Oliver Heaviside

Delice Bette | július 15, 2022

Összegzés

Oliver Heaviside (London, Anglia, 1850. május 18. – Torquay, Anglia, 1925. február 3.) angol fizikus, villamosmérnök, radiográfus és matematikus. Heaviside bevezette a komplex számokat az áramkörök elemzésébe, feltalált egy új technikát a differenciálegyenletek megoldására (a Laplace-transzformációval egyenértékű), önállóan fejlesztette ki a vektorszámítást, és újraírta a Maxwell-egyenleteket a ma általánosan használt formában. Jelentősen alakította a Maxwell-egyenletek megértését és alkalmazását a Maxwell halála utáni évtizedekben. A távíróegyenletek megfogalmazása még életében kereskedelmi jelentőségű volt, bár sokáig észrevétlen maradt, mert akkoriban kevesen ismerték újszerű módszertanát. Bár élete nagy részében bonyolult volt a kapcsolata a tudományos körökkel, Heaviside átformálta a távközlés, a matematika és a tudomány területét.

Gyermekek és fiatalok

Oliver volt Thomas Heaviside és Rachel West családjának negyedik gyermeke. Apja tehetséges fametsző volt, de szakmája már akkoriban is szenvedett a születő fotográfiai technikák konkurenciájától, és a családnak mindig is kevés volt a pénze. Az anya egyfajta kis iskolát hozott létre fiatal hölgyek számára a Camden Townban bérelt házukban, hogy több bevételre tegyen szert. A családi légkör feszült és morózus lehetett. Oliver esetében a helyzetet bonyolította, hogy gyermekkorában skarlátban szenvedett, aminek következtében gyakorlatilag megsüketült. Ez megnehezítette a kapcsolatát másokkal, különösen a többi fiúval, és valószínűleg ez képezte az alapját annak a mogorva és visszahúzódó jellemnek, amelyet élete hátralévő részében mutatott, bár később, serdülőkorában nagyrészt visszanyerte hallását.

Az 1863-ban kapott hagyaték jelentős anyagi javulást jelentett a család számára. Heaviside-ék jobb lakásba költöztek ugyanazon a környéken, és Oliver iskolába járhatott, ahol kitűnt a természettudományok terén, és az 1865-ös vizsgákon érmet nyert. A következő évben azonban véget kellett vetni az iskolai tanulmányainak. Szellemi képzettségének többi részét autodidakta módon szerezte, és úgy tűnik, hogy szorgalmas és lelkes látogatója volt a közkönyvtáraknak. Különösen vonzódott a tudományos művekhez, ezért mélyen elmerült Newton és Laplace értekezéseiben.

Érettség

Mivel nem tudott egyetemre járni, munkába kellett állnia. 1867-ben Newcastle-be költözött, ahol távírászként kezdte meg munkáját. Ez a későbbi pályafutása szempontjából oly meghatározó irányultság a családi körülményeknek volt köszönhető. Anyjának idősebb nővére, Emma West, férjhez ment Charles Wheatstone-hoz, aki W. F. Cooke-kal együtt feltalálta a távírórendszert, ami gazdaggá és befolyásossá tette. Oliver egyik idősebb testvére, Arthur W. Heaviside nagybátyja asszisztense lett, majd a helyi távírótársaságot vezette Newcastle-ben; végül fontos posztot töltött be a postahivatalban. Oliver a maga részéről bátyja asszisztenseként kezdte, és 1868 őszén a Newcastle és Dánia között lefektetett új tenger alatti kábel működtetésével bízták meg, először operátorként, majd villanyszerelőként – így nevezték akkoriban az elektrotechnika legújabb és legérdekesebb területének szakembereit. A következő éveket Olivér a műhelyekben és a vonal karbantartásáért felelős hajók fedélzetén töltötte, olyan kiváltságos helyeken, ahol a folyamatosan felmerülő új jelenségek és problémák minden aspektusát kikísérletezték és elemezték. Ez idő alatt önállóan folytatta a fizika tanulmányozását, mind elméletileg, mind kísérletileg.

1874 májusában otthagyta Newcastle-i állását, és visszatért szülei londoni otthonába, egyrészt egészségügyi okokból (egyfajta pszeudo-epilepsziás rohamban szenvedett), másrészt pedig azért, mert kizárólag a tanulmányoknak és a kutatásnak akart szentelni magát. Soha többé nem volt rendszeres fizetett állása, hacsak nem tekintjük annak a szórványos rovatvezetői munkát, amely csekély jövedelmet hozott neki. Elutasította az összes munkalehetőséget, amelyet a bátyja és mások ajánlottak neki, és rendkívül szigorú életmódot választott, cserébe a kutatás teljes szabadságáért. „Természetes filozófusnak születtem, nem pedig nyughatatlan mérnöknek vagy a kereskedelmi értelemben vett „gyakorlati embernek”” – jellemezte magát élete végén. Számos elméleti hozzájárulásának fontos gyakorlati alkalmazása volt, de soha nem törekedett arra, hogy ezekből anyagi hasznot húzzon (valószínűleg egyik példaképe, Faraday nyomdokaiba lépve), a korabeli találmányi őrület és az ebből következő szabadalmaztatás ellenére, beleértve Wheatstone nagybátyja közeli példáját is.

Utolsó évek

1900 után Heaviside tudományos tevékenysége mennyiségi és minőségi szempontból is jelentősen csökkent, 1906-ban gyakorlatilag megszűnt, bár utolsó könyve 1912-ben jelent meg. Ennek egyik fő oka a tartósan rossz egészségi állapota okozta problémák voltak.

Oliver és szülei 1889 szeptemberében bátyjához, Charleshoz költöztek, akinek a devonshire-i Paingtonban volt egy hangszerboltja, követve a Wheatstone által kezdeményezett másik családi működési vonalat, aki a harmonikát is feltalálta. Szülei 1894-ben és 1896-ban bekövetkezett halála után Oliver 1897-ben egy Newton Abbot melletti vidéki házba költözött, nem messze Paingtontól, de ez a tapasztalat nem volt túl kielégítő, és 1908-ban visszatért Torquaybe, ahol 1925-ben halt meg, miután egyre magányosabb és különösebb életet élt.

Kitüntetések és elismerések

Eremitikus élete ellenére Heaviside publikált munkái és befolyásos barátai tevékenysége nagy elismerést hozott neki, bár úgy tűnt, hogy ő ezt nem értékelte. Külön kiemelendőek a következők:

J. Perry, G. F. FitzGerald, O. Lodge és más barátok erőfeszítései és erőfeszítései révén 1896-ban sikerült Heaviside számára évi 120 font hivatalos nyugdíjat biztosítani (1914-ben 220 fontra emelték), amelyet végül elfogadott, miután két évvel korábban elutasított egy másik támogatást a Royal Society ugyanilyen módon kezelt Tudományos Segélyalapjából, arra hivatkozva, hogy az „jótékonyság”.

Kezdet

Első publikált cikke 1872 júliusában jelent meg az English Mechanic című folyóiratban „O.” aláírással; az elektromotoros erők összehasonlításának Heaviside által 1870-ben felfedezett módszerével foglalkozott. 1873 februárjában publikálta első tanulmányát a Philosophical Magazine-ban, a kor legfontosabb fizikai folyóiratában. Ezúttal a Wheatstone-híd optimalizálásával foglalkozott, amely a távírászok és fizikusok gyakorlatában jól ismert mérőműszer, de addig nem kapott szigorú matematikai feldolgozást. Ez a cikk hívta fel rá a kor legfontosabb tudományos személyiségeinek, például Lord Kelvinnek és Maxwellnek a figyelmét. Heaviside számos intellektuális vonása már ebben a munkában is jelen van, beleértve azt az alapvető vonást, hogy erőteljes matematikai módszereket alkalmazzon gyakorlati problémák megoldására (még Kelvin is nehéznek találta az algebrát).

A következő negyven évben Heaviside megszakítás nélkül publikációkat készített, amelyek főként olyan folyóiratokban jelentek meg, mint a The Electrician, a Philosophical Magazine és a Nature, összesen több mint háromezer sűrű oldalnyi terjedelemben. Ezek a hozzájárulások aztán rendszeresen megjelentek könyv formájában, és ezek alkotják az irodalomjegyzékben felsorolt műveket.

Jelátviteli vonal elmélet

Heaviside korai kutatásainak alapvető témája a jelek terjedése volt a távíróvezetékeken, különösen a földalatti vagy tenger alatti kábelvezetékeken való áthaladásuk során elszenvedett torzítás. A jelenség 1853-ban vált aktuálissá, amikor Latimer Clark először figyelte meg az angol-holland vonalon, és felhívta rá Faraday figyelmét, aki tanulmányozta, és az elektromágneses térrel kapcsolatos saját elképzeléseinek bizonyítékaként tekintette, különös tekintettel az „áramlatok keresztirányú hatásaira” (Experimental Researches in Electricity, III. kötet, 508. o.). Mindez megkérdőjelezte a tervezett transzatlanti kábel megvalósíthatóságát, amely korábban hallatlanul hosszú volt. 1855-ben Lord Kelvin kidolgozta az elektromos távíró elméletét, amelyben Faraday elképzeléseit Fourier szilárd testben történő hőterjedésre vonatkozó egyenleteivel kombinálta, és arra a következtetésre jutott, hogy a jelek késleltetése a kábel ellenállásának és kapacitásának kombinációjából adódik, amely a kábel hosszának négyzetével nő. Ez elkerülhetetlen jelenség volt, amely korlátozta az átviteli sebességet, de leküzdhető volt, ha kellő figyelmet fordítottak a kábelek elektromos jellemzőire, valamint az átvitelhez és vételhez használt különleges készülékekre és a gondosan kiválasztott átviteli technikákra. Ezeket a megfontolásokat azonban kezdetben nem fogadták el fenntartások nélkül (mint később), és a kábelt 1858-ban fektették le. Kezdeti működése azonban csalódást okozott, és mindössze egy hónapos üzemelés után használhatatlanná vált, és csak arra szolgált, hogy bizonyítsa Kelvin elképzeléseinek helyességét, így neki kellett megterveznie és üzemeltetnie egy új vonalat, amely 1866-ban készült el, és sikeres volt.

Heaviside Kelvin elméletét saját, az angol-dán kábellel kapcsolatos tapasztalataira alkalmazta, és 1874 és 1889 között egy sor tanulmányt publikált róla, amelyek eredményeképpen az elméletet két új, korábban figyelembe nem vett tényezővel bővítette: a vezetékveszteségekkel (amelyeket Heaviside, aki egyáltalán nem takarékoskodott a neologizmusok megalkotásával, leakance-nak nevezett, amit fugance-nak vagy perditance-nak kellett fordítani) és mindenekelőtt az önindukcióval. Ezzel kiegészítette és helyesbítette a kezdeti elméletet, és megfogalmazta a sokáig „Heaviside-egyenlet” vagy „távíró egyenlete” néven ismert egyenletet, amely megadja a vezeték bármely pontján (x) a feszültség (v) pillanatnyi értékét a vezeték elektromos jellemzőinek, az ellenállásnak (k), a kapacitásnak (c) és az induktivitásnak (s) a függvényében:

Ha az önindukciót is figyelembe vesszük, az elektromos áram már nem egyszerűen terjed a vezeték mentén, mint az előző koncepcióban, hanem egy sor kezdeti rezgést okoz, amíg el nem éri az állandósult állapotot. A jelek terjedése, akár kábelen keresztül is, így végérvényesen az elektromágneses hullámokhoz kapcsolódott.

1887-ben Heaviside megfogalmazta azt a gondolatot, hogy lehetséges egy jelátviteli vezeték elektromos paramétereit úgy kombinálni, hogy minden torzítás kiküszöbölhető legyen, azaz, bár a teljes jelet csillapítják, annak minden komponensfrekvenciája ugyanolyan arányban csillapodik. Ez elengedhetetlen volt az új telefonos kommunikációhoz, még inkább, mint a távíró kommunikációhoz. Ezen az alapon mások (például Silvanus P. Thompson, J. S. Stone és A. K. Erlang) számos szabadalmat szereztek, de a megvalósítás jelentős további erőfeszítéseket igényelt, és csak G. A. Campbell és Michael I. Pupin 1900 körüli hozzájárulásával valósult meg sikeresen (J. S. Stone és A. K. Erlang felhívásaival). Pupin 1900 körül (az úgynevezett „töltőtekercsekkel”).

Bár Gustav Kirchhoff már 1857-ben beemelte az önindukciót a hosszú vonalak elméletébe, javaslata nem járt eredménnyel. Helyette Heaviside lett az apostola. „Az önindukció az üdvösség” – mondta 1897-ben (és még 1904-ben is: „Ha a szeretet az, ami a világot mozgatja, akkor az önindukció az, ami a hullámokat mozgatja rajta keresztül”. (Elektromágneses elmélet, 3. kötet, 194. o.). Ez az álláspont szembekerült W. H. Preece mérnök álláspontjával, aki a brit távíró- és telefonszolgálat (Post Office) legfőbb vezetője lett, és aki azt a primitív nézetet vallotta, hogy az önindukció mindig káros egy távközlési vonalon, és minimalizálni kell. A konfrontáció Preece haláláig tartott, és Heaviside-nak nem kevés bánatába került.

Maxwellianizmus

A Maxwell-féle Treatise on Electricity and Magnetism első kiadása 1873-ban jelent meg, és Heaviside azonnal tanulmányozta, mély benyomást tett rá a tartalma, bár kezdetben nem értette az újdonságait (mint a legtöbb korabeli olvasó), különösen ami az elektromágneses hullámokat és azok terjedését illeti (az éter mint dielektrikum). Az alkalmazott matematikai apparátus, amely a kvaternionokon alapult, szintén meghaladta akkori képességeit. Ezért több évet szentelt annak alapos tanulmányozására, és 1876-ban kezdte el idézni saját munkáiban. Maxwell korai, 1879-ben bekövetkezett halála gyökeres változást jelentett a körülményekben, mivel a mestertől már nem lehetett elvárni, hogy hozzájáruljon egy olyan elmélethez, amelyhez nagy szükség volt a hozzájárulásokra és a nyilvánossággal való megismertetésre. Heaviside magára vállalta ezt a feladatot, és saját bevallása szerint már 1882-ben tudatosan elkezdte végrehajtani. De nem szorítkozott arra, hogy „szent szövegként” megismételje az Értekezés tartalmát (J. J. Thomson odáig ment, hogy Heaviside-ot „hitehagyott Maxwelliánusnak” nevezte), hanem átdolgozta, finomította és kibővítette azt, aminek eredményeként született meg az, amit a mai tudomány Maxwell elméleteként ismer. Ma gyakran magától értetődően „Maxwell négy egyenletéről” beszélnek, de érdemes tudni, hogy az értekezésben szereplő egyenletek valódi száma tizenhárom. A négy egyenlet által képviselt végső szintézis és elméleti tisztázás Heaviside és Hertz először egymástól függetlenül, majd közösen végzett munkájának köszönhető.

A Maxwelli-elmélet kisajátításában, átdolgozásában és terjesztésében Heaviside döntő mértékben együttműködött más angol fizikusokkal, akiket „Maxwelliánusoknak” neveztek el, a korai években elsősorban G. F. FitzGeralddal és O. Lodge-dzsal, később J. Larmorral, bár az utóbbival Heaviside kapcsolata kevésbé volt harmonikus, mint a többiekkel.

Annak ellenére, hogy részt vett benne, Heaviside nem tartotta a Maxwelli elméletet teljesnek vagy az utolsó szó jogán valónak. Még Hertz 1886-1888-as kísérleteit sem tekintette megdönthetetlen bizonyítéknak. Az éter mozgása és maga a fogalma által felvetett problémák bizonyították ezt, és további bonyodalmat okozott az elektron elméleti szerepének növekedése a 19. század utolsó éveiben, valamint annak kísérleti megerősítése, ami a töltés és az áram Maxwelli-féle fogalmának módosítására kényszerítette. Heaviside aktívan részt vett a mezőegyenletek kiterjesztésében a mozgó töltésekre (elektronokra), és az első teljes megoldások közül néhányat adott.

Matematikai eszközök

A fizikai mennyiségek orientációval felruházott szimbolikus ábrázolása lassú konszolidációs folyamat volt, amely a 19. század folyamán zajlott, kezdve a síkban alkalmazható komplex számokkal. A térre való általánosításuk természetesen még nehezebb volt. Ez volt a célja W. R. Hamilton kvaternionelméletének. Az elektromágnesség tanulmányozásához elengedhetetlen egy tömör és hatékony jelölés a térvektorok kezelésére, és Maxwell a kvaternionokat használta, de gyakran egyszerűsített formában. Heaviside pedagógiai és rendszerezési céljaira ez nem volt elegendő, ezért a vektoranalízist önálló algebraként dolgozta ki, amelyet az elektromágneses elmélet III. fejezetében fogalmazott meg mai formájában. Ez tartalmazza a quaternionikus elmélet elutasításának okait is, amely témában pályafutása végéig heves vitákat folytatott P. G. Tait-tal, annak fő kifejtőjével és védelmezőjével. Mindenesetre a vektorszámítás gyakorlatilag ismeretlen volt korának mérnökei és fizikusai számára (Heaviside-nak kellett megtanítania Hertznek), ami hozzájárult ahhoz, hogy Heaviside írásait – fáradságos pedagógiai erőfeszítései ellenére – nehéz volt megérteni, olyannyira, hogy barátja, Lodge nemcsak nehéznek, hanem „különcnek és bizonyos szempontból visszataszítónak” is nevezte őket.

Egyik megalkotója volt a később a mérnöki tudományokban oly hasznos operátorok segítségével történő számításnak, az operációs számításnak vagy műveleti számításnak is, amelynek kidolgozására és kifejtésére 1894 és 1898 közötti tevékenységének jó részét szentelte, amelyet az Elektromágneses elmélet második kötetében gyűjtött össze. Bár a módszer csak halála után terjedt el, a 19. század utolsó negyedének három nagy matematikai vívmánya között tartják számon.

Heaviside a matematikát kísérleti tudományként fogta fel, és megvetette az akadémiai „tiszta matematikusokat”. Matematikája nem demonstrációkkal vagy létezési tételekkel foglalkozott, hanem olyan fizikai problémák megoldásával, amelyek funkcionális összefüggései egyszerűek, és nem igénylik az összes absztrakt lehetőség kimerítő elemzését. Mondanom sem kell, hogy a hivatásos matematikusok körében ennek megfelelően nem volt túl jó a véleménye róla és módszereiről.

Cikkforrások

1. Oliver Heaviside
2. Oliver Heaviside
3. «Oliver Heaviside; British physicist». Encyclopedia Britannica (en inglés). Consultado el 31 de diciembre de 2019.
4. ^ a b Anon (1926). „Obituary Notices of Fellows Deceased: Rudolph Messel, Frederick Thomas Trouton, John Venn, John Young Buchanan, Oliver Heaviside, Andrew Gray”. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 110 (756): i–v. Bibcode:1926RSPSA.110D…1.. doi:10.1098/rspa.1926.0036.
5. ^ a b Hunt, B. J. (2012). „Oliver Heaviside: A first-rate oddity”. Physics Today. 65 (11): 48–54. Bibcode:2012PhT….65k..48H. doi:10.1063/PT.3.1788.
6. ^ a b c d Nahin, Paul J. (9 October 2002). Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age. JHU Press. ISBN 978-0-8018-6909-9.
7. 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 2,11 2,12 2,13 2,14 «Oxford Dictionary of National Biography» (Αγγλικά) Oxford University Press. Οξφόρδη. 2004.
8. 3,0 3,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22  Αυγούστου 2017.
9. 4,0 4,1 4,2 «Большая советская энциклопедия» (Ρωσικά) The Great Russian Encyclopedia. Μόσχα. 1969. Ανακτήθηκε στις 28  Σεπτεμβρίου 2015.
10. Hunt, B.J. (2012). «Oliver Heaviside: A first-rate oddity». Physics Today 65 (11): 48–54. doi:10.1063/PT.3.1788. Bibcode: 2012PhT….65k..48H.
11. 7,0 7,1 7,2 7,3 Nahin, Paul J. (9 Οκτωβρίου 2002). Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age. JHU Press. ISBN 978-0-8018-6909-9.
12. (en) Bruce J. Hunt, « Oliver Heaviside: A first-rate oddity », Physics Today, vol. 65, no 11,‎ novembre 2012, p. 48–54 (ISSN 0031-9228 et 1945-0699, DOI 10.1063/PT.3.1788, lire en ligne, consulté le 6 février 2021)
13. a et b (en) Nahin, Paul J., Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age., JHU Press, 9 octobre 2002 (ISBN 978-0-8018-6909-9, lire en ligne), p. 13
14. a et b (en) Bruce J. Hunt, The Maxwellians, Cornell University Press, 1991 (ISBN 978-0-8014-8234-2), p. 60
15. a et b (en) Sarkar, T. K.; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A.; Salazar-Palma, M.; Sengupta, Dipak L., History of Wireless, John Wiley & Sons (ISBN 978-0-471-78301-5, lire en ligne), p. 232