Soll ich mein Abendessen verweigern, weil ich den Verdauungsprozess nicht vollständig verstehe?
Oliver Heaviside war ein englischer autodidaktischer Elektroingenieur, Mathematiker und Physiker, der komplexe Zahlen in die Schaltungsanalyse einführte, eine neue Technik zur Lösung von Differentialgleichungen entwickelte, die der Laplace-Transformation entspricht, unabhängig die Vektorrechnung entwickelte und Maxwells Gleichungen in die heute gebräuchliche Form umschrieb. Er prägte maßgeblich die Art und Weise, wie Maxwells Gleichungen in den Jahrzehnten nach Maxwells Tod verstanden und angewendet werden. Seine Formulierung der Telegraphenleitungsgleichungen wurde zu Lebzeiten kommerziell bedeutsam, nachdem ihre Bedeutung lange Zeit übersehen wurde, da nur wenige andere zu dieser Zeit mit seiner neuartigen Methodik vertraut waren. Obwohl er sich während seines Lebens größtenteils mit der wissenschaftlichen Etablierung im Clinch befand, veränderte Heaviside das Gesicht der Telekommunikation, Mathematik und Wissenschaft.
Biografie
Frühen Jahren
Heaviside wurde in Camden Town, London, in der King Street 55, jetzt Plender Street, geboren. Er war ein kleines und rothaariges Kind und litt in jungen Jahren an Scharlach, was ihm eine Hörbeeinträchtigung hinterließ. Ein kleines Erbe ermöglichte der Familie, als er dreizehn Jahre alt war, in einen besseren Teil von Camden zu ziehen, und er wurde in die Camden House Grammar School geschickt. Er war ein guter Schüler und belegte 1865 den fünften Platz von fünfhundert Schülern, aber seine Eltern konnten ihn nach seinem sechzehnten Lebensjahr nicht mehr zur Schule schicken, also studierte er ein Jahr lang allein weiter und hatte keine weitere formale Ausbildung.
Heavisides Onkel durch Heirat war Sir Charles Wheatstone 1802–1875, ein international bekannter Experte für Telegraphie und Elektromagnetismus und der ursprüngliche Co-Erfinder des ersten kommerziell erfolgreichen Telegrafen in der Mitte der 1830er Jahre. Wheatstone interessierte sich stark für die Ausbildung seines Neffen und schickte ihn 1867 nach Norden, um mit seinem älteren Bruder Arthur zu arbeiten, der eines von Wheatstones Telegraphenunternehmen in Newcastle-upon-Tyne leitete.
Zwei Jahre später nahm er eine Stelle als Telegraphist bei der dänischen Great Northern Telegraph Company an, die ein Kabel von Newcastle nach Dänemark mit britischen Auftragnehmern verlegte. Er wurde bald Elektrotechniker. Heaviside studierte weiter, während er arbeitete, und im Alter von 22 Jahren veröffentlichte er einen Artikel in der prestigeträchtigen Philosophical Magazine über „The Best Arrangement of Wheatstone's Bridge for measuring a Given Resistance with a Given Galvanometer and Battery", der positive Kommentare von Physikern erhielt, die dieses algebraische Problem erfolglos zu lösen versucht hatten, darunter Sir William Thomson, dem er eine Kopie des Papiers gab, und James Clerk Maxwell. Als er einen Artikel über die Duplex-Methode zur Nutzung eines Telegraphenkabels veröffentlichte, verspottete er R. S. Culley, den Chefingenieur des Post Office-Telegraphensystems, der Duplex als unpraktisch abgelehnt hatte. Später 1873 wurde seine Bewerbung zum Beitritt zur Society of Telegraph Engineers mit dem Kommentar abgelehnt, dass „sie keine Telegraphenbeamten wollten". Dies ärgerte Heaviside, der Thomson bat, ihn zu unterstützen, und mit Unterstützung des Präsidenten der Gesellschaft wurde er „trotz der Post Office-Snobs" aufgenommen.
1873 war Heaviside auf Maxwells neu veröffentlichtem und später berühmtem zweibändigem Treatise on Electricity and Magnetism gestoßen. In seinem hohen Alter erinnerte sich Heaviside:
Ich erinnere mich an meinen ersten Blick auf das große Werk von Maxwell, als ich ein junger Mann war... Ich sah, dass es groß, größer und am größten war, mit enormen Möglichkeiten in seiner Kraft... Ich war entschlossen, das Buch zu meistern und machte mich an die Arbeit. Ich war sehr unwissend. Ich hatte keine Kenntnisse der mathematischen Analyse (ich hatte nur Schulalgebra und Trigonometrie gelernt, die ich großenteils vergessen hatte) und daher war meine Arbeit für mich ausgelegt. Es dauerte mehrere Jahre, bis ich so viel verstehen konnte, wie ich konnte. Dann stellte ich Maxwell beiseite und folgte meinem eigenen Weg. Und ich machte viel schneller Fortschritte... Es wird verstanden, dass ich das Evangelium nach meiner Auslegung von Maxwell predige.
Während er von zu Hause aus forschte, half er bei der Entwicklung der Übertragungsleitungstheorie, auch bekannt als „Telegraphenleitungsgleichungen". Heaviside zeigte mathematisch, dass eine gleichmäßig verteilte Induktivität in einer Telegraphenlinie sowohl Dämpfung als auch Verzerrung verringern würde, und dass, wenn die Induktivität groß genug und der Isolationswiderstand nicht zu hoch wäre, die Schaltung in dieser Hinsicht verzerrungsfrei wäre, dass Ströme aller Frequenzen gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeiten hätten. Heavisides Gleichungen trugen zur Umsetzung des Telegrafen bei.
Mittlere Jahre
Von 1882 bis 1902 trug er mit Ausnahme von drei Jahren regelmäßig Artikel zu dem Fachblatt The Electrician bei, das seinen Status verbessern wollte, wofür er 40 Pfund pro Jahr bezahlt wurde. Das war kaum genug zum Leben, aber seine Ansprüche waren sehr gering und er tat das, was er am meisten wollte. Zwischen 1883 und 1887 betrugen diese durchschnittlich 2–3 Artikel pro Monat und diese Artikel bildeten später die Masse seiner Electromagnetic Theory and Electrical Papers.
1880 erforschte Heaviside den Skin-Effekt in Telegraphenleitungen. Im selben Jahr patentierte er das koaxiale Kabel in England. 1884 formte er Maxwells mathematische Analyse aus ihrer ursprünglichen unhandlichen Form – sie waren bereits in Quaternionen umgearbeitet worden – in ihre moderne Vektorterminologie um, wodurch er zwölf der ursprünglichen zwanzig Gleichungen in zwanzig Unbekannten auf die vier Differentialgleichungen in zwei Unbekannten reduzierte, die wir heute als Maxwells Gleichungen kennen. Die vier neu formulierten Maxwellschen Gleichungen beschreiben die Natur statischer und beweglicher elektrischer Ladungen, magnetischer Felder und die Beziehung zwischen ihnen, nämlich elektromagnetische Felder.
Zwischen 1880 und 1887 entwickelte Heaviside die Operatorenrechnung mit p, die eine Methode zur Lösung von Differentialgleichungen durch direkte Lösung als algebraische Gleichungen lieferte. Dies verursachte später große Kontroversen aufgrund mangelnder Strenge. Er sagte berühmterweise: „Mathematik ist eine experimentelle Wissenschaft, und Definitionen kommen nicht zuerst, sondern später. Sie machen sich selbst, wenn sich die Natur des Themas selbst entwickelt hat." Bei einer anderen Gelegenheit fragte er etwas defensiver: „Soll ich mein Abendessen verweigern, weil ich den Verdauungsprozess nicht vollständig verstehe?"
1887 arbeitete Heaviside mit seinem Bruder Arthur an einem Papier mit dem Titel „The Bridge System of Telephony". Das Papier wurde jedoch von Arthurs Vorgesetzten, William Henry Preece vom Post Office, blockiert, da Teil des Vorschlags war, dass Ladespulen (Induktoren) zu Telefon- und Telegraphenleitungen hinzugefügt werden sollten, um ihre Selbstinduktion zu erhöhen und die Verzerrung zu korrigieren, von der sie litten. Preece hatte kürzlich erklärt, dass die Selbstinduktion der große Feind der klaren Übertragung sei. Heaviside war auch überzeugt, dass Preece hinter der Entlassung des Redakteurs von The Electrician steckte, was seine lange Artikelreihe bis 1891 zum Erliegen brachte. Es gab eine lange Geschichte der Animosität zwischen Preece und Heaviside. Heaviside hielt Preece für mathematisch inkompetent, eine Bewertung, die der Biograph Paul J. Nahin unterstützte: „Preece war ein mächtiger Regierungsbeamter, ungeheuer ehrgeizig und in mancher Hinsicht ein totaler Dummkopf." Preeces Motivationen, Heavisides Arbeit zu unterdrücken, hatten mehr damit zu tun, Preeces eigenen Ruf zu schützen und nicht zugeben zu müssen, dass er sich geirrt hatte, als irgendwelche wahrgenommenen Mängel in Heavisides Arbeit.
Die Bedeutung von Heavisides Arbeit blieb einige Zeit nach der Veröffentlichung in The Electrician unentdeckt, und daher lagen seine Rechte in der öffentlichen Domäne. 1897 beschäftigte AT&T einen seiner eigenen Wissenschaftler, George A. Campbell, und einen externen Ermittler Michael I. Pupin, um etwas zu finden, in dem Heavisides Arbeit unvollständig oder falsch war. Campbell und Pupin erweiterten Heavisides Arbeit, und AT&T reichte Patente ein, die nicht nur ihre Forschung abdeckten, sondern auch die technische Methode zur Konstruktion der Spulen, die zuvor von Heaviside erfunden wurden. AT&T bot Heaviside später Geld im Austausch für seine Rechte an; es ist möglich, dass der Respekt der Bell-Ingenieure für Heaviside dieses Angebot beeinflusste. Heaviside lehnte das Angebot jedoch ab und lehnte es ab, Geld anzunehmen, es sei denn, das Unternehmen würde ihm vollständige Anerkennung geben. Heaviside war chronisch arm, was seine Ablehnung des Angebots noch auffälliger machte.
Aber dieser Rückschlag lenkte Heavisides Aufmerksamkeit auf elektromagnetische Strahlung, und in zwei Arbeiten von 1888 und 1889 berechnete er die Verformungen der elektrischen und magnetischen Felder um eine bewegte Ladung sowie die Auswirkungen ihrer Eintritt in ein dichteres Medium. Dies beinhaltete eine Vorhersage dessen, was heute als Cherenkov-Strahlung bekannt ist, und inspirierte seinen Freund George FitzGerald, das vorzuschlagen, das heute als Lorentz-FitzGerald-Kontraktion bekannt ist.
1889 veröffentlichte Heaviside zunächst eine korrekte Ableitung der magnetischen Kraft auf ein bewegtes geladenes Teilchen, die die magnetische Komponente dessen ist, was heute als Lorentz-Kraft bekannt ist.
In den späten 1880er und frühen 1890er Jahren arbeitete Heaviside am Konzept der elektromagnetischen Masse. Heaviside behandelte dies als materielle Masse, fähig, die gleichen Auswirkungen zu erzeugen. Wilhelm Wien verifizierten später Heavisides Ausdruck für niedrige Geschwindigkeiten.
1891 erkannte die British Royal Society Heavisides Beiträge zur mathematischen Beschreibung elektromagnetischer Phänomene an, indem sie ihn zum Fellow der Royal Society ernannte, und widmete im folgenden Jahr mehr als fünfzig Seiten der Philosophical Transactions of the Society seinen Vektormethoden und der elektromagnetischen Theorie. 1905 erhielt Heaviside einen Ehrendoktor von der Universität Göttingen.
Späteren Jahren und Ansichten
1896 erhielten FitzGerald und John Perry eine bürgerliche Rentenliste von 120 Pfund pro Jahr für Heaviside, der jetzt in Devon lebte, und überredeten ihn, sie anzunehmen, nachdem er andere karitative Angebote der Royal Society abgelehnt hatte.
1902 schlug Heaviside die Existenz dessen vor, was jetzt als Kennelly-Heaviside-Schicht der Ionosphäre bekannt ist. Heavisides Vorschlag umfasste Mittel, durch die Funksignale um die Erdkrümmung übertragen werden. Die Existenz der Ionosphäre wurde 1923 bestätigt. Die Vorhersagen von Heaviside, kombiniert mit Plancks Strahlungstheorie, entmutigten wahrscheinlich weitere Versuche, Radiowellen von der Sonne und anderen astronomischen Objekten zu erkennen. Aus welchem Grund auch immer, es scheint, dass es 30 Jahre lang keine Versuche gab, bis Janskys Entwicklung der Radioastronomie 1932.
In seinen späteren Jahren wurde sein Verhalten ziemlich exzentrisch. Nach Angaben des Mitarbeiters B. A. Behrend wurde er zum Einsiedler, der so sehr dagegen abgeneigt war, Menschen zu treffen, dass er die Manuskripte seiner Electrician-Papiere an ein Lebensmittelgeschäft lieferte, wo die Redakteure sie abholten. Obwohl er in seiner Jugend ein aktiver Radfahrer war, verschlechterte sich seine Gesundheit in seinem sechsten Jahrzehnt ernsthaft. In dieser Zeit würde Heaviside Briefe mit den Initialen „W.O.R.M." nach seinem Namen unterzeichnen. Heaviside soll auch damit begonnen haben, seine Fingernägel rosa zu streichen und Granitblöcke ins Haus zu ziehen als Möbel. 1922 war er der erste Empfänger der Faraday-Medaille, die in diesem Jahr gegründet wurde.
Bezüglich Heavisides religiöser Ansichten war er ein Unitarier, aber kein religiöser. Es wird sogar gesagt, dass er sich über Menschen lustig machte, die ihren Glauben an ein höchstes Wesen setzten.
Heaviside starb am 3. Februar 1925 in Torquay in Devon, nachdem er von einer Leiter gefallen war, und ist in der Nähe der östlichen Ecke des Friedhofs von Paignton begraben. Er ist mit seinem Vater Thomas Heaviside 1813–1896 und seiner Mutter Rachel Elizabeth Heaviside begraben. Der Grabstein wurde dank eines anonymen Spenders irgendwann 2005 gereinigt. Die meiste Anerkennung erhielt er posthum.
Heaviside Memorial Project
Im Juli 2014 gründeten Akademiker der Newcastle University, Großbritannien, und die Newcastle Electromagnetics Interest Group das Heaviside Memorial Project, um das Denkmal durch öffentliche Spenden vollständig zu restaurieren. Das restaurierte Denkmal wurde am 30. August 2014 von Alan Heather, einem entfernten Verwandten von Heaviside, feierlich enthüllt. Die Enthüllung wurde von dem Bürgermeister von Torbay, dem Abgeordneten für Torbay, einem ehemaligen Kurator des Science Museum, der die Institution of Engineering and Technology vertrat, dem Vorsitzenden der Torbay Civic Society und Delegierten der Newcastle University besucht.
The Heaviside Collection 1872–1923
Eine Sammlung von Heavisides Notizbüchern, Papieren, Korrespondenz, Notizen und annotierten Broschüren zur Telegraphie wird im IET Archive Centre der Institution of Engineering and Technology aufbewahrt.
Innovationen und Entdeckungen
Heaviside tat viel, um Vektormethoden und Vektorrechnung zu entwickeln und zu verfechten. Maxwells Formulierung des Elektromagnetismus bestand aus 20 Gleichungen in 20 Variablen. Heaviside verwendete die Curl- und Divergenzoperatoren der Vektorrechnung, um 12 dieser 20 Gleichungen in vier Gleichungen in vier Variablen B , E , J und ρ umzuformulieren, die Form, unter der sie seitdem bekannt sind, siehe Maxwells Gleichungen. Weniger bekannt ist, dass Heavisides Gleichungen und Maxwells nicht genau gleich sind, und tatsächlich ist es einfacher, die erstere zu modifizieren, um sie mit der Quantenphysik kompatibel zu machen. Die Möglichkeit von Gravitationswellen wurde auch von Heaviside unter Verwendung der Analogie diskutiert
