Оливър Хевисайд
gigatos | март 31, 2022
Резюме
Оливър Хийвисайд (18 май 1850 г., Лондон, Англия – 3 февруари 1925 г., Торки, Англия) е английски физик, електроинженер, радиограф и математик. Хийвисайд въвежда комплексните числа в анализа на електрическите вериги, изобретява нова техника за решаване на диференциални уравнения (еквивалентна на трансформацията на Лаплас), самостоятелно разработва векторното смятане и пренаписва уравненията на Максуел в широко използвания днес формат. Той значително повлиява на разбирането и прилагането на уравненията на Максуел през десетилетията след смъртта му. Формулировката му на телеграфните уравнения има търговско значение още приживе, въпреки че дълго време остава незабелязана, тъй като тогава малцина са запознати с новата му методология. Въпреки че отношенията му с научните среди са сложни през по-голямата част от живота му, Хевисайд променя облика на телекомуникациите, математиката и науката.
Деца и младежи
Оливър е четвъртото дете в семейството на Томас Хевисайд и Рейчъл Уест. Баща му е талантлив гравьор на дърво, но занаятът му вече страда от конкуренцията на зараждащите се фотографски техники, а семейството винаги изпитва недостиг на пари. Майката създава нещо като малко училище за млади дами в къщата им под наем в Камдън Таун, за да печели повече приходи. Атмосферата в семейството сигурно е била напрегната и мрачна. Ситуацията в случая на Оливър се усложнява от факта, че като дете той страда от скарлатина, в резултат на която почти оглушава. Това затруднява отношенията му с другите, особено с другите момчета, и вероятно е в основата на мрачния и затворен характер, който проявява до края на живота си, въпреки че по-късно в юношеството си възстановява до голяма степен слуха си.
Завещанието, получено през 1863 г., означава значително финансово подобрение за семейството. Семейство Хейвизид се премества в по-добро жилище в същия квартал и Оливър може да посещава училище, където се отличава с успех в областта на природните науки и печели медал на изпитите през 1865 г. Но обучението му трябва да приключи през следващата година. Останалата част от интелектуалната му подготовка е самостоятелна и изглежда, че той е бил усърден и страстен посетител на обществените библиотеки. Особено го привличат научните трудове и затова се задълбочава в трактатите на Нютон и Лаплас.
Зрялост
Не може да учи в университет и трябва да работи. През 1867 г. се премества в Нюкасъл, където започва професионалния си живот като телеграфист. Тази ориентация, толкова решаваща за по-нататъшната му кариера, е резултат от семейните обстоятелства. По-голямата сестра на майка му, Ема Уест, се омъжва за Чарлз Уитстоун, изобретател на телеграфна система заедно с У. Ф. Кук, което го прави богат и влиятелен. По-големият брат на Оливър, Артър У. Хевисайд, става асистент на чичо си, а след това ръководи местната телеграфна компания в Нюкасъл; в крайна сметка той заема важен пост в пощенската служба. Оливър започва работа като асистент на брат си и през есента на 1868 г. е назначен за оператор на новия подводен кабел, прокаран между Нюкасъл и Дания, първо като оператор, а след това и като електротехник – името, което тогава се дава на специалистите в най-новата и най-интересна област на електротехниката. Следващите години Оливър прекарва в работилниците и на борда на корабите, отговарящи за поддръжката на линията – привилегировани места, където се експериментират и анализират всички аспекти на непрекъснато възникващите нови явления и проблеми. През това време той продължава да изучава самостоятелно физиката, както теоретично, така и експериментално.
През май 1874 г. той напуска работата си в Нюкасъл и се връща в дома на родителите си в Лондон както по здравословни причини (страда от псевдоепилептичен пристъп), така и поради желанието да се посвети изключително на обучение и изследвания. Никога повече не е имал редовна платена работа, освен ако не се смята за такава спорадичната работа на колумнист, която му е носела мизерна печалба. Той отхвърля всички възможности за работа, които брат му и други хора му предлагат, и избира изключително суров начин на живот в замяна на пълна свобода за своите изследвания. „Роден съм като естествен философ, а не като неспокоен инженер или „практичен човек“ в търговския смисъл на думата“, казва той за себе си в края на живота си. Много от теоретичните му приноси имат важни практически приложения, но той никога не се опитва да получи финансова възвръщаемост от тях (вероятно следвайки стъпките на Фарадей, един от своите идоли), въпреки изобретателския фурор и последващото патентоване по онова време, включително близкия пример на чичо му Уитстоун.
Последни години
След 1900 г. научната дейност на Хевисайд намалява чувствително като количество и качество, като на практика спира през 1906 г., въпреки че последната му книга е публикувана през 1912 г. Една от основните причини за това са проблемите, причинени от постоянното му лошо здраве.
През септември 1889 г. Оливър и родителите му отиват да живеят при брат му Чарлз, който има магазин за музикални инструменти в Пейнгтън, Девъншир, следвайки още една от семейните линии на работа, започната от Уитстоун, който е изобретил и концертината. След смъртта на родителите си през 1894 г. и 1896 г. Оливър се премества през 1897 г. в самостоятелна къща в провинцията близо до Нютон Абът и недалеч от Пейнгтън, но опитът не е много задоволителен и през 1908 г. се връща да живее като квартирант в Торки, където умира през 1925 г., след като води все по-самотен и ексцентричен живот.
Почести и отличия
Въпреки еремитския си живот, публикуваните трудове на Хевисайд и дейността на влиятелните му приятели му донесоха голямо признание, въпреки че той изглежда не го оценяваше. Особено внимание заслужава следното:
Усилията и постъпките на Дж. Пери, Г. Ф. Фицджералд, О. Лодж и други приятели успяват да осигурят за Хевисайд официална пенсия от 120 лири стерлинги годишно през 1896 г. (увеличена на 220 лири стерлинги през 1914 г.), която той в крайна сметка приема, след като две години по-рано отказва друга субсидия от Научния фонд за подпомагане на Кралското дружество, управляван по същия начин, с мотива, че това е „благотворителност“.
Начала
Първата му публикувана статия е от юли 1872 г. и се появява в English Mechanic под подписа „O.“; тя се отнася до метод за сравняване на електродвижещите сили, открит от Хевисайд през 1870 г. През февруари 1873 г. той публикува първата си статия във Philosophical Magazine, най-важното списание за физика по онова време. Този път тя се занимава с оптимизирането на моста на Уитстоун – измервателен уред, добре познат в практиката на телеграфистите и физиците, но който до този момент не е намерил строга математическа обработка. Благодарение на тази статия той попада в полезрението на най-важните научни личности по онова време, като лорд Келвин и Максуел. Много от интелектуалните черти на Хевисайд вече присъстват в тази работа, включително фундаменталната – прилагането на мощни математически методи за решаване на практически проблеми (дори Келвин очевидно е намирал неговата алгебра за трудна).
През следващите четиридесет години Хевисайд създава непрекъснат поток от статии, които се появяват главно в периодични издания като „Електрик“, „Философско списание“ и „Природа“, с общ обем над три хиляди плътни страници. След това тези материали бяха редовно публикувани в книги и съставляваха произведенията, изброени в библиографията.
Теория на линиите за предаване на сигнали
Основният предмет на ранните изследвания на Хевисайд е разпространението на сигналите по телеграфни линии, особено изкривяването, което те претърпяват при преминаването си по подземни или подводни кабелни линии. Феноменът става актуален през 1853 г., когато Латимър Кларк го наблюдава за първи път на англо-холандската линия и го довежда до знанието на Фарадей, който го изучава и го смята за доказателство на собствените си идеи за електромагнитното поле, по-специално за „напречните ефекти на токовете“ (Experimental Researches in Electricity, том III, стр. 508). Всичко това поставя под въпрос самата осъществимост на планирания трансатлантически кабел, който дотогава е бил нечуван по своята дължина. През 1855 г. лорд Келвин разработва теория на електрическия телеграф, в която съчетава идеите на Фарадей с уравненията на Фурие за разпространението на топлината в твърдо тяло, като стига до заключението, че забавянето на сигналите се дължи на комбинацията от съпротивлението и капацитета на кабела, които нарастват с квадрата на дължината на кабела. Това е неизбежно явление, което ограничава скоростта на предаване, но което може да бъде преодоляно, ако се обърне необходимото внимание както на електрическите характеристики на кабелите, така и на използването на много специална апаратура за предаване и приемане, заедно с внимателно подбрани техники за предаване. Първоначално обаче тези съображения не са приети безрезервно (както по-късно) и кабелът е положен през 1858 г. Първоначалната ѝ експлоатация обаче е разочароваща и тя става неизползваема само след един месец работа, като служи само за демонстрация на правилността на идеите на Келвин и той е оставен да проектира и експлоатира нова линия, завършена през 1866 г., която е успешна.
Хевисайд прилага теорията на Келвин към собствения си опит с англо-датския кабел и публикува поредица от статии по нея между 1874 и 1889 г., в резултат на което тя е разширена, за да включи два нови фактора, които дотогава не са били взети предвид: загубите по линията (които Хевисайд, без да се пести в създаването на неологизми, нарича leakance, което е трябвало да бъде преведено като fugance или perditance) и най-вече самоиндукцията. По този начин той допълва и коригира първоначалната теория, формулирайки това, което дълго време е известно като „уравнението на Хевисайд“ или „уравнението на телеграфиста“, което дава моментната стойност на напрежението (v) във всяка точка (x) на линията като функция на нейните електрически характеристики съпротивление (k), капацитет (c) и индуктивност (s):
Когато се вземе предвид самоиндукцията, електрическият ток вече не се разпространява просто по линията, както при предишната концепция, а предизвиква серия от първоначални колебания до достигане на стабилно състояние. По този начин разпространението на сигнала, дори по кабел, е окончателно свързано с електромагнитните вълни.
През 1887 г. Хевисайд формулира идеята, че е възможно да се комбинират електрическите параметри на линия за предаване на сигнали по такъв начин, че да се елиминират всички изкривявания, т.е. въпреки че целият сигнал ще бъде затиснат, всички негови съставни честоти ще бъдат затиснати в същото съотношение. Това е от съществено значение за новите телефонни комуникации, дори повече, отколкото за телеграфните комуникации. На тази основа са издадени множество патенти от други лица (като Силванус П. Томпсън, Дж. С. Стоун и А. К. Ерланг), но прилагането му изисква значителни допълнителни усилия и е успешно реализирано едва след приноса на Г. А. Кембъл и Майкъл И. Пупин около 1900 г. (с призиви от Дж. С. Стоун и А. К. Ерланг). Pupin около 1900 г. (с така наречените „зареждащи намотки“).
Въпреки че Густав Кирхоф включва самоиндукцията в теорията на дългите линии още през 1857 г., предложението му не оказва влияние. Вместо това Хевисайд става негов апостол. „Самоиндукцията е спасение“, казва той през 1897 г. (и още през 1904 г.: „Ако любовта е това, което движи света, то самоиндукцията е това, което движи вълните през него“. (Електромагнитна теория, том 3, стр. 194). Тази позиция се сблъсква директно с позицията на инженер У. Х. Прейс, който става висш ръководител на британската телеграфна и телефонна служба (Post Office), който се придържа към примитивното мнение, че самоиндукцията винаги е вредна за комуникационната линия и трябва да бъде сведена до минимум. Конфронтацията продължава до смъртта на Прейс и струва на Хевисайд немалко огорчение.
Максвелианство
Първото издание на „Трактат за електричеството и магнетизма“ на Максуел е публикувано през 1873 г. Хевисайд го изучава веднага и е дълбоко впечатлен от съдържанието му, въпреки че първоначално не разбира новостите в него (както повечето съвременни читатели), особено що се отнася до електромагнитните вълни и тяхното разпространение през средата (етерът като диелектрик). Използваният математически апарат, базиран на кватерниони, също е извън неговите възможности по онова време. Поради това той посвещава няколко години на задълбоченото му изучаване и през 1876 г. започва да го цитира в собствената си работа. Ранната смърт на Максуел през 1879 г. е радикална промяна в обстоятелствата, тъй като от учителя вече не може да се очаква да допринася за една теория, която има голяма нужда от принос и от оповестяване пред обществеността. Хевисайд се заема с тази задача и, както сам признава, съзнателно започва да я изпълнява още през 1882 г. Но той не се ограничава само с повторение на съдържанието на трактата като „свещен текст“ (Дж. Джей Томсън стига дотам да нарече Хевисайд „отстъпник от Максуел“), а го преработва, усъвършенства и разширява, в резултат на което днешната наука познава теорията на Максуел. Днес често се говори за „четирите уравнения на Максуел“, но е добре да се знае, че истинският брой на уравненията, съдържащи се в трактата, е тринадесет. Окончателният синтез и теоретичното изясняване, представени от четирите уравнения, се дължат на работата, първо независимо, а след това съвместно, на Хевисайд и Херц.
При усвояването, преработването и разпространението на Максвелианската теория Хевисайд получава решаващото съдействие на други английски физици, които са наречени „Максвелианците“, най-вече Г. Ф. Фицджералд и О. Лодж през първите години, към които по-късно се присъединява и Дж.Лармор, въпреки че отношенията на Хевисайд с последния са по-малко хармонични, отколкото с останалите.
Въпреки участието си в нея, Хевисайд не смята, че теорията на Максуел е завършена или има последната дума. Той дори не смята експериментите на Херц от 1886-1888 г. за неопровержимо доказателство за неговата правилност. Проблемите, породени от движението на етера и самата му концепция, го доказват, а допълнително усложнение е нарастващата теоретична роля на електрона през последните години на XIX век, заедно с експерименталните му потвърждения, което налага промяна на максуелианските концепции за заряд и ток. Хевисайд се занимава активно с разширяване на уравненията на полето за подвижни заряди (електрони) и дава някои от първите пълни решения.
Математически инструменти
Символичното представяне на физическите величини, на които е придадена ориентация, е процес на бавно утвърждаване, който се извършва през целия XIX век, като се започне с комплексните числа, приложими в равнината. Естествено, обобщаването им в пространството е още по-трудно. Такава е целта на теорията на кватернионите на У. Р. Хамилтън. При изучаването на електромагнетизма е от съществено значение да има кратък и ефективен запис за работа с пространствени вектори, а Максуел е използвал кватерниони, но често в опростена форма. За педагогическите и систематизиращите цели на Хевисайд това не е било достатъчно, затова той разработва векторния анализ като самостоятелна алгебра, формулирана в днешния си вид в глава III от Електромагнитната теория. В него се съдържат и причините за отхвърлянето на кватернионната теория – тема, по която той води ожесточени спорове с П. Г. Тейт, нейния основен тълкувател и защитник, до края на кариерата си. Във всеки случай векторното смятане е практически непознато на инженерите и физиците от онова време (Хевисайд е трябвало да го преподава на Херц), което допринася за трудното разбиране на трудовете на Хевисайд, независимо от усилените му педагогически усилия, до такава степен, че неговият приятел Лодж ги описва не само като трудни, но дори като „ексцентрични и в някои отношения отблъскващи“.
Той е и един от създателите на смятането с помощта на оператори, операционното смятане или операционното смятане, толкова полезно по-късно в инженерството, на чието разработване и излагане посвещава голяма част от дейността си от 1894 до 1898 г., събрана във втория том на „Електромагнитна теория“. Въпреки че методът получава широко разпространение едва след смъртта му, той се смята за едно от трите най-големи математически постижения на последната четвърт на XIX век.
Хевисайд възприема математиката като експериментална наука и презира академичните „чисти математици“. Неговата математика не се занимаваше с демонстрации или теореми за съществуване, а с решаването на физически проблеми, чиито функционални връзки са прости и не изискват изчерпателен анализ на всички абстрактни възможности. Излишно е да казвам, че мнението за него и методите му сред професионалните математици съответно не беше много добро.
Източници
