Георг Симон Ом: школьный учитель, измеривший сопротивление

В марте 1828 года, через несколько месяцев после публикации книги, которая в конечном итоге вписала его имя в каждую электрическую схему в мире, Георг Симон Ом (Georg Simon Ohm) ушел со своей должности в иезуитской гимназии (Jesuit Gymnasium) в Кельне. Причиной стал не скандал и не болезнь. Причиной было то, что никто там не заметил его работы. Книга «Гальваническая цепь, разработанная математически» (Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet) вышла годом ранее и, говоря вежливыми словами, была встречена холодно. Ом надеялся, что эта книга поможет ему уйти от преподавания в средней школе. Вместо этого он провел следующие пять лет вообще без достойной должности.

Образование в мастерской слесаря

Он родился в Эрлангене 16 марта 1789 года, в маркграфстве Бранденбург-Байройт. Его отец, Иоганн Вольфганг Ом (Johann Wolfgang Ohm), был слесарем, который самостоятельно получил удивительно глубокие знания, а его мать, Мария Элизабет Бек (Maria Elizabeth Beck), была дочерью портного. Из семи детей пары только трое дожили до зрелого возраста — Георг Симон, его сестра Элизабет Барбара и его брат Мартин, который стал математиком. Их мать умерла, когда Георгу было десять лет.

Образование, которое имело значение, происходило дома. Иоганн Вольфганг сам учил обоих сыновей математике, физике, химии и философии. Георг посещал гимназию в Эрлангене (Erlangen Gymnasium) с одиннадцати лет, и, по всем отчетам, почти ничего там не выучил: зубрежка, минимум науки, система, которая была заметно хуже той, что отец организовал в своей мастерской. Это деталь, которую стоит запомнить, потому что вся научная жизнь Ома велась человеком, который научился учить себя сам.

Три семестра и увольнение

Он поступил в Университет Эрлангена (University of Erlangen) в 1805 году и сразу же обнаружил социальную сторону студенческой жизни. Отец, не впечатленный этим, заставил его уйти после трех семестров. В сентябре 1806 года он получил должность учителя математики в Готштадте близ Нидау в Швейцарии; в марте 1809 года он переехал в Невшатель, где два года работал частным репетитором. Перед отъездом профессор Эрлангена Карл Кристиан фон Лангсдорф (Karl Christian von Langsdorf) дал ему совет, который определил все последующее: перестать искать учебную программу и самому читать Эйлера, Лапласа и Лакруа. Ом сделал именно это и вернулся в Эрланген в апреле 1811 года, чтобы получить докторскую степень в октябре того же года.

Учитель-странник

Докторская степень почти ничего ему не дала. Он недолго преподавал математику в Эрлангене и ушел, потому что жалованья не хватало на жизнь. С января 1813 года он преподавал математику и физику в Бамберге, сначала в бедной школе, а затем, с 1816 года, в переполненной. По выражению одного биографа, он был перегружен учениками, находил мало признания своим добросовестным усилиям и смирился с тем, что никогда не женится — именно поэтому он вообще занялся исследованиями, отчасти чтобы доказать свою состоятельность, а отчасти чтобы создать базу для получения работы в более стимулирующем месте. Закон Ома был, по сути, заявлением о приеме на работу.

Кельнская лаборатория

Его удача изменилась в сентябре 1817 года, когда он поступил в иезуитскую гимназию в Кельне, где была хорошо оснащенная физическая лаборатория. Он проработал труды Лагранжа, Лежандра, Лапласа, Био, Пуассона, Фурье и Френеля. Когда до него дошли вести об открытии Эрстедом (Ørsted) в 1820 году того, что ток отклоняет стрелку компаса, у него были и приборы, и математика, чтобы что-то с этим сделать.

Его первая статья в 1825 году исследовала, как электромагнитная сила, создаваемая проводом, уменьшается по мере увеличения длины провода. Две последующие статьи в 1826 году предоставили математическую обработку, и здесь Ом сделал свой решающий интеллектуальный шаг: он смоделировал поток электричества через проводник на основе анализа Фурье потока тепла через твердое тело. Тепло в руках Фурье перемещалось от высокой температуры к низкой со скоростью, определяемой проводимостью материала. Ом предположил, что электричество ведет себя так же — движущая разность, сопротивляющаяся среда, пропорциональный поток.

Гальваническая цепь

Полная теория появилась в 1827 году под названием «Гальваническая цепь, разработанная математически» (Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet). Ее центральный результат сейчас преподается каждому школьнику: ток через проводник прямо пропорционален приложенной к нему разности потенциалов, причем сопротивление является константой пропорциональности. До Ома электрическая сила была расплывчатым качеством; после него она стала величиной, описываемой уравнением.

Книга провалилась. Частично проблема заключалась в самом Оме — замкнутом, с плохими связями, не имеющем университетской кафедры. Частично в методе: сугубо математическая обработка физической проблемы была немодной в немецкой физике того времени, где господствовал более умозрительный, философский стиль. И частично в личном факторе, в виде враждебно настроенных влиятельных фигур, включая Георга Фридриха Поля (Georg Friedrich Pohl) и Иоганна Шульца (Johannes Schultz). Ом уволился в Кельне в марте 1828 года и стал ждать.

Слух и кафедра, наконец

Признание пришло сначала из-за границы. Королевское общество (Royal Society) наградило его медалью Копли в 1841 году и избрало иностранным членом в 1842 году; Баварская академия сделала его полноправным членом в 1845 году; Берлин и Турин приняли его в качестве члена-корреспондента. К тому времени он уже с 1833 года работал в Политехнической школе Нюрнберга. В 1849 году он стал куратором физического кабинета Баварской академии и лектором в Мюнхене, и только в 1852 году — за два года до смерти — он получил там кафедру физики.

Его поздние работы были посвящены звуку. В 1843 году он предложил принцип физиологической акустики: ухо воспринимает музыкальный тон как набор составляющих чистых гармонических компонентов. Эта идея, известная как акустический закон Ома (Ohm's acoustic law), была реальным вкладом и, как позже установили работы, не совсем верна. Физик Август Зеебек (August Seebeck) разоблачил необоснованные предположения в объяснении Омом комбинационных тонов, и Ом признал это. В 1849 году последовали «Очерки по молекулярной физике» (Beiträge zur Molecular-Physik).

Почему Георга называют гением

Особое качество, которое здесь проявилось, — это аналоговый перенос: признание того, что решенная проблема в одной области структурно совпадает с нерешенной проблемой в другой. Фурье уже решил проблему теплопроводности. Прозрение Ома заключалось в том, что электричество в проводе — это тот же математический объект: поток, вызванный разностью и затрудненный свойством среды. Чтобы сделать это отождествление, ему нужно было удержать в голове две вещи, которые его современники в основном разделяли: тонкую экспериментальную работу по измерению слабых токов через провода разной длины и континентальную аналитическую математику, которую он самостоятельно выучил по Эйлеру и Лапласу по совету Лангсдорфа. Немецкая физика 1820-х годов этого не делала. Именно поэтому книга упала с таким грохотом.

Контраргумент заслуживает внимания. Закон Ома — это не закон природы в том смысле, в котором ими являются законы Ньютона; это эмпирическая закономерность, которая верна для большого и полезного класса материалов и неверна для многих других, а собственная формулировка Ома опиралась на флюидную модель электричества, которая была впоследствии отброшена. Он ошибался насчет комбинационных тонов и вынужден был признать это публично. Его карьера была, по любой обычной мерке, длинным отрезком посредственного школьного учительства, прерванным двумя продуктивными годами в кельнской лаборатории. Сохранился не свод трудов, а одно-единственное соотношение, хотя так получилось, что именно на нем впоследствии была построена вся электротехника, а быть правым однажды в таком масштабе — это не мелочь.

Наследие

Ом умер в Мюнхене 6 июля 1854 года и был похоронен на Старом Южном кладбище (Alter Südfriedhof). Его имя стало единицей: ом, символ Ω, — это мера электрического сопротивления в СИ, и есть веский аргумент в пользу того, что имя ни одного другого физика не упоминается так часто столь многими людьми, которые больше ничего не могут о нем рассказать. Сын-самоучка слесаря-самоучки закончил свой путь как стандарт, по которому измеряется каждый проводник на земле.