Oliver Heaviside
gigatos | marts 5, 2022
Resumé
Oliver Heaviside (London, England, 18. maj 1850 – Torquay, England, 3. februar 1925) var en engelsk fysiker, elektroingeniør, radiograf og matematiker. Heaviside indførte komplekse tal i kredsløbsanalyse, opfandt en ny teknik til løsning af differentialligninger (svarende til Laplace-transformationen), udviklede uafhængigt vektorberegning og omskrev Maxwells ligninger i det format, der almindeligvis anvendes i dag. Han var afgørende for den måde, Maxwells ligninger blev forstået og anvendt på i årtierne efter Maxwells død. Hans formulering af telegrafligningerne var kommercielt relevant i hans egen levetid, selv om de i lang tid gik ubemærket hen, fordi kun få kendte hans nye metode. Selv om hans forhold til det videnskabelige establishment var kompliceret i det meste af hans liv, omformede Heaviside telekommunikation, matematik og videnskab på ny.
Læs også, biografier-da – Alexandre Dumas den ældre
Børn og unge
Oliver var det fjerde barn i familien af Thomas Heaviside og Rachel West. Hans far var en dygtig trægraver, men hans håndværk led allerede under konkurrencen fra den spirende fotografiske teknik, og familien manglede altid penge. Moderen oprettede en slags lille skole for unge damer i deres lejede hus i Camden Town for at tjene mere indkomst. Atmosfæren i familien må have været anspændt og dyster. Situationen blev kompliceret i Olivers tilfælde af, at han som barn led af skarlagensfeber, som gjorde ham næsten døv. Det gjorde det svært for ham at relatere til andre, især de andre drenge, og det var sandsynligvis grunden til den modvillige og tilbagetrukne karakter, han havde resten af sit liv, selv om han fik meget af sin hørelse tilbage senere i ungdomsårene.
En arv, der blev modtaget i 1863, betød en markant økonomisk forbedring for familien. Heavisides flyttede til en bedre bolig i samme kvarter, og Oliver kunne gå i skole, hvor han udmærkede sig i naturvidenskab og vandt en medalje ved eksamenerne i 1865. Men hans skolegang måtte slutte det følgende år. Resten af hans intellektuelle uddannelse var autodidakt, og han synes at have været en flittig og ivrig besøgende på offentlige biblioteker. Han var især tiltrukket af videnskabelige værker og dykkede derfor dybt ned i Newtons og Laplaces afhandlinger.
Læs også, civilisationer-da – Huset Savoyen
Modningstid
Da han ikke kunne gå på universitetet, måtte han arbejde. I 1867 flyttede han til Newcastle, hvor han begyndte sit arbejdsliv som telegrafist. Denne orientering, som var så afgørende for hans senere karriere, var et resultat af familieforhold. Hans mors storesøster, Emma West, havde giftet sig med Charles Wheatstone, der sammen med W.F. Cooke var medopfinder af et telegrafisystem, som gjorde ham rig og magtfuld. En af Olivers ældre brødre, Arthur W. Heaviside, blev assistent for sin onkel og blev derefter leder af det lokale telegrafistselskab i Newcastle; han endte med at få en vigtig post i postvæsenet. Oliver begyndte som sin brors assistent og blev i efteråret 1868 sat til at drive det nye søkabel, der blev lagt mellem Newcastle og Danmark, først som operatør og derefter som elektriker, som man dengang kaldte specialister i den nyeste og mest interessante af alle elektriske teknikker. De følgende år tilbragte Oliver på værkstederne og om bord på de skibe, der stod for vedligeholdelsen af linjen, privilegerede steder, hvor alle aspekter af de nye fænomener og problemer, der hele tiden dukkede op, blev eksperimenteret og analyseret. I denne periode fortsatte han med at studere fysik på egen hånd, både teoretisk og eksperimentelt.
I maj 1874 forlod han sit job i Newcastle og vendte tilbage til sine forældres hjem i London, både af helbredsmæssige årsager (han led af en slags pseudo-epileptisk anfald) og af et ønske om udelukkende at hellige sig studier og forskning. Han fik aldrig mere et fast lønnet job, medmindre man betragter det sporadiske job som klummeskribent, som gav ham et ringe afkast. Han afviste alle de jobmuligheder, som hans bror og andre tilbød ham, og valgte en ekstremt streng levevis til gengæld for total frihed til sin forskning. “Jeg blev født som en naturlig filosof, ikke som en rastløs ingeniør eller en ”praktisk mand” i handelsmæssig forstand”, karakteriserede han sig selv ved slutningen af sit liv. Mange af hans teoretiske bidrag havde vigtige praktiske anvendelser, men han søgte aldrig at tjene penge på dem (sandsynligvis i fodsporene på Faraday, et af hans idoler), på trods af tidens opfindelsesraseri og efterfølgende patentering, herunder hans onkel Wheatstones nærliggende eksempel.
Læs også, biografier-da – Xerxes 1. af Persien
De sidste år
Efter 1900 Heaviside”s videnskabelige aktivitet faldt mærkbart i kvantitet og kvalitet, praktisk talt ophørte i 1906, selv om hans sidste bog blev offentliggjort i 1912. En af hovedårsagerne var de problemer, der skyldtes hans vedvarende dårlige helbred.
Oliver og hans forældre flyttede i september 1889 til sin bror Charles, som havde en musikinstrumentforretning i Paington, Devonshire, og fulgte dermed en anden af familiens forretningslinjer, som Wheatstone, der også havde opfundet harmonikaen, havde taget initiativ til. Efter sine forældres død i 1894 og 1896 flyttede Oliver i 1897 til et fritliggende hus på landet nær Newton Abbot og ikke langt fra Paington, men det var ikke særlig tilfredsstillende, og i 1908 vendte han tilbage til Torquay, hvor han døde i 1925 efter at have levet et stadig mere ensomt og excentrisk liv.
Læs også, biografier-da – Samuel Johnson
Udmærkelser og udmærkelser
På trods af sit eremitiske liv gav Heavisides offentliggjorte arbejde og hans indflydelsesrige venners aktiviteter ham en stor anerkendelse, selv om han ikke syntes at sætte pris på det. Følgende er særligt bemærkelsesværdige:
Det lykkedes J. Perry, G. F. FitzGerald, O. Lodge og andre venner at sikre Heaviside en officiel pension på 120 £ om året i 1896 (forhøjet til 220 £ i 1914), som han til sidst accepterede, efter at han to år tidligere havde afvist et andet tilskud fra Scientific Relief Fund of the Royal Society, der blev administreret på samme måde, med den begrundelse, at det var “velgørenhed”.
Læs også, biografier-da – Maximilian 1. af Mexico
Begyndelser
Hans første offentliggjorte artikel stammer fra juli 1872 og blev offentliggjort i English Mechanic under signaturen “O.”; den handlede om en metode til sammenligning af elektromotoriske kræfter, som Heaviside havde opdaget i 1870. I februar 1873 offentliggjorde han sin første artikel i Philosophical Magazine, det vigtigste fysiktidsskrift på det tidspunkt. Denne gang drejede det sig om optimering af Wheatstone-broen, et måleinstrument, der er velkendt i telegrafisternes og fysikernes praksis, men som indtil da ikke havde fundet en stringent matematisk behandling. Denne artikel gjorde ham kendt af tidens vigtigste videnskabelige personligheder, såsom Lord Kelvin og Maxwell. Mange af Heavisides intellektuelle træk er allerede til stede i dette værk, herunder den grundlæggende evne til at anvende stærke matematiske metoder til løsning af praktiske problemer (selv Kelvin fandt tilsyneladende hans algebra vanskelig).
I løbet af de næste fyrre år producerede Heaviside en uafbrudt strøm af artikler, som hovedsageligt udkom i tidsskrifter som The Electrician, Philosophical Magazine og Nature, og som i alt udgjorde mere end tre tusind tætte sider. Disse bidrag blev derefter regelmæssigt udgivet i bogform og udgør de værker, der er anført i bibliografien.
Læs også, biografier-da – Umberto Eco
Teori for signaltransmissionslinjer
Det grundlæggende emne i Heavisides tidlige forskning var udbredelsen af signaler over telegraflinjer, især den forvrængning, de led under, når de passerede over underjordiske eller undersøiske kabellinjer. Fænomenet var blevet aktuelt i 1853, da Latimer Clark første gang observerede det på den engelsk-hollandske linje og gjorde Faraday opmærksom på det, som studerede det og betragtede det som et bevis på sine egne ideer om det elektromagnetiske felt, især “tværgående virkninger af strømme” (Experimental Researches in Electricity, vol. III, p. 508). Alt dette satte spørgsmålstegn ved selve gennemførligheden af det planlagte transatlantiske kabel, som hidtil havde været uhørt langt. I 1855 udviklede Lord Kelvin en teori om den elektriske telegraf, hvor han kombinerede Faradays ideer med Fouriers ligninger om varmediffusion i et fast legeme og kom frem til den konklusion, at forsinkelsen af signalerne skyldtes kombinationen af kablets modstand og kapacitet, som steg med kvadratet på kablets længde. Dette var et uundgåeligt fænomen, som begrænsede transmissionshastigheden, men som kunne overvindes, hvis man var opmærksom på kablernes elektriske egenskaber og på brugen af meget specielle apparater til transmission og modtagelse samt på nøje udvalgte transmissionsteknikker. Men disse overvejelser blev i første omgang ikke accepteret uden forbehold (som de senere skulle blive det), og kablet blev lagt i 1858. Den første drift var dog skuffende, og den blev ubrugelig efter kun en måneds drift, hvilket kun tjente til at demonstrere rigtigheden af Kelvins ideer, og han blev overladt til at designe og drive en ny linje, som blev færdig i 1866, og som var en succes.
Heaviside anvendte Kelvins teori på sine egne erfaringer med det engelsk-danske kabel og udgav en række artikler om den mellem 1874 og 1889, som resulterede i, at den blev udvidet til at omfatte to nye faktorer, som der ikke tidligere var taget højde for: linjetab (som Heaviside, der ikke sparede på neologismer, kaldte leakance, som skulle oversættes til fugance eller perditance) og frem for alt selvinduktion. Han fuldendte og korrigerede således den oprindelige teori og formulerede det, der i lang tid var kendt som “Heaviside-ligningen” eller “telegrafistens ligning”, som angiver den øjeblikkelige værdi af spændingen (v) i et hvilket som helst punkt (x) på ledningen som en funktion af dens elektriske egenskaber modstand (k), kapacitet (c) og induktans (s):
Når der tages hensyn til selvinduktion, spredes den elektriske strøm ikke længere blot langs linjen, som i det tidligere koncept, men forårsager en række indledende svingninger, indtil der opnås en stabil tilstand. Signaludbredelse, selv via kabel, var således definitivt forbundet med elektromagnetiske bølger.
I 1887 formulerede Heaviside den idé, at det var muligt at kombinere de elektriske parametre i en signaltransmissionslinje på en sådan måde, at al forvrængning kunne elimineres, dvs. at selv om hele signalet ville blive dæmpet, ville alle dets komponentfrekvenser blive dæmpet i samme forhold. Dette var afgørende for den nye telefonkommunikation, i endnu højere grad end for telegrafisk kommunikation. Der blev taget adskillige patenter på dette grundlag af andre (f.eks. Silvanus P. Thompson, J. S. Stone og A. K. Erlang), men gennemførelsen krævede en betydelig ekstra indsats og blev først realiseret med succes med bidrag fra G. A. Campbell og Michael I. Pupin omkring 1900 (med de såkaldte “loading coils”).
Selv om Gustav Kirchhoff allerede i 1857 havde inddraget selvinduktion i teorien om lange linjer, fik hans forslag ingen effekt. Heaviside blev i stedet dens apostel. “Selvinduktion er frelse” sagde han i 1897 (og stadig i 1904: “Hvis kærlighed er det, der bevæger verden, er det selvinduktion, der bevæger bølgerne gennem den”). (Elektromagnetisk teori, bd. 3, s. 194). Denne holdning stødte direkte sammen med den holdning, som ingeniøren W. H. Preece, der blev øverste chef for den britiske telegraf- og telefontjeneste (Post Office), havde, da han var af den primitive opfattelse, at selvinduktion altid var skadelig på en kommunikationslinje og burde minimeres. Konfrontationen varede indtil Preece”s død og kostede Heaviside ikke så lidt sorg.
Læs også, biografier-da – Spartacus
Maxwellianisme
Den første udgave af Maxwells Treatise on Electricity and Magnetism blev udgivet i 1873, og Heaviside studerede den straks og var dybt imponeret over dens indhold, selv om han ikke i første omgang forstod dens nyhed (som de fleste samtidige læsere), især hvad angår elektromagnetiske bølger og deres udbredelse gennem et medium (æteren som dielektrikum). Det anvendte matematiske apparat, der var baseret på quaternioner, var også uden for hans muligheder på det tidspunkt. Han brugte derfor flere år på at studere den grundigt og begyndte i 1876 at citere den i sit eget arbejde. Maxwells tidlige død i 1879 var en radikal ændring af omstændighederne, da mesteren ikke længere kunne forventes at bidrage til en teori, der havde et stort behov for bidrag og for at blive kendt af offentligheden. Heaviside tog denne opgave på sig og begyndte efter eget udsagn bevidst at udføre den allerede i 1882. Men han begrænsede sig ikke til at gentage indholdet af Traktaten som en “hellig tekst” (J.J. Thomson gik så vidt som til at kalde Heaviside en “frafalden Maxwell”er”), men omarbejdede, forfinede og udvidede den, hvilket resulterede i det, som videnskaben i dag kender som Maxwells teori. I dag taler man ofte som en selvfølge om “Maxwells fire ligninger”, men det er værd at vide, at det virkelige antal ligninger i afhandlingen er tretten. Den endelige syntese og teoretiske afklaring, som de fire ligninger repræsenterer, skyldtes Heaviside og Hertz” arbejde, først uafhængigt af hinanden og derefter i fællesskab.
I sin tilegnelse, omarbejdning og udbredelse af den maxwellske teori havde Heaviside et afgørende samarbejde med andre engelske fysikere, som er blevet kaldt “the Maxwellians”, især G. F. FitzGerald og O. Lodge i de første år, senere suppleret af J. Larmor, selv om Heavisides forhold til sidstnævnte var mindre harmonisk end med de andre.
På trods af hans engagement i den, Heaviside ikke mener, at Maxwellian teori til at være komplet eller at have det sidste ord. Han betragtede ikke engang Hertz” eksperimenter fra 1886-1888 som et uigendriveligt bevis på dens rigtighed. De problemer, som æterens bevægelse og selve begrebet æter gav anledning til at bevise det, og en yderligere komplikation var elektronens voksende teoretiske rolle i de sidste år af det 19. århundrede, sammen med dens eksperimentelle bekræftelse, som tvang til en ændring af de Maxwellske begreber om ladning og strøm. Heaviside var aktiv i udvidelsen af feltet ligninger til mobile ladninger (elektroner) og forudsat nogle af de første komplette løsninger.
Læs også, biografier-da – Jörg Immendorff
Matematiske instrumenter
Den symbolske repræsentation af fysiske størrelser med orientering var en langsom konsolideringsproces, som blev gennemført i løbet af det 19. århundrede, begyndende med komplekse tal, der kunne anvendes i planen. Det var naturligvis endnu vanskeligere at generalisere dem til rummet. Det var formålet med W. R. Hamiltons teori om kvaternioner. I studiet af elektromagnetisme er det vigtigt at have en kortfattet og effektiv notation til håndtering af rumvektorer, og Maxwell havde brugt quaternions, men ofte i en forenklet form. For Heavisides pædagogiske og systematiserende formål var dette ikke tilstrækkeligt, så han udarbejdede vektoranalyse som en selvstændig algebra, formuleret i det, der stadig er dens nuværende form i kapitel III i Elektromagnetisk teori. Den indeholder også begrundelsen for hans afvisning af den kvaternioniske teori, et emne, som han havde heftige kontroverser med P. G. Tait, dens vigtigste fortaler og forsvarer, om indtil slutningen af sin karriere. Under alle omstændigheder var vektorregning praktisk talt ukendt for ingeniørerne og fysikerne på hans tid (Heaviside måtte lære Hertz det), hvilket bidrog til at gøre Heavisides skrifter vanskelige at forstå, på trods af hans ihærdige pædagogiske indsats, i en sådan grad at hans ven Lodge beskrev dem ikke blot som vanskelige, men endda som “excentriske og i nogle henseender frastødende”.
Han var også en af skaberne af beregning ved hjælp af operatører, operationel kalkyl eller operationel kalkyl, så nyttigt senere i teknik, til udvikling og udstilling af, som han dedikeret en stor del af sin aktivitet fra 1894 til 1898, samlet i andet bind af elektromagnetisk teori. Selv om metoden ikke blev udbredt før efter hans død, er den blevet betragtet som et af de tre store matematiske fremskridt i den sidste fjerdedel af det 19. århundrede.
Heaviside opfattede matematikken som en eksperimentel videnskab og foragtede akademiske “rene matematikere”. Hans matematik beskæftigede sig ikke med demonstrationer eller eksistenssætninger, men med at løse fysiske problemer, hvis funktionelle relationer er enkle og ikke kræver en udtømmende analyse af alle abstrakte muligheder. Det er overflødigt at sige, at han og hans metoder ikke havde en særlig god opfattelse blandt professionelle matematikere.
Kilder
