Oliver Heaviside

gigatos | 18 heinäkuun, 2022

Yhteenveto

Oliver Heaviside (Lontoo, Englanti, 18. toukokuuta 1850 – Torquay, Englanti, 3. helmikuuta 1925) oli englantilainen fyysikko, sähköinsinööri, röntgenhoitaja ja matemaatikko. Heaviside otti kompleksiluvut käyttöön piirianalyysissä, keksi uuden tekniikan differentiaaliyhtälöiden ratkaisemiseen (vastaa Laplace-muunnosta), kehitti itsenäisesti vektorilaskennan ja kirjoitti Maxwellin yhtälöt uudelleen nykyään yleisesti käytetyssä muodossa. Hän muokkasi merkittävästi tapaa, jolla Maxwellin yhtälöitä ymmärrettiin ja sovellettiin Maxwellin kuoleman jälkeisinä vuosikymmeninä. Hänen laatimansa lennätinyhtälöt olivat kaupallisesti merkittäviä jo hänen elinaikanaan, vaikka ne jäivätkin pitkään huomaamatta, koska vain harvat tunsivat hänen uudenlaista metodologiaansa. Vaikka hänen suhteensa tieteelliseen laitokseen olivat suurimman osan elämästään mutkikkaat, Heaviside muokkasi televiestinnän, matematiikan ja luonnontieteiden alaa.

Lue myös, elamakerrat – Sheridan Le Fanu

Lapset ja nuoret

Oliver oli Thomas Heavisiden ja Rachel Westin perheen neljäs lapsi. Hänen isänsä oli lahjakas puukaivertaja, mutta hänen ammattinsa kärsi jo alkavan valokuvatekniikan aiheuttamasta kilpailusta, ja perheellä oli aina pulaa rahasta. Äiti perusti eräänlaisen pienen koulun nuorille naisille Camden Townissa sijaitsevaan vuokrataloon ansaitakseen lisää tuloja. Perheen ilmapiirin on täytynyt olla jännittynyt ja alakuloinen. Oliverin tilannetta vaikeutti se, että hän sairasti lapsena tulirokkoa, jonka seurauksena hänestä tuli käytännössä kuuro. Tämä vaikeutti hänen suhdettaan muihin ihmisiin, erityisesti muihin poikiin, ja luultavasti oli pohjana hänen koko loppuelämänsä ajan vallinneelle alakuloiselle ja vetäytyneelle luonteelleen, vaikka hän saikin kuulonsa takaisin suurelta osin myöhemmin teini-iässä.

Vuonna 1863 saatu testamenttilahjoitus merkitsi perheelle huomattavaa taloudellista parannusta. Heavisidit muuttivat parempaan asuntoon samalta alueelta, ja Oliver pääsi kouluun, jossa hän menestyi erinomaisesti luonnontieteissä ja sai mitalin vuoden 1865 kokeissa. Hänen koulunkäyntinsä oli kuitenkin lopetettava seuraavana vuonna. Loput hänen älyllisestä koulutuksestaan oli itseopiskelua, ja hän näyttää olleen ahkera ja innokas yleisissä kirjastoissa kävijä. Häntä viehättivät erityisesti tieteelliset teokset, ja niinpä hän syventyi Newtonin ja Laplacen tutkielmiin.

Lue myös, elamakerrat – Francisco Franco

Kypsyys

Koska hän ei voinut opiskella yliopistossa, hänen oli mentävä töihin. Vuonna 1867 hän muutti Newcastleen, jossa hän aloitti työelämänsä sähkösähköttäjänä. Tämä hänen myöhemmälle uralleen niin ratkaiseva suuntautuminen johtui perheolosuhteista. Hänen äitinsä vanhempi sisar Emma West oli mennyt naimisiin Charles Wheatstonen kanssa, joka oli yhdessä W. F. Cooken kanssa keksinyt lennätinjärjestelmän, joka teki hänestä rikkaan ja vaikutusvaltaisen. Oliverin vanhemmasta veljestä Arthur W. Heavisidesta tuli setänsä assistentti, ja hänestä tuli Newcastlen paikallisen lennätinyhtiön johtaja; hän päätyi tärkeään virkaan postivirastossa. Oliver puolestaan aloitti veljensä apulaisena, ja syksyllä 1868 hänet määrättiin Newcastlen ja Tanskan välisen uuden merenalaisen kaapelin johtoon ensin operaattoriksi ja sitten sähköasentajaksi, mikä oli tuolloin nimitys uusimman ja mielenkiintoisimman sähkötekniikan asiantuntijoille. Seuraavat vuodet Oliver vietti työpajoissa ja linjan kunnossapidosta vastaavilla laivoilla, jotka olivat etuoikeutettuja paikkoja, joissa kokeiltiin ja analysoitiin kaikkia jatkuvasti esiin nousevia uusia ilmiöitä ja ongelmia. Tänä aikana hän jatkoi fysiikan tutkimista sekä teoreettisesti että kokeellisesti.

Toukokuussa 1874 hän jätti työnsä Newcastlessa ja palasi vanhempiensa kotiin Lontooseen sekä terveydellisistä syistä (hän kärsi eräänlaisesta pseudoepileptisestä kohtauksesta) että halusta omistautua yksinomaan opiskelulle ja tutkimukselle. Hän ei enää koskaan saanut säännöllistä palkkatyötä, ellei sellaiseksi katsota satunnaista kolumnistin työtä, josta hän sai niukan tuoton. Hän hylkäsi kaikki veljensä ja muiden hänelle tarjoamat työllistymismahdollisuudet ja valitsi äärimmäisen ankaran elämäntavan vastineeksi täydellisestä vapaudesta tutkimustyössään. ”Synnyin luonnolliseksi filosofiksi, en levottomaksi insinööriksi enkä ”käytännön ihmiseksi” kaupallisessa mielessä”, hän luonnehti itseään elämänsä lopussa. Monilla hänen teoreettisilla panoksillaan oli tärkeitä käytännön sovelluksia, mutta hän ei koskaan pyrkinyt saamaan niistä taloudellista hyötyä (luultavasti seuraten Faradayn, yhden hänen esikuvistaan, jalanjälkiä), huolimatta ajan keksintökohusta ja siitä seuranneesta patentoinnista, mukaan lukien hänen Wheatstone-setänsä läheinen esimerkki.

Lue myös, elamakerrat – Edvard III

Viimeiset vuodet

Vuoden 1900 jälkeen Heavisiden tieteellinen toiminta väheni määrällisesti ja laadullisesti tuntuvasti, ja se käytännössä loppui vuonna 1906, vaikka hänen viimeinen kirjansa julkaistiin vuonna 1912. Yksi tärkeimmistä syistä olivat hänen jatkuvan sairautensa aiheuttamat ongelmat.

Oliver ja hänen vanhempansa muuttivat syyskuussa 1889 asumaan veljensä Charlesin luo, jolla oli soitinliike Paingtonissa Devonshiressä, ja hän seurasi näin toista Wheatstonen, joka oli myös keksinyt konserttin, aloittamaa perheen toimintalinjaa. Vanhempiensa kuoltua vuosina 1894 ja 1896 Oliver muutti vuonna 1897 omakotitaloon maaseudulle lähelle Newton Abbotia ja lähelle Paingtonia, mutta kokemus ei ollut kovin tyydyttävä, ja vuonna 1908 hän palasi asumaan vuokralaiseksi Torquayhin, jossa hän kuoli vuonna 1925 vietettyään yhä yksinäisempää ja omalaatuisempaa elämää.

Lue myös, historia-fi – Lontoon pommitukset

Kunniamaininnat ja palkinnot

Eremitistisestä elämästään huolimatta Heavisiden julkaistut työt ja hänen vaikutusvaltaisten ystäviensä toiminta toivat hänelle paljon tunnustusta, vaikka hän ei näyttänyt arvostavan sitä. Erityisen huomionarvoisia ovat seuraavat:

J. Perryn, G. F. FitzGeraldin, O. Lodgen ja muiden ystävien ponnistelut ja ponnistelut onnistuivat varmistamaan Heavisidelle virallisen 120 punnan vuosieläkkeen vuonna 1896 (joka korotettiin 220 puntaan vuonna 1914), jonka hän lopulta hyväksyi kieltäydyttyään kaksi vuotta aiemmin Royal Societyn tieteellisen apurahaston (Scientific Relief Fund of the Royal Society) toisesta avustuksesta, jota hallinnoitiin samalla tavalla, sillä perusteella, että se oli ”hyväntekeväisyyttä”.

Lue myös, taistelut – Ramilliesin taistelu

Alku

Hänen ensimmäinen julkaistu artikkelinsa on heinäkuulta 1872, ja se ilmestyi English Mechanic -lehdessä nimimerkillä ”O.”; se käsitteli Heavisiden vuonna 1870 keksimää sähkömotoristen voimien vertailumenetelmää. Helmikuussa 1873 hän julkaisi ensimmäisen artikkelinsa Philosophical Magazine -lehdessä, joka oli tuon ajan tärkein fysiikan aikakauslehti. Tällä kertaa se käsitteli Wheatstonen sillan optimointia. Kyseessä on mittauslaite, joka on hyvin tunnettu lennätintutkijoiden ja fyysikoiden käytännössä, mutta jolle ei siihen asti ollut löydetty tiukkaa matemaattista käsittelyä. Tämä artikkeli toi hänet aikansa merkittävimpien tieteellisten vaikuttajien, kuten lordi Kelvinin ja Maxwellin, tietoisuuteen. Monet Heavisiden älyllisistä piirteistä ovat jo läsnä tässä teoksessa, mukaan luettuna se perustavanlaatuinen piirre, että hän sovelsi tehokkaita matemaattisia menetelmiä käytännön ongelmien ratkaisemiseen (jopa Kelvin piti ilmeisesti hänen algebraansa vaikeana).

Seuraavien neljänkymmenen vuoden aikana Heaviside tuotti keskeytymättömästi artikkeleita, jotka ilmestyivät pääasiassa aikakauslehdissä, kuten The Electrician, Philosophical Magazine ja Nature, yhteensä yli kolmetuhatta tiivistä sivua. Nämä artikkelit julkaistiin sitten säännöllisesti kirjoina, jotka muodostavat kirjallisuusluettelossa luetellut teokset.

Lue myös, elamakerrat – Arkhimedes

Signaalin siirtolinjan teoria

Heavisiden varhaisen tutkimuksen keskeinen aihe oli signaalien eteneminen lennätinlinjoilla, erityisesti niiden vääristymät, joita ne kärsivät kulkiessaan maanalaisia tai merenalaisia kaapelilinjoja pitkin. Ilmiö oli tullut ajankohtaiseksi vuonna 1853, kun Latimer Clark havaitsi sen ensimmäisen kerran englantilais-hollantilaisella radalla ja toi sen Faradayn tietoon, joka tutki sitä ja piti sitä todisteena omille ajatuksilleen sähkömagneettisesta kentästä, erityisesti ”virtojen poikittaisvaikutuksista” (Experimental Researches in Electricity, vol. III, s. 508). Kaikki tämä kyseenalaisti suunnitellun transatlanttisen kaapelin toteuttamiskelpoisuuden, sillä kaapelin pituus oli aiemmin ennenkuulumaton. Vuonna 1855 lordi Kelvin kehitti sähköisen lennättimen teorian, jossa hän yhdisti Faradayn ajatukset Fourierin yhtälöihin lämmön diffuusiosta kiinteässä kappaleessa ja päätyi siihen, että signaalien viive johtui kaapelin resistanssin ja kapasitanssin yhdistelmästä, jotka kasvoivat kaapelin pituuden neliön myötä. Tämä oli väistämätön ilmiö, joka rajoitti lähetysnopeutta, mutta joka voitiin voittaa, jos kaapeleiden sähköisiin ominaisuuksiin kiinnitettiin asianmukaista huomiota ja käytettiin hyvin erityisiä lähetys- ja vastaanottolaitteita sekä huolellisesti valittuja lähetystekniikoita. Näitä näkökohtia ei kuitenkaan aluksi hyväksytty varauksetta (kuten myöhemmin tehtiin), ja kaapeli laskettiin vuonna 1858. Sen ensimmäinen toiminta oli kuitenkin pettymys, ja se muuttui käyttökelvottomaksi jo kuukauden käytön jälkeen, mikä osoitti vain Kelvinin ideoiden oikeellisuuden, ja hänen tehtäväkseen jäi suunnitella ja käyttää uutta, vuonna 1866 valmistunutta linjaa, joka oli menestys.

Heaviside sovelsi Kelvinin teoriaa omiin kokemuksiinsa englantilais-tanskalaisesta kaapelista ja julkaisi siitä vuosina 1874-1889 sarjan artikkeleita, joiden tuloksena teoriaa laajennettiin siten, että se sisälsi kaksi uutta tekijää, joita ei ollut aiemmin otettu huomioon: linjahäviöt (joita Heaviside, joka ei säästeli lainkaan neologismien luomisessa, kutsui nimellä leakance, joka oli tarkoitus kääntää fugance- tai perditance-nimellä) ja ennen kaikkea itseinduktio. Näin hän täydensi ja oikaisi alkuperäistä teoriaa muotoilemalla sen, joka tunnettiin pitkään nimellä ”Heaviside-yhtälö” tai ”sähkösähköttäjän yhtälö”, joka antaa jännitteen (v) hetkellisen arvon missä tahansa linjan pisteessä (x) linjan sähköisten ominaisuuksien resistanssin (k), kapasitanssin (c) ja induktanssin (s) funktiona:

Kun itseinduktio otetaan huomioon, sähkövirta ei enää yksinkertaisesti leviä linjaa pitkin, kuten edellisessä konseptissa, vaan aiheuttaa sarjan alkuvärähtelyjä, kunnes saavutetaan vakaa tila. Signaalien eteneminen, jopa kaapeleitse, liittyi siten lopullisesti sähkömagneettisiin aaltoihin.

Vuonna 1887 Heaviside esitti ajatuksen siitä, että signaalin siirtojohdon sähköiset parametrit voidaan yhdistää siten, että kaikki vääristymät voidaan poistaa, eli että vaikka koko signaali vaimentuu, kaikki sen osat taajuudet vaimenevat samassa suhteessa. Tämä oli välttämätöntä uuden puhelinliikenteen kannalta, jopa enemmän kuin lennätinliikenteen kannalta. Muut (kuten Silvanus P. Thompson, J. S. Stone ja A. K. Erlang) hankkivat tältä pohjalta lukuisia patentteja, mutta sen toteuttaminen vaati huomattavia lisäponnisteluja, ja se onnistui vasta G. A. Campbellin ja Michael I. Pupinin myötävaikutuksella vuoden 1900 tienoilla (J. S. Stone ja A. K. Erlang pyysivät siihen mukaan). Pupin noin vuonna 1900 (ns. ”latauskelat”).

Vaikka Gustav Kirchhoff oli sisällyttänyt itseinduktion pitkien linjojen teoriaan jo vuonna 1857, hänen ehdotuksellaan ei ollut vaikutusta. Heavisidesta tuli sen sijaan sen apostoli. ”Itseinduktio on pelastus”, hän sanoi vuonna 1897 (ja vielä vuonna 1904: ”Jos rakkaus on se, mikä liikuttaa maailmaa, itseinduktio on se, mikä liikuttaa aaltoja sen läpi”). (Sähkömagneettinen teoria, osa 3, s. 194). Tämä kanta törmäsi suoraan insinööri W. H. Preeceen, josta tuli Britannian lennätin- ja puhelinpalvelun (Post Office) ylin johtaja, joka oli sitä primitiivistä näkemystä, että itseinduktio oli aina haitallista tietoliikennelinjalla ja että se olisi minimoitava. Vastakkainasettelu kesti Preece”n kuolemaan asti ja maksoi Heavisidelle paljon surua.

Lue myös, elamakerrat – Ferdinand III (keisari)

Maxwellilaisuus

Maxwellin sähköä ja magnetismia käsittelevän tutkielman ensimmäinen painos julkaistiin vuonna 1873, ja Heaviside tutki sitä välittömästi ja oli syvästi vaikuttunut sen sisällöstä, vaikkei hän aluksi ymmärtänytkään sen uutuutta (kuten useimmat aikalaislukijat), erityisesti kun se liittyi sähkömagneettisiin aaltoihin ja niiden etenemiseen väliaineessa (eetteri dielektrisenä aineena). Myös käytetty matemaattinen laite, joka perustui kvaternioihin, ylitti hänen silloiset kykynsä. Siksi hän omisti useita vuosia sen perusteelliselle tutkimiselle ja alkoi vuonna 1876 siteerata sitä omissa teoksissaan. Maxwellin varhainen kuolema vuonna 1879 oli radikaali muutos olosuhteissa, sillä mestarin ei enää voitu odottaa osallistuvan teorian kehittämiseen, joka kaipasi kipeästi panosta ja jota piti tehdä tunnetuksi yleisölle. Heaviside otti tämän tehtävän hoitaakseen, ja omien sanojensa mukaan hän alkoi tietoisesti toteuttaa sitä jo vuonna 1882. Mutta hän ei tyytynyt toistamaan Treatisen sisältöä ”pyhänä tekstinä” (J. J. Thomson meni niin pitkälle, että kutsui Heavisidea ”luopio-Maxwellilaiseksi”), vaan muokkasi, jalosti ja laajensi sitä, minkä tuloksena syntyi se, minkä nykytiede tuntee Maxwellin teoriana. Nykyään puhutaan usein itsestäänselvyytenä ”Maxwellin neljästä yhtälöstä”, mutta on syytä tietää, että tutkielman sisältämien yhtälöiden todellinen määrä on kolmetoista. Lopullinen synteesi ja teoreettinen selvennys, jota nämä neljä yhtälöä edustavat, on Heavisiden ja Hertzin ensin itsenäisen ja sitten yhteisen työn ansiota.

Maxwellin teorian omaksumisessa, uudelleenkäsittelyssä ja levittämisessä Heaviside teki ratkaisevaa yhteistyötä muiden englantilaisten fyysikoiden kanssa, joita on kutsuttu ”Maxwellilaisiksi”, lähinnä G. F. FitzGerald ja O. Lodge alkuvuosina, myöhemmin J. Larmor liittyi heihin, vaikkakin Heavisiden suhde jälkimmäiseen ei ollut yhtä sopusointuinen kuin muiden kanssa.

Vaikka Heaviside osallistui siihen, hän ei pitänyt Maxwellin teoriaa täydellisenä tai viimeisenä sanana. Hän ei edes pitänyt Hertzin vuosina 1886-1888 tekemiä kokeita kiistattomana todisteena sen oikeellisuudesta. Eetterin liikkeen ja sen käsitteen aiheuttamat ongelmat olivat todisteena siitä, ja lisäkomplikaationa oli elektronin kasvava teoreettinen rooli 1800-luvun viimeisinä vuosina sekä sen kokeelliset vahvistukset, jotka pakottivat muuttamaan Maxwellin käsitteitä varauksesta ja virrasta. Heaviside oli aktiivinen kenttäyhtälöiden laajentamisessa koskemaan liikkuvia varauksia (elektroneja), ja hän esitti joitakin ensimmäisistä täydellisistä ratkaisuista.

Lue myös, elamakerrat – Simone Martini

Matemaattiset välineet

Fyysisten suureiden symbolinen esittäminen suuntautuneesti oli hidas vakiintumisprosessi, jota toteutettiin koko 1800-luvun ajan, alkaen tasoon sovellettavista kompleksiluvuista. Niiden yleistäminen avaruuteen oli luonnollisesti vielä vaikeampaa. Tällainen oli W. R. Hamiltonin kvaternioniteorian tarkoitus. Sähkömagnetismin tutkimuksessa on tärkeää, että avaruusvektoreiden käsittelyyn on olemassa tiivis ja tehokas merkintätapa, ja Maxwell oli käyttänyt kvaternioita, mutta usein yksinkertaistettuna. Heavisiden pedagogisiin ja systematisoiviin tarkoituksiin tämä ei riittänyt, joten hän kehitti vektorianalyysin itsenäiseksi algebraksi, joka on muotoiltu sähkömagneettisen teorian III luvussa nykyisessä muodossaan. Se sisältää myös syyt siihen, miksi hän hylkäsi kvaternionisen teorian, josta hän kävi kiivaita kiistoja sen tärkeimmän esittelijän ja puolustajan P. G. Taitin kanssa uransa loppuun asti. Joka tapauksessa vektorilaskenta oli käytännössä tuntematon aikansa insinööreille ja fyysikoille (Heaviside joutui opettamaan sen Hertzille), mikä osaltaan teki Heavisiden kirjoituksista vaikeasti ymmärrettäviä hänen ponnekkaista pedagogisista ponnisteluistaan huolimatta siinä määrin, että hänen ystävänsä Lodge kuvaili niitä paitsi vaikeiksi, jopa ”eksentrisiksi ja joissain suhteissa vastenmielisiksi”.

Hän oli myös yksi myöhemmin tekniikassa niin hyödyllisen operaattorilaskennan, operaattorilaskennan tai operaatiolaskennan, luojista, jonka kehittämiseen ja esittämiseen hän omisti suuren osan toiminnastaan vuosina 1894-1898 ja joka on koottu sähkömagneettisen teorian toiseen niteeseen. Vaikka menetelmä yleistyi vasta hänen kuolemansa jälkeen, sitä on pidetty yhtenä kolmesta suuresta matemaattisesta edistysaskeleesta 1800-luvun viimeisellä neljänneksellä.

Heaviside piti matematiikkaa kokeellisena tieteenä ja halveksi akateemisia ”puhtaita matemaatikkoja”. Hänen matematiikassaan ei ollut kyse demonstraatioista tai olemassaoloteorioista vaan sellaisten fysikaalisten ongelmien ratkaisemisesta, joiden funktionaaliset suhteet ovat yksinkertaisia eivätkä vaadi kaikkien abstraktien mahdollisuuksien tyhjentävää analyysia. Sanomattakin on selvää, että ammattimatemaatikkojen mielipide hänestä ja hänen menetelmistään ei ollut vastaavasti kovin hyvä.

lähteet

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. (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)
11. 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
12. a et b (en) Bruce J. Hunt, The Maxwellians, Cornell University Press, 1991 (ISBN 978-0-8014-8234-2), p. 60
13. 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