Оливер Хевисайд FRS [1] ( / ˈ h ɛ v i s aɪ d / ; 18 мая 1850 - 3 февраля 1925) был английским математиком -самоучкой и физиком , который изобрел новый метод решения дифференциальных уравнений (эквивалент преобразования Лапласа) . ), независимо разработал векторное исчисление и переписал уравнения Максвелла в общепринятой сегодня форме. Он существенно повлиял на понимание и применение уравнений Максвелла в течение десятилетий после смерти Максвелла. Его формулировка уравнений телеграфиста стала коммерчески важной еще при его жизни, после того как их значение долгое время оставалось незамеченным, поскольку мало кто в то время разбирался в его новой методологии. [2] Хотя Хевисайд большую часть своей жизни находился в противоречии с научным истеблишментом, он изменил облик телекоммуникаций, математики и науки. [2]
Хевисайд родился в Камден-Тауне , Лондон, на Кингс-стрит, 55 [3] : 13 (ныне Плендер-стрит), был младшим из троих детей Томаса, рисовальщика и гравера по дереву, и Рэйчел Элизабет (урожденной Уэст). Он был невысоким рыжеволосым ребенком и в детстве перенес скарлатину , из-за чего у него ухудшился слух. Небольшое наследство позволило семье переехать в лучшую часть Камдена, когда ему было тринадцать, и его отправили в гимназию Камден-Хаус. Он был хорошим учеником, заняв пятое место из пятисот учеников в 1865 году, но его родители не могли оставить его в школе после того, как ему исполнилось 16 лет, поэтому он продолжал учиться в течение года самостоятельно и не получил дальнейшего формального образования. [4] : 51
Дядей Хевисайда по браку был сэр Чарльз Уитстон (1802–1875), всемирно известный эксперт в области телеграфии и электромагнетизма, а также один из изобретателей первого коммерчески успешного телеграфа в середине 1830-х годов. Уитстон проявил большой интерес к образованию своего племянника [5] и в 1867 году отправил его на север, чтобы работать со своим старшим братом Артуром Уитстоном, который управлял одной из телеграфных компаний Чарльза в Ньюкасл-апон-Тайн . [4] : 53
Два года спустя он устроился на работу телеграфистом в датскую Великую Северную телеграфную компанию, прокладывая кабель из Ньюкасла в Данию с использованием британских подрядчиков. Вскоре он стал электриком. Хевисайд продолжал учиться, работая, и к 22 годам он опубликовал в престижном философском журнале статью «Лучшее устройство моста Уитстона для измерения заданного сопротивления с помощью заданного гальванометра и батареи» [6] , получившую положительные отзывы от физики, которые безуспешно пытались решить эту алгебраическую проблему, в том числе сэр Уильям Томсон , которому он дал копию статьи, и Джеймс Клерк Максвелл . Когда он опубликовал статью о дуплексном методе использования телеграфного кабеля, [7] он высмеял Р. С. Калли, главного инженера телеграфной системы почтового отделения , который считал дуплекс непрактичным. Позже, в 1873 году, его заявление о вступлении в Общество инженеров-телеграфистов было отклонено с замечанием, что «им не нужны телеграфисты». Это разозлило Хевисайда, который попросил Томсона спонсировать его, и при поддержке президента общества он был принят «несмотря на снобов ПО». [4] : 60
В 1873 году Хевисайд познакомился с недавно опубликованным, а позже и знаменитым двухтомным «Трактатом об электричестве и магнетизме» Максвелла . В преклонном возрасте Хевисайд вспоминал:
Я помню, как впервые взглянул на великий трактат Максвелла, когда был молодым человеком... Я увидел, что он велик, велик и велик, с невероятными возможностями в его силе... Я был полон решимости овладеть этой книгой и приступил к ее изучению. работа. Я был очень невежественен. У меня не было знаний в области математического анализа (я изучил только школьную алгебру и тригонометрию, которые я почти забыл), и поэтому моя работа была заложена для меня. Мне потребовалось несколько лет, прежде чем я смог понять как можно больше. Затем я отложил Максвелла и пошел своим путем. И прогрессировал я гораздо быстрее... Понятно, что я проповедую Евангелие в соответствии с моей интерпретацией Максвелла. [8]
Проводя исследования дома, он помог разработать теорию линий электропередачи (также известную как « уравнения телеграфиста »). Хевисайд математически показал , что равномерно распределенная индуктивность в телеграфной линии уменьшит как затухание , так и искажения , и что, если бы индуктивность была достаточно большой, а сопротивление изоляции не слишком высоким, цепь была бы без искажений, поскольку токи всех частот имели бы равные скорости. распространения. [9] Уравнения Хевисайда помогли дальнейшему внедрению телеграфа.
С 1882 по 1902 год, за исключением трех лет, он регулярно публиковал статьи в отраслевой газете « Электрик» , желавшей улучшить свое положение, за что ему платили 40 фунтов стерлингов в год. Этого едва хватало на жизнь, но его запросы были очень малы, и он делал то, чего больше всего хотел. Между 1883 и 1887 годами это составляло в среднем 2–3 статьи в месяц, и эти статьи позже составили основную часть его « Теории электромагнетизма и статей по электротехнике» . [4] : 71
В 1880 году Хевисайд исследовал скин-эффект в телеграфных линиях передачи. В том же году он запатентовал в Англии коаксиальный кабель . В 1884 году он переработал математический анализ Максвелла из его первоначальной громоздкой формы (они уже были преобразованы в кватернионы ) в современную векторную терминологию, тем самым сократив двенадцать из первоначальных двадцати уравнений с двадцатью неизвестными до четырех дифференциальных уравнений с двумя неизвестными, которые мы теперь знаем. как уравнения Максвелла . Четыре переформулированных уравнения Максвелла описывают природу электрических зарядов (как статических, так и движущихся), магнитных полей и взаимосвязь между ними, а именно электромагнитными полями.
Между 1880 и 1887 годами Хевисайд разработал операционное исчисление , используя дифференциальный оператор (который Буль ранее обозначил как [10] ), дав метод решения дифференциальных уравнений прямым решением в виде алгебраических уравнений . Позже это вызвало много споров из-за отсутствия строгости . Его знаменитое высказывание: «Математика — экспериментальная наука, и определения появляются не сначала, а позже. Они возникают сами собой, когда природа предмета развивается сама собой». [11] В другой раз он спросил: «Должен ли я отказаться от ужина, потому что я не до конца понимаю процесс пищеварения?» [12]
В 1887 году Хевисайд вместе со своим братом Артуром работал над статьей под названием «Мостовая система телефонии». Однако статья была заблокирована начальником Артура, Уильямом Генри Присом из почтового отделения , поскольку часть предложения заключалась в том, что нагрузочные катушки ( индукторы ) должны быть добавлены к телефонным и телеграфным линиям, чтобы увеличить их самоиндукцию и исправить искажения, которым они подвергаются. . Прис недавно заявил, что самоиндукция является главным врагом четкой передачи. Хевисайд также был убежден, что Прис стоял за увольнением редактора журнала « Электрик» , что остановило его давнюю серию статей (до 1891 года). [13] Между Присом и Хевисайдом существовала долгая история враждебности. Хевисайд считал Приса математически некомпетентным, и эту оценку поддержал биограф Пол Дж. Нахин : «Прис был влиятельным государственным чиновником, чрезвычайно амбициозным и в некоторых примечательных отношениях полным болваном». Мотивы Приса в подавлении работы Хевисайда были больше связаны с защитой собственной репутации Приса и избежанием признания ошибки, чем с любыми предполагаемыми ошибками в работе Хевисайда. [3] : xi–xvii, 162–183.
Важность работы Хевисайда оставалась нераскрытой в течение некоторого времени после публикации в The Electrician . В 1897 году AT&T наняла одного из своих учёных, Джорджа А. Кэмпбелла , и стороннего исследователя Майкла И. Пупина , чтобы найти хоть какое-то уважение, в котором работа Хевисайда была неполной или неправильной. Кэмпбелл и Пупин расширили работу Хевисайда, а AT&T подала заявку на патенты, охватывающие не только их исследования, но и технический метод создания катушек, ранее изобретенных Хевисайдом. Позже AT&T предложила Хевисайду деньги в обмен на его права; не исключено, что на это предложение повлияло уважение инженеров Bell к Хевисайду. Однако Хевисайд отказался от предложения, отказавшись принять какие-либо деньги, если компания не предоставит ему полное признание. Хевисайд был хронически беден, что делало его отказ от предложения еще более поразительным. В 1959 году Норберт Винер опубликовал свой художественный рассказ « Искуситель» и обвинил AT&T (под названием Williams Controls Company ) и Майкла И. Пупина (под именем Диего Домингес ) в узурпации изобретений Хевисайда. [14] [15] [16]
Но эта неудача привлекла внимание Хевисайда к электромагнитному излучению [17] , и в двух статьях 1888 и 1889 годов он рассчитал деформации электрических и магнитных полей, окружающих движущийся заряд, а также эффекты его попадания в более плотную среду. середина. Это включало предсказание того, что сейчас известно как излучение Черенкова , и вдохновило его друга Джорджа Фитцджеральда предложить то, что сейчас известно как сокращение Лоренца-Фитцджеральда .
В 1889 году Хевисайд впервые опубликовал правильный вывод магнитной силы, действующей на движущуюся заряженную частицу, [18] которая является магнитной составляющей того, что сейчас называется силой Лоренца .
В конце 1880-х — начале 1890-х годов Хевисайд работал над концепцией электромагнитной массы . Хевисайд рассматривал это как материальную массу , способную производить те же эффекты. Позже Вильгельм Вин подтвердил выражение Хевисайда (для низких скоростей ).
В 1891 году Британское королевское общество признало вклад Хевисайда в математическое описание электромагнитных явлений, назвав его членом Королевского общества , а в следующем году посвятив более пятидесяти страниц « Философских трудов Общества» его векторным методам и теории электромагнетизма. В 1905 году Хевисайду была присвоена степень почётного доктора Гёттингенского университета .
В 1896 году Фитцджеральд и Джон Перри получили пенсию по гражданскому списку в размере 120 фунтов стерлингов в год для Хевисайда, который теперь жил в Девоне, и убедили его принять ее после того, как он отклонил другие благотворительные предложения Королевского общества. [17]
В 1902 году Хевисайд предположил существование того, что сейчас известно как слой Кеннелли-Хевисайда в ионосфере . Предложение Хевисайда включало средства, с помощью которых радиосигналы передаются вокруг кривизны Земли. Существование ионосферы было подтверждено в 1923 году. Предсказания Хевисайда в сочетании с теорией излучения Планка , вероятно, препятствовали дальнейшим попыткам обнаружить радиоволны от Солнца и других астрономических объектов . По какой-то причине, похоже, никаких попыток не предпринималось в течение 30 лет, вплоть до разработки Янским радиоастрономии в 1932 году.
Хевисайд был противником теории относительности Альберта Эйнштейна . [19] Математик Говард Ивс отметил, что Хевисайд «был единственным первоклассным физиком того времени, который подверг сомнению Эйнштейна, и его оскорбления против теории относительности часто граничили с абсурдом». [19]
В последующие годы его поведение стало весьма эксцентричным . По словам сотрудника Б. А. Беренда, он стал отшельником и настолько не любил встречаться с людьми, что относил рукописи своих статей по электрике в продуктовый магазин, где их забирали редакторы. [20] Хотя в юности он был активным велосипедистом, к шестому десятилетию его здоровье серьезно ухудшилось. В это время Хевисайд подписывал письма инициалами « ЧЕРВЬ » после своего имени. Сообщается, что Хевисайд также начал красить ногти в розовый цвет и перенес в свой дом гранитные блоки в качестве мебели. [3] : xx В 1922 году он стал первым лауреатом медали Фарадея , учрежденной в том же году.
По религиозным взглядам Хевисайд был унитарием , но не религиозным. Говорят, что он даже высмеивал людей, которые верили в высшее существо. [21]
Хевисайд умер 3 февраля 1925 года в Торки в Девоне после падения с лестницы [22] и похоронен недалеко от восточного угла кладбища Пейнтон . Он похоронен со своим отцом Томасом Хевисайдом (1813–1896) и матерью Рэйчел Элизабет Хевисайд. Надгробие было очищено благодаря анонимному дарителю где-то в 2005 году. [23] Большинство инженеров-электриков всегда пользовались большим уважением у него, особенно после того, как его поправки к анализу линии передачи Кельвина были подтверждены, но большая часть его более широкого признания была получена. посмертно.
В июле 2014 года ученые из Университета Ньюкасла (Великобритания) и Группа по интересам в области электромагнетизма Ньюкасла основали Мемориальный проект Хевисайда [24] с целью полностью восстановить памятник посредством общественной подписки. [25] [26] Восстановленный мемориал был торжественно открыт 30 августа 2014 года Аланом Хизером, дальним родственником Хевисайда. На открытии присутствовали мэр Торбея, член парламента (член парламента) от Торбея, бывший куратор Музея науки (представляющий Институт инженерии и технологий ), председатель Гражданского общества Торбея и делегаты из Ньюкасла. Университет. [27]
Коллекция статей Хевисайда хранится в Архивном центре Инженерно-технологического института (IET). [28] Коллекция состоит из тетрадей, содержащих математические уравнения и расчеты, аннотированных брошюр, в основном относящихся к телеграфии, рукописных заметок, черновиков статей, корреспонденции, черновиков статей по «Теории электромагнитного поля». Аудио-дань Оливеру Хевисайду 1950 года, написанная Оливером Э. Бакли, президентом Bell Telephone Labs, была оцифрована и доступна в биографии Оливера Хевисайда в архивах IET. [29]
В 1908 году Оливер Хевисайд стал почетным членом Института инженеров-электриков (IEE). Его запись гласит: «Оливер Хевисайд FRS 1908 года» в Списке почетных членов и медалистов Фарадея IEE 1871-1921 годов [30] [31] В 1922 году он стал первым лауреатом медали Фарадея , учрежденной в том же году. Позже, в 1950 году, Институт инженеров-электриков учредил Премию Хевисайда. год за лучшую принятую математическую работу». [32]
Хевисайд много сделал для разработки и пропаганды векторных методов и векторного исчисления . [33] Формулировка электромагнетизма Максвелла состояла из 20 уравнений с 20 переменными. Хевисайд использовал операторы ротора и дивергенции векторного исчисления, чтобы переформулировать 12 из этих 20 уравнений в четыре уравнения с четырьмя переменными ( ), в той форме, в которой они известны с тех пор (см. Уравнения Максвелла ). Менее известно то, что уравнения Хевисайда и Максвелла не совсем одинаковы, и на самом деле легче модифицировать первые, чтобы сделать их совместимыми с квантовой физикой. [34] Возможность гравитационных волн также обсуждалась Хевисайдом, используя аналогию между законом обратных квадратов в гравитации и электричестве. [35] При умножении кватернионов квадрат вектора является отрицательной величиной, к большому неудовольствию Хевисайда. Поскольку он выступал за отмену этой негативности, Ч. Дж. Джоли [36] приписал ему разработку гиперболических кватернионов , хотя на самом деле эта математическая структура была в значительной степени работой Александра Макфарлейна .
Он изобрел ступенчатую функцию Хевисайда , используя ее для расчета тока при включении электрической цепи . Он был первым, кто использовал функцию единичного импульса, теперь обычно известную как дельта-функция Дирака . [37] Он изобрел свой метод оперативного исчисления для решения линейных дифференциальных уравнений . Это напоминает используемый в настоящее время метод преобразования Лапласа , основанный на « интеграле Бромвича », названном в честь Бромвича , который разработал строгое математическое обоснование операторного метода Хевисайда с использованием контурного интегрирования. [38] Хевисайд был знаком с методом преобразования Лапласа, но считал свой собственный метод более прямым. [39] [40]
Хевисайд разработал теорию линий передачи (также известную как « уравнения телеграфиста »), которая позволила увеличить скорость передачи данных по трансатлантическим кабелям в десять раз. Первоначально на передачу каждого символа уходило десять минут, а затем этот показатель сразу увеличился до одного символа в минуту. С этим тесно связано его открытие, что телефонную передачу можно значительно улучшить, подключив электрическую индуктивность последовательно с кабелем. [41] Хевисайд также независимо открыл вектор Пойнтинга . [3] : 116–118.
Хевисайд выдвинул идею о том, что самые верхние слои атмосферы Земли содержат ионизированный слой, известный как ионосфера ; в связи с этим он предсказал существование того, что позже было названо слоем Кеннелли-Хевисайда . В 1947 году Эдвард Виктор Эпплтон получил Нобелевскую премию по физике за доказательство существования этого слоя.
Хевисайд ввел следующие термины в теории электромагнетизма :
Хевисайду иногда ошибочно приписывают создание резистивности (мнимой части адмиттанса) и реактивного сопротивления (мнимой части импеданса). Первый был придуман Чарльзом Протеем Штайнмецем (1894 г.). [43] Последний был придуман М. Госпитальером (1893). [44]
Религия: Унитарист, но не религиозный. Высмеивал тех, кто верит в Высшее Существо.