен на должность профессора экспериментальной физики в Королевском колледже Лондона. Его первый курс лекций о звуке потерпел полный провал из-за его неприязни к публичным выступлениям. На кафедре он сковывался и был неспособен говорить, иногда отворачиваясь от аудитории и бормоча диаграммы на стене. В лаборатории он чувствовал себя как дома и впоследствии ограничивал свои обязанности в основном демонстрациями.

In September 1821, Wheatstone brought himself into public notice by exhibiting the 'Enchanted Lyre,' or 'Acoucryptophone,' at a music shop at Pall Mall and in the Adelaide Gallery. It consisted of a mimic lyre hung from the ceiling by a cord, and emitting the strains of several instruments – the piano, harp, and dulcimer. In reality it was a mere sounding box, and the cord was a steel rod that conveyed the vibrations of the music from the several instruments which were played out of sight and ear shot. At this period Wheatstone made numerous experiments on sound and its transmission. Some of his results are preserved in Thomson's Annals of Philosophy for 1823. He recognised that sound is propagated by waves or oscillations of the atmosphere, as light was then believed to be by undulations of the luminiferous ether. Water, and solid bodies, such as glass, or metal, or sonorous wood, convey the modulations with high velocity, and he conceived the plan of transmitting sound signals, music, or speech to long distances by this means. He estimated that sound would travel through solid rods, and proposed to telegraph from London to Edinburgh in this way. He even called his arrangement a 'telephone.' (Robert Hooke, in his Micrographia, published in 1667, writes: 'I can assure the reader that I have, by the help of a distended wire, propagated the sound to a very considerable distance in an instant, or with as seemingly quick a motion as that of light.' Nor was it essential the wire should be straight; it might be bent into angles. This property is the basis of the mechanical or lover's telephone, said to have been known to the Chinese many centuries ago. Hooke also considered the possibility of finding a way to quicken our powers of hearing.) A writer in the Repository of Arts for 1 September 1821, in referring to the 'Enchanted Lyre,' beholds the prospect of an opera being performed at the King's Theatre, and enjoyed at the Hanover Square Rooms, or even at the Horns Tavern, Kennington. The vibrations are to travel through underground conductors, like to gas in pipes. And if music be capable of being thus conducted,' he observes, 'perhaps the words of speech may be susceptible of the same means of propagation. The eloquence of counsel, the debates of Parliament, instead of being read the next day only, – But we shall lose ourselves in the pursuit of this curious subject. Besides transmitting sounds to a distance, Wheatstone devised a simple instrument for augmenting feeble sounds, to which he gave the name of 'Microphone.' It consisted of two slender rods, which conveyed the mechanical vibrations to both ears, and is quite different from the electrical microphone of Professor Hughes. In 1823, his uncle, the musical instrument maker, died, and Wheatstone, with his elder brother, William, took over the business. Charles had no great liking for the commercial part, but his ingenuity found a vent in making improvements on the existing instruments, and in devising philosophical toys. He also invented instruments of his own. One of the most famous was the Wheatstone concertina. It was a six sided instrument with 64 keys, logically arranged for simple chromatic fingerings. The English concertina became increasingly famous throughout his lifetime, however it didn't reach its peak of popularity until the early 20th century. In 1827, Wheatstone introduced his 'kaleidophone', a device for rendering the vibrations of a sounding body apparent to the eye. It consists of a metal rod, carrying at its end a silvered bead, which reflects a 'spot' of light. As the rod vibrates the spot is seen to describe complicated figures in the air, like a spark whirled about in the darkness. His photometer was probably suggested by this appliance. It enables two lights to be compared by the relative brightness of their reflections in a silvered bead, which describes a narrow ellipse, so as to draw the spots into parallel lines. In 1828, Wheatstone improved the German wind instrument, called the Mundharmonika, creating the symphonium (or symphonion), a mouth blown free reed instrument with a logical layout of button keys, patented on 19 December 1829, prefiguring the bellows blown English concertina. The portable harmonium is another of his inventions, which gained a prize medal at the Great Exhibition of 1851. He also improved the speaking machine of De Kempelen, and endorsed the opinion of Sir David Brewster, that before the end of this century a singing and talking apparatus would be among the conquests of science. In 1834, Wheatstone, who had won a name for himself, was appointed to the Chair of Experimental Physics in King's College London. His first course of lectures on sound were a complete failure, due to his abhorrence of public speaking. In the rostrum he was tongue tied and incapable, sometimes turning his back on the audience and mumbling to the diagrams on the wall. In the laboratory he felt himself at home, and ever after confined his duties mostly to demonstration.

Скорость электричества

Он достиг известности благодаря великому эксперименту, проведенному в 1834 году – измерению скорости электричества в проводе. Он разрезал проволоку посередине, чтобы образовать зазор, через который могла перескочить искра, и соединил её концы с полюсами лейденской банки, наполненной электричеством. Таким образом, образовались три искры: по одной на каждом конце провода и одна в середине. Он установил крошечное зеркало на механизм часов, чтобы оно вращалось с высокой скоростью, и наблюдал в нём отражения этих трёх искр. Концы провода были расположены так, что если бы искры были мгновенными, их отражения появились бы на одной прямой линии, но средняя искра оказалась отстающей от других, поскольку возникла немного позже. Электричеству потребовалось определённое время, чтобы пройти от концов провода до середины. Это время было определено путём измерения величины отставания и сравнения её с известной скоростью вращения зеркала. Получив значение времени, ему оставалось лишь сравнить его с длиной половины провода, чтобы вычислить скорость электричества. Его результаты дали расчетную скорость в 288 000 миль в секунду, то есть быстрее, чем современная известная скорость света, но всё же являлись интересным приближением. Некоторые учёные уже понимали, что "скорость" электричества зависит от свойств проводника и окружающей среды. Фрэнсис Рональдс наблюдал за задержкой сигнала в своём подземном электрическом телеграфном кабеле (но не в воздушной линии) в 1816 году и объяснил её явление индукцией. Уитстоун в юности был свидетелем этих экспериментов, которые, по всей видимости, послужили стимулом для его собственных исследований в области телеграфии. Десятилетия спустя, после коммерциализации телеграфа, Майкл Фарадей описал, как скорость электрического поля в подводном проводе, покрытом изолятором и окружённом водой, составляет лишь 0,8 или даже меньше. Устройство Уитстона с вращающимся зеркалом впоследствии было использовано Леоном Фуко и Ипполитом Физо для измерения относительных скоростей света в воздухе и воде, а затем – для измерения скорости света.

He achieved renown by a great experiment made in 1834 – the measurement of the velocity of electricity in a wire. He cut the wire at the middle, to form a gap which a spark might leap across, and connected its ends to the poles of a Leyden jar filled with electricity. Three sparks were thus produced, one at each end of the wire, and another at the middle. He mounted a tiny mirror on the works of a watch, so that it revolved at a high velocity, and observed the reflections of his three sparks in it. The points of the wire were so arranged that if the sparks were instantaneous, their reflections would appear in one straight line; but the middle one was seen to lag behind the others, because it was an instant later. The electricity had taken a certain time to travel from the ends of the wire to the middle. This time was found by measuring the amount of lag, and comparing it with the known velocity of the mirror. Having got the time, he had only to compare that with the length of half the wire, and he could find the velocity of electricity. His results gave a calculated velocity of 288,000 miles per second, i. e. faster than what we now know to be the speed of light , but were nonetheless an interesting approximation. It was already appreciated by some scientists that the "velocity" of electricity was dependent on the properties of the conductor and its surroundings. Francis Ronalds had observed signal retardation in his buried electric telegraph cable (but not his airborne line) in 1816 and outlined its cause to be induction. Wheatstone witnessed these experiments as a youth, which were apparently a stimulus for his own research in telegraphy. Decades later, after the telegraph had been commercialised, Michael Faraday described how the velocity of an electric field in a submarine wire, coated with insulator and surrounded with water, is only , or still less. Wheatstone's device of the revolving mirror was afterwards employed by Léon Foucault and Hippolyte Fizeau to measure the relative speeds of light in air versus water, and later to measure the speed of light.

Спектроскопия

Уитстоун и другие также внесли вклад в раннюю спектроскопию благодаря открытию и использованию спектральных эмиссионных линий. Как писал Джон Манро в 1891 году: «В 1835 году на заседании Британской ассоциации в Дублине Уитстоун продемонстрировал, что при испарении металлов в электрической искре их свет, исследованный через призму, обнаруживал определенные лучи, характерные для этих металлов. Таким образом, можно было определить, какие металлы формировали точки искрения, анализируя свет искры. Это наблюдение оказалось весьма полезным в спектральном анализе, и при применении Робертом Бунзеном, Густавом Робертом Кирхгофом и другими, привело к открытию нескольких новых элементов, таких как рубидий и таллий, а также расширило наши знания о небесных телах».

Телеграф

Уитстоун отказался от своей идеи передачи информации посредством механических колебаний стержней и переключился на электрический телеграф. В 1835 году он прочитал лекцию о системе барона Шиллинга и заявил, что средства, с помощью которых электрический телеграф может принести огромную пользу миру, уже известны. Он проводил эксперименты по собственной схеме и предлагал не только проложить экспериментальную линию через Темзу, но и установить её на железной дороге Лондон — Бирмингем. Однако, прежде чем эти планы были реализованы, 27 февраля 1837 года он принял у себя дома на Кондуит-стрит Уильяма Кука, что оказало значительное влияние на его дальнейшую судьбу.

Сотрудничество с Cooke

Кук был офицером армии Мадраса, который, находясь в отпуске на родине, посещал лекции по анатомии в Гейдельбергском университете, где 6 марта 1836 года он стал свидетелем демонстрации телеграфа профессора Георга Мунке и был настолько впечатлен его значимостью, что оставил медицинские занятия и посвятил все свои усилия внедрению телеграфа. Вскоре после этого он вернулся в Лондон и уже в январе 1837 года смог продемонстрировать телеграф с тремя иглами. Осознавая нехватку научных знаний, он обратился за советом к Майклу Фарадею и Питеру Роже (в то время секретарю Королевского общества): Роже направил его к Уитстоуну. На второй встрече Кук рассказал Уитстоуну о своем намерении создать рабочий телеграф и объяснил свой метод. Уитстоун, по его собственным словам, заметил Куку, что этот метод не будет работать, и представил свой собственный экспериментальный телеграф. В конце концов, Кук предложил им создать партнерство, но Уитстоун поначалу не хотел соглашаться. Он был известным ученым и планировал опубликовать свои результаты, не стремясь извлечь из них выгоду. Кук, напротив, заявил, что его единственная цель – заработать состояние на этом изобретении. В мае они договорились объединить усилия: Уитстоун внес научный вклад, а Кук – административный. Договор о партнерстве был датирован 19 ноября 1837 года. Совместный патент был получен на их изобретения, включая пятиигольный телеграф Уитстоуна и сигнализацию, работающую от реле, в которой ток, погружая иглу в ртуть, замыкал локальную цепь и освобождал храповой механизм часового устройства. Пятиигольный телеграф, который был в основном, если не полностью, заслугой Уитстоуна, был похож на телеграф Шиллинга и основывался на принципе, сформулированном Ампером: а именно, ток подавался в линию путем замыкания цепи батареи с помощью клавиши «включить-выключить», а на другом конце он проходил через катушку провода, окружающую магнитную иглу, свободно вращающуюся вокруг своей оси. В зависимости от того, какой полюс батареи был подключен к линии с помощью клавиши, ток отклонял иглу в ту или иную сторону. Существовало пять отдельных цепей, приводящих в действие пять различных игл. Последние были установлены в ряды в центре циферблата в форме алмаза, на котором буквы алфавита были расположены таким образом, что ток, отклоняя две иглы, буквально указывал на нужную букву.

Cooke was an officer in the Madras Army, who, being home on leave, was attending some lectures on anatomy at the University of Heidelberg, where, on 6 March 1836, he witnessed a demonstration with the telegraph of professor Georg Munke, and was so impressed with its importance, that he forsook his medical studies and devoted all his efforts to the work of introducing the telegraph. He returned to London soon after, and was able to exhibit a telegraph with three needles in January 1837. Feeling his want of scientific knowledge, he consulted Michael Faraday and Peter Roget (then secretary of the Royal Society): Roget sent him to Wheatstone. At a second interview, Cooke told Wheatstone of his intention to bring out a working telegraph, and explained his method. Wheatstone, according to his own statement, remarked to Cooke that the method would not act, and produced his own experimental telegraph. Finally, Cooke proposed that they should enter into a partnership, but Wheatstone was at first reluctant to comply. He was a well known man of science, and had meant to publish his results without seeking to make capital of them. Cooke, on the other hand, declared that his sole object was to make a fortune from the scheme. In May they agreed to join their forces, Wheatstone contributing the scientific, and Cooke the administrative talent. The deed of partnership was dated 19 November 1837. A joint patent was taken out for their inventions, including the five needle telegraph of Wheatstone, and an alarm worked by a relay, in which the current, by dipping a needle into mercury, completed a local circuit, and released the detent of a clockwork. The five needle telegraph, which was mainly, if not entirely, due to Wheatstone, was similar to that of Schilling, and based on the principle enunciated by Ampère – that is to say, the current was sent into the line by completing the circuit of the battery with a make and break key, and at the other end it passed through a coil of wire surrounding a magnetic needle free to turn round its centre. According as one pole of the battery or the other was applied to the line by means of the key, the current deflected the needle to one side or the other. There were five separate circuits actuating five different needles. The latter were pivoted in rows across the middle of a dial shaped like a diamond, and having the letters of the alphabet arranged upon it in such a way that a letter was literally pointed out by the current deflecting two of the needles towards it.

Ранние установки

25 июля 1837 года экспериментальная линия с шестой возвратной проволокой была проложена между конечной станцией Юстон и станцией Камден-Таун Лондонской и Северо-Западной железной дороги. Фактическое расстояние составляло всего полторы мили (2,4 км), но в цепь были добавлены запасные провода для увеличения ее длины. Испытание состоялось поздно вечером. Кук отвечал за работу на станции Камден-Таун, в то время как Роберт Стивенсон и другие господа наблюдали; Уитстоун же сидел у своего прибора в тесной, грязной комнате, освещенной лучиной, рядом с кассой на Юстоне. Уитстоун отправил первое сообщение, на которое Кук ответил: и «никогда, – сказал Уитстоун, – я не испытывал столь сильного волнения, как в тот момент, когда, совершенно один в тихой комнате, я услышал щелчок игл и, складывая буквы в слова, осознал всю значимость изобретения, которое было признано практически осуществимым и не подлежащим сомнению». Однако, несмотря на это испытание, руководство железной дороги отнеслось к «новому диковиному» изобретению с равнодушием и потребовало его демонтажа. В июле 1839 года изобретение было одобрено Великой Западной железной дорогой, и линия была построена от конечной станции Паддингтон до железнодорожной станции Уэст-Дрейтон, протяженностью 13 миль (21 км). Первоначально часть проводов была проложена под землей, но впоследствии все они были подняты на столбах вдоль линии. В 1841 году их сеть была расширена до Слау и была представлена публике на станции Паддингтон как чудо науки, способное передавать пятьдесят сигналов на расстояние 280 000 миль в минуту (7500 км/с). Стоимость входного билета составляла один шиллинг (£0,05), и в 1844 году один восхищенный наблюдатель записал следующее:

«Система безупречна на всем протяжении от конечной станции Великой Западной железной дороги до Слау – то есть восемнадцати миль; провода в некоторых местах проложены под землей в трубах, а в других – высоко в воздухе, что, по его словам, является гораздо лучшим решением. Мы спросили, не влияет ли погода на провода, но он ответил, что нет; сильная гроза может вызвать звонок колокола, но не более того. Нас провели в небольшую комнату (в которой находились миссис Драммонд, мисс Филипс, Гарри Кодрингтон и я, а затем Милманы и мистер Рич), где стояло несколько деревянных ящиков с различными типами телеграфов. В одном типе каждое слово складывалось из букв, и по мере того, как каждая буква поочередно занимала определенное положение, механизм заставлял электрический ток проходить по линии, где она отображалась в Слау. Механизм этого процесса он не смог объяснить. После каждого слова из Слау приходил сигнал, означающий «Я понимаю», который поступал менее чем за секунду после окончания слова. Другой аппарат печатал полученные сообщения, так что даже если никто не обращал внимания на звонок, сообщение не было бы потеряно. Это достигалось за счет того, что электрический ток приводил в действие маленький молоток, ударяющий по нужной букве, которая, поднимаясь, отпечатывалась на специальной копировальной бумаге (новом изобретении – черной бумаге, которая при нажатии оставляет стойкий черный след), оставляя отпечаток на белой бумаге под ней. Этот аппарат был самым изобретательным из всех и, очевидно, любимым Уитстоуном. Он был очень любезен в объяснениях, но настолько хорошо разбирался в устройстве, что не осознавал, насколько мало мы понимаем, и говорил слишком быстро, чтобы мы, невежды, могли за ним угнаться. Миссис Драммонд рассказала мне, что он поразителен своей скоростью мышления и изобретательностью; он изобретает так много, что не может реализовать и половины своих идей, оставляя их другим, которые присваивают себе заслуги».

Общественное внимание и успех

Общественность восприняла новое изобретение после поимки убийцы Джона Тэуэлла, который в 1845 году стал первым человеком, арестованным благодаря использованию технологий телекоммуникации. В том же году Уитстоун представил две усовершенствованные формы аппарата, а именно приборы с "одной" и "двумя" иглами, в которых сигналы передавались последовательными отклонениями стрелок. Из них до сих пор используется прибор с одной иглой, требующий всего одного провода. О развитии телеграфа свидетельствуют два факта. В 1855 году известие о смерти императора Николая в Санкт-Петербурге, последовавшее около одного часа дня, было объявлено в Палате лордов спустя несколько часов. Результаты скачек "Оукс" 1890 года поступили в Нью-Йорк через пятнадцать секунд после того, как лошади пересекли финишную черту.

Разница с Куком

В 1841 году между Куком и Уитстоном возникли разногласия относительно того, кому принадлежит большая заслуга в изобретении телеграфа. Вопрос был передан на арбитраж известному инженеру Марку Изамбарду Брунелю, представлявшему Кука, и профессору Дэниелу из Королевского колледжа, изобретателю гальванического элемента Дэниела, представлявшему Уитстона. Они отдали Куку признание за внедрение телеграфа как полезного начинания, обещавшего национальную значимость, а Уитстону – за то, что его исследования подготовили общественность к его восприятию. Они завершили свое решение словами: «Быстрому прогрессу этого важного изобретения за пять лет их совместной работы мы обязаны объединенными усилиями двух джентльменов, столь способных к взаимопомощи». Хотя решение и было не совсем четким, оно признавало игольный телеграф результатом совместной работы. Если телеграф был в основном изобретен Уитстоном, то его внедрение в жизнь было заслугой Кука. Их вклад в это дело можно сравнить с вкладом автора и издателя, если бы не тот факт, что Кук сам принимал непосредственное участие в работе над изобретением.

Дальнейшие работы по телеграфу

С 1836 по 1837 год Уитстоун много размышлял о подводных телеграфах, и в 1840 году он выступил с показаниями перед Железнодорожным комитетом Палаты общин относительно осуществимости предлагаемой линии от Дувра до Кале. Он даже спроектировал оборудование для изготовления и прокладки кабеля. Осенью 1844 года, при содействии Дж. Д. Льюэллина, он погрузил отрезок изолированного провода в заливе Суонси и передал через него сигнал с лодки до маяка Мамблс. В следующем году он предложил использовать гуттаперчу для изоляции провода, предназначенного для прокладки через Ла-Манш. В 1840 году Уитстоун запатентовал алфавитный телеграф, или «телеграф Уитстоуна АБВ», который перемещался дискретно и отображал буквы сообщения на циферблате. Тот же принцип был использован в его типографском телеграфе, запатентованном в 1841 году. Это был первый аппарат, печатавший телеграммы типографским шрифтом. Он работал на двух цепях, и по мере вращения печатающего механизма молоток, приводимый в действие током, нажимал нужную букву на бумагу. Развитие телеграфа зашло настолько далеко, что 2 сентября 1845 года была зарегистрирована компания Electric Telegraph Company, и Уитстоун, по договору о партнерстве с Куком, получил 33 000 фунтов стерлингов за использование их совместных изобретений. В 1859 году Уитстоун был назначен Торговым советом для подготовки отчета по атлантическим кабелям, а в 1864 году он был одним из экспертов, консультировавших Атлантическую телеграфную компанию по строительству успешных линий 1865 и 1866 годов. В 1870 году электрические телеграфные линии Соединенного Королевства, принадлежавшие разным компаниям, были переданы в ведение почтового ведомства и поставлены под государственный контроль. Уитстоун также изобрел автоматический передатчик, в котором сигналы сообщения сначала перфорировались на бумажной ленте, которая затем пропускалась через передающий ключ и управляла сигнальными токами. Заменив ручной ввод механическим, он смог передавать около 100 слов в минуту, то есть в пять раз быстрее обычной скорости. В почтовой телеграфной службе этот аппарат использовался для передачи пресс-телеграмм, и в последнее время он был настолько усовершенствован, что сообщения теперь отправляются из Лондона в Бристоль со скоростью 600 слов в минуту и даже 400 слов в минуту между Лондоном и Абердином. В ночь на 8 апреля 1886 года, когда Гладстон представил свой законопроект о домашнем правлении в Ирландии, с центральной станции в Сент-Мартин-ле-Гранд было отправлено не менее 1 500 000 слов с помощью 100 передатчиков Уитстоуна. Идея отправки сообщений с помощью движущейся бумажной ленты, приводящей в действие ключ, была первоначально запатентована Александром Бейном в 1846 году; однако Уитстоун, при поддержке Августа Строха, опытного механика и талантливого экспериментатора, первым успешно реализовал эту идею. Эта система часто называется перфоратором Уитстоуна и является предшественником биржевой ленты.

From 1836 to 1837 Wheatstone had thought a good deal about submarine telegraphs, and in 1840 he gave evidence before the Railway Committee of the House of Commons on the feasibility of the proposed line from Dover to Calais. He had even designed the machinery for making and laying the cable. In the autumn of 1844, with the assistance of J. D. Llewellyn, he submerged a length of insulated wire in Swansea Bay, and signalled through it from a boat to the Mumbles Lighthouse. Next year he suggested the use of gutta percha for the coating of the intended wire across the English Channel. In 1840 Wheatstone had patented an alphabetical telegraph, or, 'Wheatstone A B C instrument,' which moved with a step by step motion, and showed the letters of the message upon a dial. The same principle was used in his type printing telegraph, patented in 1841. This was the first apparatus which printed a telegram in type. It was worked by two circuits, and as the type revolved a hammer, actuated by the current, pressed the required letter on the paper. The introduction of the telegraph had so far advanced that, on 2 September 1845, the Electric Telegraph Company was registered, and Wheatstone, by his deed of partnership with Cooke, received a sum of £33,000 for the use of their joint inventions. In 1859 Wheatstone was appointed by the Board of Trade to report on the subject of the Atlantic cables, and in 1864 he was one of the experts who advised the Atlantic Telegraph Company on the construction of the successful lines of 1865 and 1866. In 1870 the electric telegraph lines of the United Kingdom, worked by different companies, were transferred to the Post Office, and placed under Government control. Wheatstone further invented the automatic transmitter, in which the signals of the message are first punched out on a strip of paper (punched tape), which is then passed through the sending key, and controls the signal currents. By substituting a mechanism for the hand in sending the message, he was able to telegraph about 100 words a minute, or five times the ordinary rate. In the Postal Telegraph service this apparatus is employed for sending Press telegrams, and it has recently been so much improved, that messages are now sent from London to Bristol at a speed of 600 words a minute, and even of 400 words a minute between London and Aberdeen. On the night of 8 April 1886, when Gladstone introduced his Bill for Home Rule in Ireland, no fewer than 1,500,000 words were dispatched from the central station at St. Martin's le Grand by 100 Wheatstone transmitters. The plan of sending messages by a running strip of paper which actuates the key was originally patented by Alexander Bain in 1846; but Wheatstone, aided by Augustus Stroh, an accomplished mechanician, and an able experimenter, was the first to bring the idea into successful operation. This system is often referred to as the Wheatstone Perforator and is the forerunner of the stock market ticker tape.

Оптическая

Стереопсис был впервые описан Уитстоном в 1838 году. В 1840 году он был удостоен Королевской медали Королевского общества за объяснение бинокулярного зрения, исследование, которое привело его к созданию стереоскопических рисунков и конструированию стереоскопа. Он показал, что наше восприятие объемности возникает благодаря объединению в сознании двух отдельных изображений объекта, полученных каждым из наших глаз с разных точек зрения. Таким образом, в стереоскопе, представляющем собой систему линз или зеркал, два снимка одного и того же объекта, сделанные с разных позиций, объединяются таким образом, чтобы объект казался объемным и рельефным. Сэр Дэвид Брюстер усовершенствовал стереоскоп, отказавшись от зеркал и придав ему современную форму с использованием линз. "Псевдоскоп" (Уитстон придумал этот термин, образованный от греческих слов ψευδίς – ложный и σκοπεῖν – смотреть) был представлен в 1852 году и, в некотором смысле, является противоположностью стереоскопа, поскольку он создает иллюзию пустоты внутри твердого объекта и удаляет близкие объекты, заставляя их казаться более далекими; например, бюст выглядит как маска, а дерево за окном – как будто растет внутри помещения. Его назначение заключалось в проверке его теории стереозрения и проведении исследований, которые сегодня можно отнести к области экспериментальной психологии.

Время измерения

В 1840 году Уитстоун представил свой хроноскоп для измерения малых интервалов времени, который использовался для определения скорости пули или момента прохождения звезды. В этом аппарате электрический ток приводил в действие электромагнит, который фиксировал момент события с помощью карандаша на движущейся бумаге. Утверждается, что он мог различать 1/7300 часть секунды (137 микросекунд) и время, за которое тело падает с высоты одного дюйма (25 мм). 26 ноября 1840 года он продемонстрировал свои электромагнитные часы в библиотеке Королевского общества и предложил план распространения точного времени от эталонных часов на ряд местных часов. Цепи этих часов должны были электрифицироваться ключом или контактным устройством, приводимым в действие арбором эталонных часов, а их стрелки корректироваться электромагнетизмом. В январе следующего года Александр Бэйн подал заявку на патент на электромагнитные часы и впоследствии обвинил Уитстоуна в присвоении его идей. По-видимому, Бэйн работал механиком у Уитстоуна с августа по декабрь 1840 года и утверждал, что в течение этого периода он поделился с Уитстоуном идеей электрических часов; однако Уитстоун утверждал, что он проводил эксперименты в этом направлении еще в мае. Бэйн также обвинил Уитстоуна в краже его идеи электромагнитного печатающего телеграфа; но Уитстоун показал, что его инструмент был лишь модификацией его собственного электромагнитного телеграфа. В 1840 году Александр Бэйн рассказал редактору журнала "Механика" о своих финансовых трудностях. Редактор представил его сэру Чарльзу Уитстоуну. Бэйн продемонстрировал свои модели Уитстоуну, который, на вопрос о его мнении, ответил: "О, не стоит тратить время на дальнейшую разработку этих вещей! У них нет будущего". Три месяца спустя Уитстоун продемонстрировал Королевскому обществу электрические часы, утверждая, что это его собственное изобретение. Однако Бэйн уже подал заявку на патент на них. Уитстоун попытался заблокировать патенты Бэйна, но не преуспел. Когда Уитстоун организовал принятие акта парламента об учреждении Электрической телеграфной компании, Палата лордов вызвала Бэйна для дачи показаний и в конечном итоге обязала компанию выплатить Бэйну 10 000 фунтов стерлингов и предложить ему должность управляющего, что привело к отставке Уитстоуна.

In 1840, Wheatstone introduced his chronoscope, for measuring minute intervals of time, which was used in determining the speed of a bullet or the passage of a star. In this apparatus an electric current actuated an electro magnet, which noted the instant of an occurrence by means of a pencil on a moving paper. It is said to have been capable of distinguishing 1/7300 part of a second (137 microsecond), and the time a body took to fall from a height of one inch (25 mm). On 26 November 1840, he exhibited his electro magnetic clock in the library of the Royal Society, and propounded a plan for distributing the correct time from a standard clock to a number of local timepieces. The circuits of these were to be electrified by a key or contact maker actuated by the arbour of the standard, and their hands corrected by electro magnetism. The following January Alexander Bain took out a patent for an electro magnetic clock, and he subsequently charged Wheatstone with appropriating his ideas. It appears that Bain worked as a mechanist to Wheatstone from August to December 1840, and he asserted that he had communicated the idea of an electric clock to Wheatstone during that period; but Wheatstone maintained that he had experimented in that direction during May. Bain further accused Wheatstone of stealing his idea of the electro magnetic printing telegraph; but Wheatstone showed that the instrument was only a modification of his own electro magnetic telegraph. In 1840, Alexander Bain mentioned to the Mechanics Magazine editor his financial problems. The editor introduced him to Sir Charles Wheatstone. Bain demonstrated his models to Wheatstone, who, when asked for his opinion, said "Oh, I shouldn't bother to develop these things any further! There's no future in them." Three months later Wheatstone demonstrated an electric clock to the Royal Society, claiming it was his own invention. However, Bain had already applied for a patent for it. Wheatstone tried to block Bain's patents, but failed. When Wheatstone organised an Act of Parliament to set up the Electric Telegraph Company, the House of Lords summoned Bain to give evidence, and eventually compelled the company to pay Bain £10,000 and give him a job as manager, causing Wheatstone to resign.

Полярные часы

Одним из самых гениальных устройств Уитстоуна были "Полярные часы", продемонстрированные на собрании Британской ассоциации в 1848 году. Они основаны на факте, открытом сэром Дэвидом Брюстером, что свет неба поляризован в плоскости под углом девяносто градусов к положению солнца. Следовательно, определив эту плоскость поляризации и измерив её азимут относительно севера, можно было установить положение солнца, даже если оно находится за горизонтом, и определить видимое солнечное время. Часы состояли из подзорной трубы с призмой Ниcola (двойное изображение) в качестве окуляра и тонкой пластиной селенита в качестве объектива. Когда труба была направлена на Северный полюс – то есть параллельно оси Земли – и призма окуляра поворачивалась до тех пор, пока не исчез цвет, угол поворота, показываемый указателем, движущимся вместе с призмой по градуированной шкале, указывал текущий час. Устройство не имеет большой практической ценности в странах, где часы точны, но оно входило в состав оборудования Северной полярной экспедиции 1875–1876 годов под командованием капитана Нареса.

Мост Уиттстоун

В 1843 году Уитстоун представил Королевскому обществу важную работу под названием «Описание нескольких новых методов определения констант вольтаической цепи». В ней было изложено описание хорошо известного моста для измерения электрического сопротивления проводника, который до сих пор известен как мост Уитстона, хотя впервые он был предложен Сэмюэлем Хантером Кристи из Королевской военной академии в Вулвиче, опубликовавшим его в «Философских трудах» в 1833 году. Метод оставался незамеченным до тех пор, пока Уитстоун не обратил на него внимание. Его статья содержит множество простых и практичных формул для вычисления токов и сопротивлений на основе закона Ома. Он ввел единицу измерения сопротивления – фут медного провода весом в сто зерен (6,5 г) и показал, как ее можно использовать для измерения длины провода по его сопротивлению. За эту работу Общество наградило его медалью. В том же году он изобрел прибор, позволявший дистанционно регистрировать показания термометра или барометра посредством электрического контакта, осуществляемого ртутью. Также в мае того же года Кук и Уитстоун запатентовали звуковой телеграф, в котором сигналы передавались ударами колокола.

Криптография

Невероятная изобретательность Уитстона проявилась также в создании шифров. Он разработал тогдашний необычный шифр Плейфэйра, названный в честь его друга лорда Плейфэйра. Этот шифр использовался вооруженными силами нескольких стран как минимум до Первой мировой войны и, как известно, применялся британскими спецслужбами во время Второй мировой войны. Первоначально он был устойчив к криптоанализу, но со временем были разработаны методы его взлома. Уитстон также занимался расшифровкой древних рукописей в Британском музее. Он сконструировал криптограф – устройство для преобразования сообщения в шифр, который можно было расшифровать, только введя зашифрованный текст в соответствующее устройство, настроенное на дешифровку. Будучи математиком-любителем, Уитстон опубликовал математическое доказательство в 1854 году (см. Куб (алгебра)).

Электрогенераторы

В 1840 году Уитстоун представил свою магнитоэлектрическую машину для генерации непрерывного тока. 4 февраля 1867 года он опубликовал принцип реакции в динамоэлектрической машине в статье, представленной в Королевское общество; однако г-н Сименс сообщил об идентичном открытии десять дней ранее, и обе статьи были заслушаны в один и тот же день. Впоследствии выяснилось, что Вернер фон Сименс, Сэмюэл Альфред Варли и Уитстоун независимо друг от друга пришли к этому принципу в течение нескольких месяцев. Варли запатентовал его 24 декабря 1866 года; Сименс обратил на него внимание 17 января 1867 года; а Уитстоун продемонстрировал его в действии в Королевском обществе в указанную дату.

Споры по поводу изобретения

В течение всей своей жизни Уитстоун был вовлечен в различные споры с другими учеными относительно его роли в различных технологиях и временами казалось, что он приписывал себе больше заслуг, чем ему действительно принадлежало. Помимо Уильяма Фотэргилла Кука, Александра Бейна и Дэвида Брюстера, упомянутых выше, к ним относился также Фрэнсис Рональдс из обсерватории Кью. Многие ошибочно считали, что Уитстоун создал аппарат для наблюдения за атмосферным электричеством, который Рональдс изобрел и разработал в обсерватории в 1840-х годах, и что он установил там первые автоматические приборы для регистрации метеорологических данных (см., например, Howarth, p158).

Личная жизнь

Уитстоун женился на Эмме Уэст, незамужней женщине, дочери покойного Джона Хука Уэста, в церкви Христ-Черч, Мэрилебон, 12 февраля 1847 года. Брак был заключен по лицензии.