Оливер Хивисайд

Oliver Heaviside
Last updated: 28 February 2025
Oliver Heaviside

\n Оливер Хевисайд (HEH-vee-syde; 18 мая 1850 – 3 февраля 1925) был английским математиком и физиком, который изобрел новый метод решения дифференциальных уравнений (эквивалентный преобразованию Лапласа), независимо разработав векторную алгебру. Он переписывал уравнения Максвелла так, как они используются сегодня чаще всего. Его формулировка телеграфных уравнений стала важной для коммерции во время его жизни после того, как их значение долгое время оставалось незамеченным из-за сложности метода.

Ранние годы

Хевисайд родился в Кэмден-Тауне (Лондон), на 55 Kings Street: 13  (ныне Plender Street). Младший сын Томаса, гравера и чертежника, и Элизабет Уэст. Он был маленьким ребенком с рыжими волосами; в детстве перенес корь, что привело к потере слуха.В 13 лет семья смогла переехать на лучшую часть Кэмдена благодаря небольшому наследству и отправила его учиться в Camden House Grammar School. Он был хорошим студентом: пятый из пяти сотен учащихся, но после шестнадцати лет не мог продолжить обучение по финансовым причинам; год самостоятельно изучал материалы.Дядюшка Оливера — сэр Чарльз Уитстоун (1802–1875), известный телеграфист и электромагнит, в 1867 году помог ему устроиться на работу к старшему брату Артуру. Впоследствии Хевисайд работал оператором с датской компанией Great Northern Telegraph Company.\n Он вскоре стал электриком и продолжал заниматься наукой, работая одновременно. К двадцати двум годам он опубликовал статью в известном журнале Philosophical Magazine о «Лучшем способе использования моста Витстона для измерения сопротивления с помощью гальванометра и батареи», что вызвало одобрение физиков, включая сэра Уильяма Томсона (которому он передал копию работы) и Джеймса Клерка Максвелла. Когда в 1873 году Хевисайд опубликовался о методе дуплексной связи по телеграфным кабелям, то высмеял Р.С. Калли (инженер главного почтового управления), который считал этот способ неэффективным.Позже его заявление на вступление в Общество инженеров-телеграфистов было отклонено с комментарием: «не нужны телеграммные клерки». Это задело Хевисайда, и он обратился за поддержкой к Томсону. С его помощью (и благодаря одобрению президента общества) вопреки мнениям из почтового ведомства был принят.В 1873 году Хевисайд познакомился с только что опубликованными трудами Максвелла. В старости он вспоминал: «Я помню, как впервые взглянул на великий трактат Максвелла... Я понял его значимость и решился постичь этот текст. Тогда я был очень невежествен в математике (знаю только школьную алгебру и тригонометрию, которую почти забыл). Это определило мой путь: несколько лет ушло на то, чтобы понять как можно больше из книги Максвелла. Затем я отложил его труд в сторону и пошёл своим путём. Я продвигался быстрее... Теперь понятно, что я проповедую по своему толкованию учения Максвелла.Из дома продолжая исследования, Хевисайд разработал теорию линий передачи (телеэквиблианские уравнения). Он доказывал математически, как равномерно распределённая индуктивность в телеграфной лини улучшает её характеристики и снижает искажения. Его работы способствовали развитию технологий передачи данных.\n

Средние годы

С 1882 по 1902 год, за исключением трех лет, Хевисайд регулярно публиковал статьи в профессиональном журнале "The Electrician". Желая улучшить свой статус и репутацию, он получил гонорар £40 ежегодно. Это было не слишком много для жизни, но его потребности были скромными, а работа соответствовала главным интересам.В период с 1883 по 1887 год Хевисайд выпускал около двух-трех статей в месяц; позже эти статьи стали основой его трудов "Электродинамика и Электрические работы".:71В 1880 году он исследовал эффект кожи (skin effect) при передаче по телеграфным линиям. В том же году Хевисайд запатентовал в Англии коаксиальный кабель.В 1884-м, переработав уравнения Максвелла из их первоначальной сложной формы (первоначально записанные с использованием кватернионов), он перевёл анализ на современный язык векторных терминов. Это позволило сократить 12 исходных формул до четырёх основных уравнений, которые мы теперь знаем как Уравнения Максвелла.В период с 1880 по 1887 годы Хевисайд разработал операционный калькулюс на основе символа p {\displaystyle p} для дифференциального оператора, что вызывало споры из-за недостаточной строгости метода.Хевисайд говорил: "Математика — это экспериментальная дисциплина; определения приходят позже. Они формируются по мере развития предметной области." В другой момент он заметил: «Стоит ли отказываться от ужина из-за непонимания процесса пищеварения?»В 1887 году Хевисайд сотрудничал с братом Артуром над статьёй "The Bridge System of Telephony". Однако, эта работа была заблокирована начальником брата Уильямом Генри Пресом из Почтового ведомства. Причина заключалось в том, что часть предложения включала использование катушек индуктивности для улучшенной передачи сигналов и коррекции искажений.\n Пирс недавно объявил самоиндукцию великим врагом ясной передачи. Он также был убежден, что Пирса стоит винить за увольнение редактора журнала The Electrician — это прервало его серию статей (до 1891 года). Между ними существовала давняя неприязнь: Хевисайд считал Пирса математически некомпетентным, что подтверждает биограф Пол Дж. Нахин словами «Пирс был влиятельной правительственной фигурой с огромными амбициями и при этом полнейшим тупицей». Причины подавления Пирсом работ Хевисайда были скорее связаны со стремлением защитить свою репутацию, нежели ошибками самого Хевисайда. Важность трудов Хевисайда оставалась незамеченной некоторое время после их публикации в The Electrician. В 1897 году AT&T наняла учёных Джорджа Кэмпбелла и Майкла Пупина для проверки работ, чтобы найти слабые места или ошибочные моменты. Они развили идеи Хевисайда дальше и подали патентные заявки на свои исследования вместе с методами изготовления катушек (изобретённых ранее самим Хевисайдом). Позже AT&T предложила ему деньги за права, но он отказался без признания его вклада. В 1959 году Норберт Винер в книге «Искушение» обвинил компанию и Майкла Пупина (в роли Домингеса) в присвоении идей Хевисайда.Этот отказ привлек внимание Хевисайда к электромагнитным излучениям. В 1888-89 годах он предсказал деформации полей вокруг движущегося заряда и эффекты при переходе в плотную среду, что включало прогнозирование Черенковского излучения (позже). Это вдохновило его друга Джорджа ФицГерарда на идею Лорентц-ФитцДжеральдового сокращения.В 1889 году Хевисайд опубликовал правильное описание магнитной силы для движущегося заряда, что стало частью современной формулировки закона Лоренца. В конце XIX века он работал над концепцией электромагнитного масса и получил признание в научном сообществе: Королевское общество Великобритании признало его членом, а позже присвоило ему почётную докторскую степень Университета Геттингена.\n

Поздние годы и взгляды

В 1896 году Фицджеральд и Джон Перри добились для Хевисайда пенсии от гражданского списка в размере £120 ежегодно, после того как он отказался принять другие благотворительные предложения из Королевского общества. В это время он жил на юге Англии.В 1902 году Хевисайд выдвинул гипотезу о существовании слоя ионосферы, известного сейчас как слой Кеннелли-Хевисайда (или просто "слой Хевисайда"). Его идея включала метод передачи радиосигналов вокруг Земной поверхности. Существование этого явления подтвердили в 1923 году.Предложения и теории Хевисайда, наряду с теорией Планка о излучении, вероятно, тормозили попытки обнаружить солнечные радиоволны до работ Джански (1932), которые положат начало развитию радиоастрономии.Хевисайд был противником теорий относительности Альберта Эйнштейна. Математику Ховард Ивс отмечал, что "Он стал единственным выдающимся физиком своего времени, кто открыто критиковал теорию и часто высказывался о ней весьма резко".В поздние годы его поведение стало экстравагантным. По словам коллеги Б.А. Беренда, он превратился в затворника: даже рукопись своих трудов передавал редактору через продуктовый магазин.Здоровье Хевисайда ухудшилось к шестому десятилетию жизни; велосипедные прогулки сменились на проблемы с подвижностью. В это время он часто ставил свои инициалы "W.O.R.M." после имени в письмах, а также красился ногтями в розовый цвет.В 1922 году Хевисайд стал первым лауреатом медали Фарадея — награждение было учреждено именно для него. Он был единомышленником-униатистом и не верил в религию, иногда высмеивая тех, кто полагался на божественное начало.Хевисайд умер 3 февраля 1925 года от падения с лестницы; похоронен недалеко от восточной части кладбища Пейгнтона. Его могила была очищена в 2005 году благодаря неизвестному дарителю.\n =

Проект памятника Хевисайда

Восстановленный мемориал был торжественно открыт 30 августа 2014 года Аланом Хитером, дальним родственником ученого. На церемонии присутствовали: мэр Торбея (город в Великобритании), член парламента от этого региона, бывший куратор Музея науки и другие представители университета из Ньюкасла.=

Институт инженеров по электротехнике

В архиве Института инженерии и технологий (IET) хранится коллекция документов Хевисайда. Она включает записные книжки с математическими выкладками, аннотированные брошюры по телеграфным темам, рукописи заметок, черновики статей и переписка.В 1950 году Оливер Бакли (президент Bell Labs) сделал аудио-трибьют Хевисайду. Этот материал был оцифрован и доступен на сайте IET Archives в биографии ученого.Хевисайда признал Институт инженеров электриков своим почетным членом (Honorary Member) еще в 1908 году, что отражено как "1908 Oliver Heaviside FRS" среди других почётных лиц и лауреатов медали Фарадея.В 1922 он стал первым обладателем премии имени Фарадея. Впоследствии IEE учредил в его честь награждение — Премию Хевисайда, которая ежегодно присуждается за лучшую математическую работу.

Открытия и новаторства

Хевисайд внес значительный вклад в развитие методов работы с векторами и векториальной алгебры. В формулировке Максвелла электромагнетизма было 20 уравнений, а Хевисайд значительно упростил их.\n Хевисайд использовал операторы вихря и дивергенции для преобразования 12 из этих уравнений (из общего числа 20) в четыре уравнения с четырьмя переменными (\(B\), \(E\), \(J\) и \(\rho\)). Этот вид они имеют до настоящего времени. Мало известно, что его формулировки отличаются от максимальских (см. Уравнение Максвелла). Возможно, проще модифицировать уравнения Хевисайда для согласования с квантовой физикой.Хевисайд также обсуждал возможность гравитационных волн на основе аналогии между законами обратной квадратичности электричества и тяготения. С помощью гиперболических квартенонов он стремился устранить отрицательные значения при возведении вектора, что вызывало его неудовольствие.Хевисайд ввел функцию Хевисайда для расчета переходных процессов и токов. Он также разработал операционный метод решения дифференциальных уравнений (аналогичен современной Лапласовой трансформации). Его работа в области теории линий передачи значительно улучшила телеграфные системы, увеличив скорость до десяти раз.Он предложил идею ионосферы Земли — слоя атмосферы с заряженными частицами (позже названного Кеннелли-Хевисайдским слоем), что было подтверждено Эдвардом Виктором Аппельтоном в 1947 году.\n =

Электромагнитные термины

Хевисайд ввел следующие специальные термины в электродинамике:адмиттанс (обратная величина импеданса) (декабрь 1887);эластность (обратное сопротивление, обратный потенциал или емкость) (январь 1886); проводимость (реальная часть адмиттанса, обратна резистивности) (сентябрь 1885);электрет — аналог постоянного магнита в электрике; вещества с квазипостоянной поляризацией;импеданс (июль 1886); индуктивность (февраль 1886);проницаемость и проникаемость (сентябрь 1885, июнь 1887 соответственно) — теперь называется емкостью; реактанса (май 1888);Хевисайд иногда ошибочно приписывают введение терминов "суспенси" и "реаксанс". Первый был предложен Чарльзом Протеусом Штейнметцем в 1894 году, второй — М. Хоспиталером (M. Hospitalier) в 1893.

Публикации

1885-88 годы: статьи по электромагнитной индукции и распространению потенциала в журнале "The Electrician".1889 год, 'Электрические эффекты от движения зарядов через диэлектрик', Phil.Mag.S.5.1892: 'Силовые поля, напряжения и потоки энергии электромагнитного поля' в журнале "Phil.Trans.Royal Soc."1893 год: статья о гравитационной аналогии с электродинамикой.ISBN 978-0-8284-0235-4.1894 Год издания, в котором вышла работа "Электрические бумаги" (Heaviside, Oliver. Electrical Papers). Том 2. Издательство Macmillan Co, Лондон и Нью-Йорк.1899 Вторая часть книги под названием "Теория электромагнетизма". Vol. 2. The Electrician Printing and Publishing Company, Лондон.1912 Третий том работы "Электрическая теория" (Heaviside, Oliver. Electromagnetic Theory). Издательство The Electrician Printing and Publishing Co., Лондон.1925 Сборник под названием "Электрические бумаги", 2 тома изданы в Бостоне.1950 Полное и неотредактированное переиздание теории электромагнетизма (Heaviside, Oliver. Electromagnetic Theory). Издательство Spon; репринт Dover.1970 "Электрические бумаги" в двух томах изданы Chelsea Publishing Company.1971 Книга под названием 'Теория электромагнетизма, включая неопубликованные заметки Хевисайда для четвертого тома'. Издательство Chelsea. ISBN 0-8284-0237-X2001 "Электрические бумаги" (Heaviside, Oliver). Американское математическое общество. ISBN 978-0-8218-2840-3