Oliver Heaviside

Alex Rover | Juli 2, 2022

Zusammenfassung

Oliver Heaviside (London, England, 18. Mai 1850 – Torquay, England, 3. Februar 1925) war ein englischer Physiker, Elektroingenieur, Radiograph und Mathematiker. Heaviside führte die komplexen Zahlen in die Schaltkreisanalyse ein, erfand eine neue Technik zur Lösung von Differentialgleichungen (äquivalent zur Laplace-Transformation), entwickelte unabhängig die Vektorrechnung und schrieb die Maxwellschen Gleichungen in der heute üblichen Form um. Er hat die Art und Weise, wie die Maxwellschen Gleichungen in den Jahrzehnten nach Maxwells Tod verstanden und angewendet wurden, entscheidend geprägt. Seine Formulierung der Telegraphengleichungen war schon zu seinen Lebzeiten kommerziell relevant, blieb aber lange Zeit unbemerkt, da nur wenige mit seiner neuartigen Methodik vertraut waren. Obwohl seine Beziehungen zum wissenschaftlichen Establishment während des größten Teils seines Lebens kompliziert waren, hat Heaviside den Bereich der Telekommunikation, der Mathematik und der Wissenschaft neu gestaltet.

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Kinder und Jugendliche

Oliver war das vierte Kind in der Familie von Thomas Heaviside und Rachel West. Sein Vater war ein begabter Holzschneider, aber sein Beruf litt bereits unter der Konkurrenz der aufkommenden fotografischen Techniken, und die Familie war immer knapp bei Kasse. Die Mutter richtete in ihrem gemieteten Haus in Camden Town eine Art kleine Schule für junge Damen ein, um mehr Geld zu verdienen. Die Atmosphäre in der Familie muss angespannt und mürrisch gewesen sein. In Olivers Fall kam erschwerend hinzu, dass er als Kind an Scharlach erkrankte und infolgedessen praktisch taub wurde. Dies machte es ihm schwer, mit anderen in Kontakt zu treten, insbesondere mit den anderen Jungen, und bildete wahrscheinlich die Grundlage für den mürrischen und zurückgezogenen Charakter, den er für den Rest seines Lebens an den Tag legte, obwohl er später in seiner Jugend einen Großteil seines Hörvermögens wiedererlangte.

Ein Vermächtnis aus dem Jahr 1863 bedeutete eine deutliche finanzielle Verbesserung für die Familie. Die Heavisides zogen in eine bessere Unterkunft in derselben Gegend, und Oliver konnte die Schule besuchen, wo er sich in den Naturwissenschaften auszeichnete und 1865 eine Medaille bei den Prüfungen gewann. Aber seine Schulzeit musste im folgenden Jahr beendet werden. Der Rest seiner intellektuellen Ausbildung war autodidaktisch, und er scheint ein eifriger und begeisterter Besucher der öffentlichen Bibliotheken gewesen zu sein. Er fühlte sich besonders zu wissenschaftlichen Werken hingezogen und vertiefte sich daher in die Abhandlungen von Newton und Laplace.

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Reifegrad

Da er die Universität nicht besuchen konnte, musste er arbeiten gehen. Im Jahr 1867 zog er nach Newcastle, wo er sein Berufsleben als Telegrafist begann. Diese für seinen späteren Werdegang so entscheidende Orientierung war das Ergebnis familiärer Umstände. Eine ältere Schwester seiner Mutter, Emma West, hatte Charles Wheatstone geheiratet, der zusammen mit W. F. Cooke ein Telegrafiesystem erfunden hatte, das ihn reich und mächtig machte. Ein älterer Bruder von Oliver, Arthur W. Heaviside, wurde Assistent seines Onkels und leitete anschließend die örtliche Telegrafengesellschaft in Newcastle; schließlich bekleidete er einen wichtigen Posten im Postamt. Oliver seinerseits begann als Assistent seines Bruders und wurde im Herbst 1868 mit dem Betrieb des neuen Unterseekabels zwischen Newcastle und Dänemark betraut, zunächst als Operator und dann als Elektriker, so nannte man damals die Spezialisten für die neueste und interessanteste aller Elektrotechniken. Die folgenden Jahre verbrachte Oliver in den Werkstätten und an Bord der Schiffe, die für die Wartung der Strecke zuständig waren, privilegierte Orte, an denen alle Aspekte der neuen Phänomene und Probleme, die ständig auftauchten, erprobt und analysiert wurden. Während dieser Zeit setzte er sein eigenes Studium der Physik fort, sowohl theoretisch als auch experimentell.

Im Mai 1874 gab er seine Stelle in Newcastle auf und kehrte in sein Elternhaus in London zurück, sowohl aus gesundheitlichen Gründen (er litt an einer Art pseudo-epileptischem Anfall) als auch aus dem Wunsch heraus, sich ausschließlich dem Studium und der Forschung zu widmen. Er hatte nie wieder einen regulären bezahlten Job, es sei denn, man betrachtet die sporadische Tätigkeit als Kolumnist als solche, die ihm ein mageres Einkommen bescherte. Er lehnte alle Beschäftigungsmöglichkeiten ab, die ihm sein Bruder und andere anboten, und wählte eine extrem strenge Lebensweise im Austausch für die völlige Freiheit seiner Forschung. „Ich bin als natürlicher Philosoph geboren, nicht als rastloser Ingenieur oder als “praktischer Mensch“ im kaufmännischen Sinne“, charakterisierte er sich am Ende seines Lebens. Viele seiner theoretischen Beiträge hatten wichtige praktische Anwendungen, aber er war nie bestrebt, einen finanziellen Gewinn daraus zu ziehen (wahrscheinlich in den Fußstapfen von Faraday, einem seiner Vorbilder), trotz des Erfindungswahns und der daraus resultierenden Patentierung der damaligen Zeit, einschließlich des nahen Beispiels seines Onkels Wheatstone.

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Letzte Jahre

Nach 1900 Heaviside“s wissenschaftliche Tätigkeit deutlich zurückgegangen in Quantität und Qualität, praktisch nicht mehr in 1906, obwohl sein letztes Buch veröffentlicht wurde im Jahr 1912. Einer der Hauptgründe waren die Probleme, die durch seine anhaltende Krankheit verursacht wurden.

Oliver und seine Eltern zogen im September 1889 zu seinem Bruder Charles, der ein Musikinstrumentengeschäft in Paington, Devonshire, betrieb und damit einer weiteren von Wheatstone, der auch die Ziehharmonika erfunden hatte, initiierten Familienlinie folgte. Nach dem Tod seiner Eltern in den Jahren 1894 und 1896 zog Oliver 1897 in ein freistehendes Haus auf dem Lande in der Nähe von Newton Abbot und nicht weit von Paington, aber die Erfahrung war nicht sehr zufriedenstellend und 1908 kehrte er zurück, um als Untermieter in Torquay zu leben, wo er 1925 starb, nachdem er ein zunehmend einsames und exzentrisches Leben geführt hatte.

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Ehrungen und Anerkennungen

Trotz seines eremitischen Lebens brachten Heavisides veröffentlichte Arbeiten und die Aktivitäten seiner einflussreichen Freunde ihm viel Anerkennung ein, auch wenn er sie nicht zu schätzen schien. Besonders hervorzuheben sind die folgenden Punkte:

Den Bemühungen und Anstrengungen von J. Perry, G. F. FitzGerald, O. Lodge und anderen Freunden gelang es, für Heaviside 1896 eine offizielle Rente von 120 Pfund pro Jahr zu sichern (die 1914 auf 220 Pfund erhöht wurde), die er schließlich annahm, nachdem er zwei Jahre zuvor einen anderen Zuschuss aus dem Scientific Relief Fund der Royal Society, der auf die gleiche Weise verwaltet wurde, mit der Begründung abgelehnt hatte, es handele sich um „Wohltätigkeit“.

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Anfänge

Seine erste veröffentlichte Arbeit stammt vom Juli 1872 und erschien im English Mechanic unter der Signatur „O.“; sie befasste sich mit einer Methode zum Vergleich elektromotorischer Kräfte, die Heaviside 1870 entdeckt hatte. Im Februar 1873 veröffentlichte er seine erste Arbeit im Philosophical Magazine, der wichtigsten Physikzeitschrift jener Zeit. Diesmal ging es um die Optimierung der Wheatstone-Brücke, ein Messinstrument, das in der Praxis von Telegrafisten und Physikern gut bekannt ist, aber bis dahin keine strenge mathematische Behandlung gefunden hatte. Durch diesen Artikel wurden die wichtigsten wissenschaftlichen Persönlichkeiten der damaligen Zeit, wie Lord Kelvin und Maxwell, auf ihn aufmerksam. Viele der intellektuellen Eigenschaften von Heaviside sind bereits in diesem Werk enthalten, darunter die grundlegende Anwendung leistungsfähiger mathematischer Methoden zur Lösung praktischer Probleme (selbst Kelvin fand seine Algebra offenbar schwierig).

In den nächsten vierzig Jahren produzierte Heaviside einen ununterbrochenen Strom von Arbeiten, die hauptsächlich in Zeitschriften wie The Electrician, Philosophical Magazine und Nature erschienen und insgesamt mehr als dreitausend dichte Seiten umfassten. Diese Beiträge wurden dann regelmäßig in Buchform veröffentlicht und bilden die in der Bibliographie aufgeführten Werke.

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Theorie der Signalübertragungsleitungen

Das Hauptthema von Heavisides frühen Forschungen war die Ausbreitung von Signalen über Telegrafenleitungen, insbesondere die Verzerrung, die sie bei der Übertragung über unterirdische oder Seekabelleitungen erfahren. Das Phänomen war 1853 aktuell geworden, als Latimer Clark es zum ersten Mal auf der anglo-holländischen Eisenbahnlinie beobachtete und Faraday darauf aufmerksam machte, der es untersuchte und als Beweis für seine eigenen Ideen über das elektromagnetische Feld, insbesondere die „Querwirkungen von Strömen“, betrachtete (Experimental Researches in Electricity, Bd. III, S. 508). All dies stellte die Realisierbarkeit des geplanten transatlantischen Kabels in Frage, das in seiner Länge bisher unerreicht war. 1855 entwickelte Lord Kelvin eine Theorie des elektrischen Telegrafen, in der er die Ideen von Faraday mit den Gleichungen von Fourier über die Diffusion von Wärme in einem festen Körper kombinierte und zu dem Schluss kam, dass die Verzögerung der Signale auf die Kombination von Widerstand und Kapazität des Kabels zurückzuführen war, die mit dem Quadrat der Kabellänge zunahm. Dies war ein unvermeidliches Phänomen, das die Übertragungsgeschwindigkeit einschränkte, das aber überwunden werden konnte, wenn man sowohl den elektrischen Eigenschaften der Kabel als auch der Verwendung ganz spezieller Sende- und Empfangsgeräte und sorgfältig ausgewählter Übertragungstechniken die nötige Aufmerksamkeit schenkte. Diese Überlegungen wurden jedoch zunächst nicht vorbehaltlos akzeptiert (wie später), und das Kabel wurde 1858 verlegt. Der anfängliche Betrieb war jedoch enttäuschend und wurde nach nur einem Monat unbrauchbar, was nur dazu diente, die Richtigkeit von Kelvins Ideen zu demonstrieren, und es wurde ihm überlassen, eine neue Strecke zu entwerfen und zu betreiben, die 1866 fertig gestellt wurde und ein Erfolg war.

Heaviside wendete Kelvins Theorie auf seine eigenen Erfahrungen mit dem anglo-dänischen Kabel an und veröffentlichte zwischen 1874 und 1889 eine Reihe von Abhandlungen darüber, in deren Folge sie um zwei neue, zuvor nicht berücksichtigte Faktoren erweitert wurde: Leitungsverluste (die Heaviside, der bei der Schaffung von Neologismen nicht gerade sparsam war, als leakance bezeichnete, was mit fugance oder perditance übersetzt werden sollte) und vor allem die Selbstinduktion. Auf diese Weise vervollständigte und korrigierte er die ursprüngliche Theorie und formulierte das, was lange Zeit als „Heaviside-Gleichung“ oder „Telegraphen-Gleichung“ bekannt war und den Momentanwert der Spannung (v) an einem beliebigen Punkt (x) der Leitung als Funktion ihrer elektrischen Eigenschaften Widerstand (k), Kapazität (c) und Induktivität (s) angibt:

Wenn die Selbstinduktion berücksichtigt wird, breitet sich der elektrische Strom nicht mehr einfach entlang der Leitung aus, wie im vorherigen Konzept, sondern verursacht eine Reihe von anfänglichen Schwingungen, bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Die Signalausbreitung, auch über Kabel, war damit endgültig mit elektromagnetischen Wellen verbunden.

1887 formulierte Heaviside die Idee, dass es möglich sei, die elektrischen Parameter einer Signalübertragungsleitung so zu kombinieren, dass alle Verzerrungen eliminiert werden können, d. h. dass zwar das gesamte Signal gedämpft wird, aber alle seine Teilfrequenzen im gleichen Verhältnis gedämpft werden. Dies war für die neue telefonische Kommunikation unerlässlich, mehr noch als für die telegrafische Kommunikation. Zahlreiche Patente wurden auf dieser Grundlage von anderen angemeldet (z. B. Silvanus P. Thompson, J. S. Stone und A. K. Erlang), aber die Umsetzung erforderte erhebliche zusätzliche Anstrengungen und wurde erst durch die Beiträge von G. A. Campbell und Michael I. Pupin um 1900 (mit den sogenannten „Ladespulen“).

Obwohl Gustav Kirchhoff bereits 1857 die Selbstinduktion in die Theorie der langen Leitungen aufgenommen hatte, blieb sein Vorschlag ohne Wirkung. Heaviside wurde stattdessen ihr Apostel. „Die Selbstinduktion ist die Rettung“, sagte er 1897 (und noch 1904: „Wenn die Liebe die Welt bewegt, ist die Selbstinduktion das, was die Wellen durch sie bewegt“). (Elektromagnetische Theorie, Bd. 3, S. 194). Diese Position stand in krassem Gegensatz zu der des Ingenieurs W. H. Preece, der zum obersten Leiter des britischen Telegrafen- und Telefondienstes (Post Office) wurde, der die primitive Ansicht vertrat, dass Selbstinduktion auf einer Kommunikationsleitung immer schädlich sei und minimiert werden müsse. Die Konfrontation dauerte bis zum Tod von Preece und kostete Heaviside nicht wenig Kummer.

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Maxwellianismus

Die erste Ausgabe von Maxwells Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus wurde 1873 veröffentlicht, und Heaviside studierte sie sofort und war von ihrem Inhalt tief beeindruckt, auch wenn er (wie die meisten zeitgenössischen Leser) ihre Neuartigkeit zunächst nicht verstand, insbesondere was die elektromagnetischen Wellen und ihre Ausbreitung durch das Medium (den Äther als Dielektrikum) betraf. Der verwendete mathematische Apparat, der auf Quaternionen basiert, überstieg auch seine damaligen Möglichkeiten. Er widmete sich daher mehrere Jahre lang dem eingehenden Studium des Buches und begann 1876, es in seinem eigenen Werk zu zitieren. Maxwells früher Tod im Jahr 1879 bedeutete eine radikale Veränderung der Umstände, da von dem Meister nicht mehr erwartet werden konnte, dass er zu einer Theorie beitrug, die dringend Beiträge benötigte und der Öffentlichkeit bekannt gemacht werden sollte. Heaviside hat diese Aufgabe auf sich genommen und nach eigenem Bekunden bereits 1882 bewusst begonnen, sie auszuführen. Er beschränkte sich jedoch nicht darauf, den Inhalt des Treatise als „heiligen Text“ zu wiederholen (J. J. Thomson ging so weit, Heaviside als „abtrünnigen Maxwellianer“ zu bezeichnen), sondern überarbeitete, verfeinerte und erweiterte ihn, was zu dem führte, was die heutige Wissenschaft als Maxwellsche Theorie kennt. Heute spricht man oft ganz selbstverständlich von den „vier Maxwellschen Gleichungen“, aber es ist wichtig zu wissen, dass die wahre Anzahl der Gleichungen in der Abhandlung dreizehn ist. Die endgültige Synthese und theoretische Klärung, die die vier Gleichungen darstellen, verdanken wir der zunächst unabhängigen und dann gemeinsamen Arbeit von Heaviside und Hertz.

Bei der Aneignung, Überarbeitung und Verbreitung der Maxwellschen Theorie hatte Heaviside die entscheidende Mitarbeit anderer englischer Physiker, die als „die Maxwellianer“ bezeichnet werden, vor allem G. F. FitzGerald und O. Lodge in den Anfangsjahren und später J. Larmor, obwohl Heavisides Beziehung zu letzterem weniger harmonisch war als zu den anderen.

Trotz seiner Beteiligung daran hielt Heaviside die Maxwellsche Theorie nicht für vollständig oder für das letzte Wort. Er betrachtete nicht einmal die Hertz“schen Experimente von 1886-1888 als unwiderlegbaren Beweis für ihre Richtigkeit. Die Probleme, die durch die Bewegung des Äthers und sein Konzept selbst aufgeworfen wurden, waren der Beweis dafür, und eine weitere Komplikation war die wachsende theoretische Rolle des Elektrons in den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts, zusammen mit seinen experimentellen Bestätigungen, die eine Änderung der Maxwellschen Konzepte von Ladung und Strom erzwangen. Heaviside war aktiv an der Erweiterung der Feldgleichungen auf bewegliche Ladungen (Elektronen) beteiligt und lieferte einige der ersten vollständigen Lösungen.

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Mathematische Instrumente

Die symbolische Darstellung von physikalischen Größen, die mit einer Orientierung versehen sind, war ein Prozess der langsamen Konsolidierung, der sich über das gesamte 19. Jahrhundert hinzog, beginnend mit den komplexen Zahlen, die auf die Ebene anwendbar sind. Ihre Verallgemeinerung auf den Weltraum war natürlich noch schwieriger. Dies war der Zweck von W. R. Hamiltons Theorie der Quaternionen. In der Studie des Elektromagnetismus ist es wichtig, eine prägnante und effiziente Notation für den Umgang mit Raum-Vektoren, und Maxwell hatte Quaternionen verwendet, aber oft in einer vereinfachten Form. Für Heavisides pädagogische und systematisierende Zwecke reichte dies nicht aus, so dass er die Vektoranalysis als eigenständige Algebra ausarbeitete, die in ihrer heutigen Form in Kapitel III der Elektromagnetischen Theorie formuliert ist. Dies enthält auch die Gründe für seine Ablehnung der quaternionischen Theorie, ein Thema, auf dem er hatte hitzige Kontroversen mit P. G. Tait, seine wichtigsten Exponent und Verteidiger, bis zum Ende seiner Karriere. In jedem Fall war die Vektorrechnung den Ingenieuren und Physikern seiner Zeit praktisch unbekannt (Heaviside musste sie Hertz beibringen), was dazu beitrug, dass Heavisides Schriften trotz seiner intensiven pädagogischen Bemühungen so schwer verständlich waren, dass sein Freund Lodge sie nicht nur als schwierig, sondern sogar als „exzentrisch und in gewisser Hinsicht abstoßend“ bezeichnete.

Er war auch einer der Schöpfer des Kalküls mit Hilfe von Betreibern, operative Kalkül oder operative Kalkül, so nützlich später in der Technik, auf die Entwicklung und die Exposition von denen er widmete einen großen Teil seiner Tätigkeit von 1894 bis 1898, gesammelt in der zweiten Band der elektromagnetischen Theorie. Obwohl die Methode erst nach seinem Tod weit verbreitet wurde, gilt sie als einer der drei großen mathematischen Fortschritte des letzten Viertels des 19. Jahrhunderts.

Heaviside verstand die Mathematik als experimentelle Wissenschaft und verachtete die akademischen „reinen Mathematiker“. Seine Mathematik beschäftigte sich nicht mit Demonstrationen oder Existenzsätzen, sondern mit der Lösung physikalischer Probleme, deren funktionale Beziehungen einfach sind und keine erschöpfende Analyse aller abstrakten Möglichkeiten erfordern. Es ist überflüssig zu sagen, dass die Meinung über ihn und seine Methoden unter den professionellen Mathematikern dementsprechend nicht sehr gut war.

Quellen

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