Sir Charles Wheatstone neve nyilván sokak számára ismerősen cseng, a legtöbb embernek a Wheatstone-híd rémlik fel korábbi tanulmányaiból, pedig a legtöbbet talán a távíróval foglalkozott, s hozta létre üzlettársával a Cooke-Wheatstone tűs távírót. Emellett azonban a viktoriánus kor sok találmánya fűződik a nevéhez, amik egy része ma már ismeretlen, de többet még ma is használunk közülük. Ebben a megemlékezésben ezekkel is és élete néhány fordulatával is megismerkedhetünk 220 éves születésnapja alkalmából.

Charles Wheatstone 1802. február 6-án született a család második gyermekeként az angliai Barnwoodban, egy kis faluban Glocestershire megyében, ami ma már Glocester város része. Apja, William Wheatstone hangszerekkel és zenei művekkel kereskedett, de fuvolatanárként is tevékenykedett. Charles a család második gyermeke volt. Négy éves volt, amikor apja Londonban kezdett el igazán fuvolatanárként is pénzt keresni. A család csak később követte, amikor már megteremtődtek a számukra is a feltételek.

Charles így még egy kis falusi iskolába kezdett járni, de hamarosan ő is Londonban folytatta tanulmányait. Kenningtonban tanárai már felismerték gyors felfogását és tehetségét. Tizennégy éves korában apja átköltöztette nagybátyjához, aki hangszereket gyártott és adott el Londonban. Ennek a célja az volt, hogy kétkezi tevékenységet is tanuljon. Itt sok ismeretet sajátított el a hangszerekről, de mégis inkább a könyvek jelentették az igazi világát. Sok könyvet vásárolt és ezek egyikéből ismerte meg Alessandro Volta elektromossággal kapcsolatos felfedezéseit, amik annyira megfogták, hogy a könyvben található összes kísérletet megismételte. Apja is belátta, hogy inkább ebbe az irányba lesznek eredményei és elhozta a nagybátyjától.

Érdekes módon az önálló életét mégis hangszerfejlesztéssel és készítéssel kezdte. Londonban 21 éves korában műhelyt nyitott és akusztikát és optikát tanult mellette. 1829-ben megépítette a concertina nevű hangszert, ami nem azonos a bandoneonnal és a tangóharmonikával. Ez a szabad nádnyelves hangszer sokkal egyszerűbb felépítésű, de máig is sok helyen használt instrumentum. Hatszög alapú fogólapjain összesen 64 gomb helyezkedett el és a két fogólap között volt a légszekrény fújtatója. A hangszert jóval később – 1844-ben – szabadalmaztatta is. Feltalálta a kaleidophont is, ami vizuálisan jelenítette meg a hangrezgéseket.

A zenétől a későbbiekben eltávolodott és egyre inkább a tudománynak élt, de a különböző szerkezetek megvalósításával a továbbiakban is foglalkozott. Több optikai berendezést is készített, 1838-ban például megépítette a tükörsztereoszkópot, mellyel festményeket lehetett megjeleníteni úgy, hogy azok térbelinek látszottak. Ez a berendezése olyan sikeres lett, hogy a viktoriánus kor középosztálybeli nappalijában elengedhetetlen tartozék volt. Szerteágazó tevékenységének eredményeként 1834-ben a londoni King’s College kísérleti fizika professzorának nevezték ki. 1835-ben már ebben a minőségében különböző fémek szikráinak a színképelemzésével foglalkozott és kimutatta, hogy a szikrakibocsátások spektrumai fémenként eltérőek.

Találékonysága nem ismert határokat. Amikor a fejébe vette, hogy megméri az elektromos áram sebességét, a következő megoldást használta. Egy hosszú fémvezetéket középen kettévágott, s olyan közel helyzete a két vágási felületet, hogy egy szikra tudjon keletkezni közöttük. A vezeték két távoli végét egy elektromossággal töltött Leydeni palack két pólusára kapcsolta. Ennek következtében három szikra keletkezett a rendszerben. Egy-egy a Leydeni palack pólusainál egyszerre, majd egy igen rövid idővel később a középen kettévágott vezeték két része között. Mivel a vezeték hosszát ismerte, így már csak a szikrák közötti időt kellett valahogy megmérnie. Ehhez egy óraműre szerelt, igen gyorsan forgó tükröt használt, amire mind a két, egymástól időben eltérő szikra fénye rávetült. A tükörképeket egy ívelt felületre vetítette, a két felvillanás tükörképe így az ívelt felület más-más pontján jelent meg. A tükör forgási sebességét ismerve, így ki tudta számítani az időkülönbséget is – és ebből a vezeték félhosszának az ismeretében az elektromos áram sebességét. A mérés nem volt ugyan teljesen pontos, de nagyságrendileg azért jó eredményt adott.

Az igazán nagy eredményeket a távíró területén tette le, aminek a megvalósításával először egyedül próbálkozott az után, hogy 1835-ben előadást tartott Pavel Silling rendszeréről. Sikerült is egy demonstratív összeköttetést létesítenie a Temzén át és ezt bemutatta a London Railway és a Birmingham Railway társaságnak is, akiket érdekelt a megoldás. Ekkor azonban meglátogatta őt egy nála négy évvel fiatalabb feltaláló, William Fothergill Cooke, aki szintén a Silling-féle távíró továbbfejlesztésén dolgozott és az elektromos áram távolsági terjedésével kapcsolatban kért tanácsokat Wheatstone-tól. Beszélgetésük hamarosan a távíróra terelődött, s Wheatstone ugyan az első alkalommal azt mondta, hogy Cooke távírójának az elve nem működőképes, de a második találkozójukon már arra jutottak, hogy Cooke-nak szüksége van Wheatstone elméleti tudásra, viszont Cooke járatosabb a gyakorlati és üzleti kérdésekben, amiben meg Wheatstone volt kevésbé erős. Mégis nehezen jött össze a közös munka, mert Wheatstone, mint jó nevet szerzett tudományos ember, nehezen jutott el a közösködés szükségességéig. Májusban azonban sikerült megegyezniük oly módon, hogy Cooke kezelte az üzleti oldalát a találmánynak, míg Wheatstone foglalkozott a tökéletesítéssel. 1837. november 19-én írták alá a társasági szerződést és nem sokkal később benyújtották közös szabadalmukat a tűtávíróra, egész pontosan annak is az öt tűs változatára. Ennek a részleteit már Cooke megemlékezésénél bemutattuk, a távíró működése ott elolvasható.

Az együttműködésük azonban nem tartott sokáig, mert 1841-ben kiélesedtek a feltalálói elsőség körüli kérdések kettejük között. A vita odáig fajult, hogy két tekintélyes mérnököt kértek fel döntőbírói ítélet meghozatalára az ügyben. Cooke a Temze alatt fúrt első alagút megépítőjét, Marc Isambard Brunelt kérte egyik döntőbírónak, míg Wheatstone a King’s College professzorát, John Frederic Daniellt kérte fel másik bírónak. A hosszas meghallgatások és vizsgálatok után a felkért döntőbírók kimondták, hogy a találmányban nem lehet elsőséget megállapítani, mert a működőképes rendszer kidolgozásához mindkettejük képességeire szükség volt. Azonosítottak ugyan olyan részeket a találmány fejlődésének a folyamatában, ahol Wheatstonnak tulajdoníthatóak az elért eredmények, de ezeket a megoldásokat éppen Cooke javasolta. Végül is azt a döntést hozták, hogy a találmány létrehozása teljes mértékben közös munkán alapult, még ha ez eltérő szerepkörökben valósult is meg.

A vitát valószínűleg az váltotta ki, hogy Wheatstone 1840-ben egy új távíró megvalósítására nyújtott be szabadalmat, az alfabetikus távíróra. Úgy látta ugyanis, hogy a tűs távíró a pontos kódolás ismeretét követeli meg a távírászoktól, míg ő egy olyan berendezést szeretett volna létrehozni, aminek a kezelése egyszerű. Az allfabetikus – vagy ahogy ma ismerjük „Wheatstone A.B.C.” távíró lényege az volt, hogy egy körlapon az angol ábécé betűi és a számjegyek vannak felírva és egy tű mindig rámutat az aktuálisan átküldött karakterre. Ehhez a feladó oldalon is hasonló körlap szolgált, ahol minden karakterhez egy nyomógombot társított. A távíróvonalon az egyes karakterekhez tartozó léptetőimpulzusokat küldte át. Ennek a rendszernek kétségtelen előnye volt, hogy le lehetett olvasni az átküldött karaktert, nem kellett hozzá kódolás, azonban a sok átküldött léptetőimpulzus miatt nagyon lassú volt. Az 1840-ben beadott szabadalom végül a döntőbírói ítéletnek megfelelően még a kettőjük nevén futott, de később Wheatstone már ismét egyedüli feltalálóként nyilatkozott több újságnak és az 1850-es évektől ismét egyedül jegyezte a szabadalmakat. A két eltérő felfogású és temperamentumú feltalálónak így ismét elváltak az útjai. Idővel viszont mind a Cooke-Wheatstone tűs távírót, mind pedig az alfabetikus távírót kiszorította a Morse-távíró elterjedése.

Wheatstontól egyébként – bár kétségtelenül sokoldalú tudós volt – más téren sem állt távol az eredeti feltalálók kiszorítása. Amikor 1840-ben Alexander Bain szabadalmaztatta az elektromos órát, Wheatstone is éppen az időméréssel foglalkozott és sikerült neki az egész rövid időket, a másodperc 1/7300-ad részét mérő chronoscope-ot megalkotnia. Ebben az időben kereste fel őt Bain a Mechanics Magazin főszerkesztőjének a tanácsára, hátha tud segítséget nyújtani Bain pénzügyi problémáiban, hogy továbbfejleszthesse az elektromos órát. Bain bemutatta a berendezést Wheatstonnak, aki azt válaszolta, hogy ő nem foglalkozna olyan dolgokkal, amiknek nincs jövője. Ugyanezen év novemberében viszont nagy lelkesedéssel mutatta be az elektromos órát a Royal Society-ben, mint saját találmányát. Ezzel párhuzamosan megpróbálta Bain szabadalmát blokkolni, ami végül is nem sikerült. Nem szorult pedig rá ezekre az „apró” trükkökre.

1848-ban feltalálta például a polár órának nevezett eszközt. A működése azon alapult, hogy a napsugárzás fénye polarizálódik, méghozzá a Nap pozíciójához képest 90 fokos szögben. Ha tehát meg tudjuk határozni a napfény polarizációját és megmérjük a sík azimutját az északponthoz viszonyítva, akkor meg tudjuk határozni a Nap irányát – még akkor is, ha már a horizont alatt van – és így az időpontot. Maga az óra egy talpra szerelt tölcsérszerű cső, amit egy sötétítő üveg zár le, majd egy Nicol-prizma a következő elem – ez segít a polarizációs szög megkeresésében – és egy vékonyra metszett szelénlap szolgál tárgyüvegként. Az óra megállapításához az északi sark felé irányítva a csövet addig kell függőleges síkban elfordítanunk, amíg a tárgyüvegen eltűnnek a prizma által keltett színek. Ekkor a „pontos napidő” a mozgó csúszkáról leolvasható. Persze ahol közel van a toronyóra, ott erre semmi szükség, de például a Nares kapitány által vezetett 1875-1876-os Északi-sark expedíció ezt a kis eszközt is magával vitte és használta.

Ami a nevét széleskörűen megőrizte, az kétségtelenül az elektromos ellenállás értékének a mérésére szolgáló elrendezése, a Wheatstone-híd – amit viszont nem ő talált fel. Az elrendezést eredetileg Samuel Hunter Christie (1784-1865) találta fel és publikálta 1833-ban, de nem sokan figyeltek fel a módszerére. Wheatstone viszont továbbfejlesztette, széles körben használta és propagálta a módszert, ezért aztán róla nevezték el a „mágikus kapcsolást”, ami ismeretlen ellenállású alkatrészek, vezetékek ellenállásának a mérésére szolgál. A kapcsolásban három ismert és egy negyedik, ismeretlen értékű ellenállás négyszögében egy galvanométerrel lehetett érzékelni, hogy a hídban folyik-e áram vagy sem. Ha a három ismert ellenállásból az egyik értéke változtatható, akkor ennek a segítségével a hidat ki lehetett egyenlíteni, amit az mutat, hogy ekkor nem folyik áram a galvanométeren keresztül. A három ismert ellenállás értékéből pedig az ismeretlen ellenállás értékét már egy egyszerű arányossági képlettel ki lehet számolni.

Jeleskedett a titkosításban is. Ő alkotta meg a Playfair-rejtjelzést, melyet az első és a második világháborúban is használt a brit Intelligence Service. Mivel a titkosítási rendszert Lord Playfair, Wheatstone barátja népszerűsítette, róla kapta a nevét. Ez egy szimmetrikus, kézi kódolású módszer, ahol egy u.n. Playfair-négyzet, mint titkosító kulcs segítségével a szöveget két-két karakterenként másik két-két karakterrel helyettesítjük, azaz egy digrafikus helyettesítő rejtjelről van szó. A négyzetben lévő karakterek és a hozzá tartozó egyszerű szabályok alapján lehetett a szöveget kódolni és dekódolni. A módszer pikantériája, hogy azért használták hosszú ideig, mert nem kellett hozzá semmilyen eszköz és egyszerű volt a használata. A módszert Wheatstone bemutatta a brit külügyminisztériumnak is, ahol azt a bonyolultságára hivatkozva elutasították. Amikor a feltaláló azzal érvelt, hogy 15 perc alatt négy iskolás gyerekből legalább három meg tudja tanulni a használatát, tehát nem bonyolult egyáltalán, akkor a külügyminisztérium államtitkára azt válaszolta: „Az bizony lehet, de a mi attaséinknak soha nem fogja tudni megtanítani!”.

Persze ez a titkosítás is feltörhető volt a Playfair-négyzet ismerete nélkül is, ha valakinek rendelkezésére állt egy hosszabb titkosított szöveg és az eredeti változat. Ha azonban csak a titkosított szövegből indult ki valaki, akkor csak a brute force, azaz a nyers erő módszerével lehetett próbálkozni, ami nagyon sok időt vett igénybe. Az egykarakteres helyettesítő kódolásnál ugyanis még segített a nyelvi statisztika a megfejtésben, de a karakterpárokra ezt már sokkal nehezebb volt használni, mert a betűpárok gyakoriságára nagyon nehéz volt ráérezni.

Magánéletéről viszonylag keveset tudunk. 1847. február 12-én házasodott meg, felesége Emma West volt, akitől öt gyermeke született. West 1866-ban meghalt, ettől kezdve Charles nevelte a gyerekeket is.

Wheatstone 1836-tól a Királyi Társaság tagja lett, s 1859-ben a svéd Tudományos Akadémia, majd 1864-ben a londoni Royal Society tagja lett. 1868-ban Viktória királynő lovaggá ütötte – ettől kezdve Sir Charles Wheatstone lett – és 1873-ban a párizsi Természettudományi Akadémia is tagjául választotta. 1875 őszén Párizsban népszerűsítette a távíróját, amikor megfázott, tüdőgyulladást kapott és 1875. október 19-én 73 éves korában meghalt.

 

dr. Bartolits István