Должен ли я отказаться от обеда только потому, что не полностью понимаю процесс пищеварения?
Oliver Heaviside был английским самоучкой-инженером электротехники, математиком и физиком, который внедрил комплексные числа в анализ цепей, изобрел новый метод решения дифференциальных уравнений, эквивалентный преобразованию Лапласа, независимо разработал векторный анализ и переписал уравнения Maxwell в форме, которая используется и по сей день. Он значительно повлиял на то, как уравнения Maxwell понимаются и применяются в десятилетиях после смерти Maxwell. Его формулировка уравнений телеграфа стала коммерчески важной при его жизни, после того как их значение долгое время оставалось незамеченным, так как в то время немногие были знакомы с его новой методологией. Несмотря на противостояние с научным сообществом большую часть своей жизни, Heaviside изменил лицо телекоммуникаций, математики и науки.
Биография
Ранние годы
Heaviside родился в Camden Town, Лондон, на улице Kings Street (ныне Plender Street), в доме номер 55. Он был невысоким рыжеволосым ребенком и страдал скарлатиной в молодости, что привело к нарушению слуха. Небольшое наследство позволило семье переехать в лучшую часть Camden, когда ему было тринадцать лет, и он был отправлен в Camden House Grammar School. Он был хорошим студентом, заняв пятое место из пятисот учеников в 1865 году, но его родители не могли содержать его в школе после 16 лет, поэтому он еще год учился самостоятельно и больше не получал формального образования.
Дядя Heaviside по браку был Sir Charles Wheatstone 1802–1875, международно известный эксперт в области телеграфии и электромагнетизма, и первоначальный соавтор первого коммерчески успешного телеграфа в середине 1830-х годов. Wheatstone проявлял большой интерес к образованию своего племянника и в 1867 году отправил его на север работать со своим старшим братом Arthur, который управлял одной из телеграфных компаний Wheatstone в Newcastle-upon-Tyne.
Два года спустя он получил работу телеграфного оператора в датской компании Great Northern Telegraph Company, укладывающей кабель из Newcastle в Данию с использованием британских подрядчиков. Вскоре он стал электриком. Heaviside продолжал учиться во время работы, и в возрасте 22 лет он опубликовал статью в престижном журнале Philosophical Magazine о «Лучшем расположении моста Wheatstone для измерения данного сопротивления с помощью данного гальванометра и батареи», которая получила положительные отзывы от физиков, которые безуспешно пытались решить эту алгебраическую задачу, включая Sir William Thomson, которому он дал копию работы, и James Clerk Maxwell. Когда он опубликовал статью о дуплексном методе использования телеграфного кабеля, он высмеял R. S. Culley, главного инженера системы телеграфа Почтовой службы, который отклонял дуплекс как непрактичный. Позже в 1873 году его заявление о присоединении к обществу инженеров-телеграфистов было отклонено с комментарием, что «они не хотят телеграфных клерков». Это разозлило Heaviside, который попросил Thomson спонсировать его, и с поддержкой президента общества он был принят «несмотря на высокомерие почтовых служб».
В 1873 году Heaviside столкнулся с недавно опубликованным, и позже знаменитым, двухтомным трудом Maxwell «Treatise on Electricity and Magnetism». В старости Heaviside вспоминал:
Я помню свой первый взгляд на великий труд Maxwell, когда я был молодым человеком... Я видел, что это было велико, величественнее и величайшее, с грандиозными возможностями в его мощи... Я был полон решимости овладеть этой книгой и приступил к работе. Я был очень невежественен. У меня не было никаких знаний математического анализа (я выучил только школьную алгебру и тригонометрию, которые в значительной степени забыл), и поэтому моя работа была предопределена. Потребовалось несколько лет, прежде чем я мог понять столько, сколько возможно. Затем я отложил Maxwell и пошел своим путем. И я прогрессировал намного быстрее... Будет понято, что я проповедую евангелие согласно моему толкованию Maxwell.
Проводя исследования из дома, он помог развить теорию передачи, также известную как «уравнения телеграфа». Heaviside математически показал, что равномерно распределенная индуктивность в линии телеграфа уменьшит как затухание, так и искажение, и что, если индуктивность достаточно велика, а сопротивление изоляции не слишком высоко, цепь будет без искажений, поскольку токи всех частот будут иметь равные скорости распространения. Уравнения Heaviside способствовали дальнейшей реализации телеграфа.
Средние годы
С 1882 по 1902 год, за исключением трех лет, он регулярно публиковал статьи в торговом издании The Electrician, которое стремилось повысить свой статус, за что ему платили 40 фунтов в год. Этого было едва ли достаточно, чтобы жить, но его потребности были очень скромны, и он делал то, что больше всего хотел. Между 1883 и 1887 годами эти статьи в среднем составляли 2–3 статьи в месяц, и позже они составили основную часть его работ «Electromagnetic Theory» и «Electrical Papers».
В 1880 году Heaviside исследовал скин-эффект в линиях телеграфной передачи. В том же году он запатентовал коаксиальный кабель в Англии. В 1884 году он переформулировал математический анализ Maxwell из его первоначальной громоздкой формы (его уже переформулировали как кватернионы) в его современную векторную терминологию, тем самым сократив двенадцать из исходных двадцати уравнений с двадцатью неизвестными до четырех дифференциальных уравнений с двумя неизвестными, которые мы теперь называем уравнениями Maxwell. Четыре переформулированных уравнения Maxwell описывают природу электрических зарядов как статических, так и движущихся, магнитные поля и отношение между ними, а именно электромагнитные поля.
Между 1880 и 1887 годами Heaviside разработал операционный анализ с использованием p, дав метод решения дифференциальных уравнений путем прямого решения как алгебраических уравнений. Это позже вызвало большие споры из-за его недостатка строгости. Он знаменито сказал: «Математика — это экспериментальная наука, и определения приходят не в первую очередь, а позже. Они развиваются сами, когда развивается природа предмета». В другом случае он спросил несколько более оборонительно: «Должен ли я отказаться от обеда только потому, что не полностью понимаю процесс пищеварения?»
В 1887 году Heaviside работал со своим братом Arthur над работой под названием «The Bridge System of Telephony». Однако статья была заблокирована начальником Arthur, William Henry Preece из Почтовой службы, потому что часть предложения заключалась в том, что на телефонные и телеграфные линии должны быть добавлены катушки нагрузки (индукторы) для увеличения их самоиндукции и коррекции искажений, от которых они страдали. Preece недавно объявил о самоиндуктивности как о великом враге четкой передачи. Heaviside также был убежден, что Preece стоял за увольнением редактора The Electrician, что прервало его долгосерийную статьи до 1891 года. Была долгая история враждебности между Preece и Heaviside. Heaviside считал Preece математически некомпетентным, оценка, подтвержденная биографом Paul J. Nahin: «Preece был могущественным государственным чиновником, чрезвычайно амбициозным и во многих отношениях полным идиотом». Мотивы Preece при подавлении работы Heaviside были больше связаны с защитой собственной репутации Preece и избеганием необходимости признать ошибку, чем с какими-либо предполагаемыми недостатками работы Heaviside.
Важность работы Heaviside оставалась неоткрытой некоторое время после публикации в The Electrician, и поэтому его права находились в общественном достоянии. В 1897 году AT&T нанял одного из своих собственных ученых, George A. Campbell, и внешнего исследователя Michael I. Pupin, чтобы найти какие-то аспекты, в которых работа Heaviside была неполной или неправильной. Campbell и Pupin расширили работу Heaviside, и AT&T подал заявку на патенты, охватывающие не только их исследования, но и технический метод изготовления катушек, ранее изобретенных Heaviside. AT&T позже предложил Heaviside деньги в обмен на его права; возможно, уважение инженеров Bell к Heaviside повлияло на это предложение. Однако Heaviside отклонил предложение, отказываясь принять какие-либо деньги, если компания не даст ему полного признания. Heaviside был хронически бедным, что делает его отказ от предложения еще более поразительным.
Но эта неудача привела к тому, что внимание Heaviside обратилось к электромагнитному излучению, и в двух работах 1888 и 1889 годов он рассчитал деформации электрических и магнитных полей вокруг движущегося заряда, а также эффекты его входа в более плотную среду. Это включало предсказание того, что теперь известно как излучение Cherenkov, и вдохновило его друга George FitzGerald предложить то, что теперь известно как сокращение Lorentz–FitzGerald.
В 1889 году Heaviside впервые опубликовал правильный вывод магнитной силы на движущейся заряженной частице, которая является магнитной компонентой того, что теперь называется силой Lorentz.
В конце 1880-х и начале 1890-х годов Heaviside работал над концепцией электромагнитной массы. Heaviside рассматривал это как материальную массу, способную производить те же эффекты. Wilhelm Wien позже проверил выражение Heaviside для низких скоростей.
В 1891 году Британское Королевское общество признало вклад Heaviside в математическое описание электромагнитных явлений, назвав его Fellow of the Royal Society, а в следующем году посвятив более пятидесяти страниц Philosophical Transactions of the Society его векторным методам и электромагнитной теории. В 1905 году Heaviside была присуждена почетная докторская степень Университета Göttingen.
Поздние годы и взгляды
В 1896 году FitzGerald и John Perry получили для Heaviside гражданскую пенсию в размере 120 фунтов в год (он теперь жил в Devon) и убедили его принять ее, после того как он отклонил другие благотворительные предложения от Королевского общества.
В 1902 году Heaviside предложил существование того, что теперь известно как слой Kennelly–Heaviside ионосферы. Предложение Heaviside включало средства, с помощью которых радиосигналы передаются вокруг кривизны Земли. Существование ионосферы было подтверждено в 1923 году. Предсказания Heaviside, в сочетании с теорией излучения Planck, вероятно, отбили охоту от дальнейших попыток обнаружить радиоволны от Солнца и других астрономических объектов. По какой-то причине, похоже, не было попыток в течение 30 лет, пока Jansky не разработал радиоастрономию в 1932 году.
В более поздние годы его поведение становилось достаточно эксцентричным. По словам его ассоциата B. A. Behrend, он стал отшельником, который так сильно избегал встреч с людьми, что доставлял рукописи своих статей для The Electrician в продовольственный магазин, где их подбирали редакторы. Хотя в молодости он был активным велосипедистом, его здоровье серьезно ухудшилось в его шестом десятилетии. В это время Heaviside подписывал письма инициалами «W.O.R.M.» после своего имени. Heaviside также, как сообщается, начал красить ногти в розовый цвет и перемещал гранитные блоки в свой дом вместо мебели. В 1922 году он стал первым лауреатом медали Faraday, которая была учреждена в том же году.
Относительно его религиозных взглядов Heaviside был унитарианцем, но не религиозным. Говорили, что он даже высмеивал людей, которые верили в высшее существо.
Heaviside умер 3 февраля 1925 года в Torquay в Devon после падения с лестницы и похоронен рядом с восточным углом кладбища Paignton. Он похоронен со своим отцом, Thomas Heaviside 1813–1896, и своей матерью, Rachel Elizabeth Heaviside. Надгробный камень был очищен благодаря анонимному дарителю в 2005 году. Большинство его признания пришлось на время после его смерти.
Проект памятника Heaviside
В июле 2014 года ученые из Newcastle University, Великобритания, и Newcastle Electromagnetics Interest Group основали Heaviside Memorial Project с целью полностью восстановить памятник через общественную подписку. Восстановленный памятник был торжественно открыт 30 августа 2014 года Alan Heather, дальним родственником Heaviside. На открытии присутствовали мэр Torbay, депутат Torbay, бывший куратор Science Museum, представляющий Institution of Engineering and Technology, председатель Torbay Civic Society и делегаты из Newcastle University.
Коллекция Heaviside 1872–1923
Коллекция записных книжек, документов, корреспонденции, заметок и аннотированных брошюр Heaviside по телеграфии хранится в Institution of Engineering and Technology IET Archive Centre.
Инновации и открытия
Heaviside много сделал для развития и отстаивания векторных методов и векторного анализа. Формулировка электромагнетизма Maxwell состояла из 20 уравнений с 20 переменными. Heaviside использовал операторы ротора и дивергенции векторного анализа для переформулирования 12 из этих 20 уравнений в четыре уравнения с четырьмя переменными B, E, J и ρ, форму, в которой они известны с тех пор (см. уравнения Maxwell). Менее известно, что уравнения Heaviside и Maxwell не совсем одинаковые, и на самом деле проще модифицировать первые, чтобы сделать их совместимыми с квантовой физикой. Возможность гравитационных волн также обсуждалась Heaviside, используя аналогию
