Oliver Heaviside

Delice Bette | juin 30, 2022

Post Views: 12

Résumé

Oliver Heaviside, (Londres, Angleterre, 18 mai 1850 – Torquay, Angleterre, 3 février 1925) est un physicien, ingénieur électricien, radiographe et mathématicien anglais. Heaviside a introduit les nombres complexes dans l »analyse des circuits, inventé une nouvelle technique de résolution des équations différentielles (équivalente à la transformée de Laplace), développé indépendamment le calcul vectoriel et réécrit les équations de Maxwell dans le format couramment utilisé aujourd »hui. Il a considérablement influencé la manière dont les équations de Maxwell ont été comprises et appliquées dans les décennies qui ont suivi la mort de Maxwell. Sa formulation des équations du télégraphe était commercialement pertinente de son vivant, bien qu »elle soit passée inaperçue pendant longtemps, car peu de gens connaissaient alors sa nouvelle méthodologie. Bien que ses relations avec l »establishment scientifique aient été compliquées pendant la majeure partie de sa vie, Heaviside a remodelé le domaine des télécommunications, des mathématiques et de la science.

Oliver était le quatrième enfant de la famille de Thomas Heaviside et Rachel West. Son père était un graveur sur bois doué, mais son métier souffrait déjà de la concurrence des techniques photographiques naissantes, et la famille était toujours à court d »argent. La mère a créé une sorte de petite école pour jeunes filles dans la maison qu »elle louait à Camden Town pour gagner plus d »argent. L »atmosphère familiale devait être tendue et morose. Dans le cas d »Oliver, la situation est compliquée par le fait qu »il a souffert de la scarlatine dans son enfance, ce qui l »a rendu pratiquement sourd. Cela a rendu difficile ses relations avec les autres, en particulier avec les autres garçons, et a probablement constitué la base du caractère maussade et renfermé qu »il a affiché pour le reste de sa vie, bien qu »il ait récupéré une grande partie de son audition plus tard dans son adolescence.

Un legs reçu en 1863 a entraîné une nette amélioration financière pour la famille. Les Heaviside ont déménagé dans un meilleur logement dans le même quartier et Oliver a pu aller à l »école, où il a excellé en sciences naturelles, remportant une médaille aux examens de 1865. Mais sa scolarité a dû prendre fin l »année suivante. Le reste de sa formation intellectuelle était autodidacte, et il semble avoir été un visiteur assidu et avide des bibliothèques publiques. Il est particulièrement attiré par les ouvrages scientifiques et se plonge ainsi dans les traités de Newton et de Laplace.

A lire aussi, histoire – Peste noire

Maturité

Incapable d »aller à l »université, il a dû aller travailler. En 1867, il s »installe à Newcastle, où il commence sa vie professionnelle en tant que télégraphiste. Cette orientation, si déterminante pour la suite de sa carrière, est le résultat de circonstances familiales. Une sœur aînée de sa mère, Emma West, avait épousé Charles Wheatstone, co-inventeur d »un système télégraphique avec W. F. Cooke, qui l »a rendu riche et puissant. Un frère aîné d »Oliver, Arthur W. Heaviside, est devenu l »assistant de son oncle, puis a dirigé la société locale de télégraphe à Newcastle ; il a fini par occuper un poste important au sein de la Poste. Oliver, quant à lui, a commencé comme assistant de son frère et, à l »automne 1868, il a été affecté à l »exploitation du nouveau câble sous-marin posé entre Newcastle et le Danemark, d »abord en tant qu »opérateur, puis en tant qu »électricien, nom donné alors aux spécialistes de l »ingénierie électrique la plus récente et la plus intéressante. Les années suivantes, Oliver les passe dans les ateliers et à bord des navires chargés de l »entretien de la ligne, lieux privilégiés où sont expérimentés et analysés tous les aspects des phénomènes et problèmes nouveaux qui se posent sans cesse. Pendant cette période, il a continué à étudier la physique par lui-même, tant sur le plan théorique qu »expérimental.

En mai 1874, il quitte son emploi à Newcastle et retourne chez ses parents à Londres, à la fois pour des raisons de santé (il souffre d »une sorte de crise pseudo-épileptique) et par désir de se consacrer exclusivement à l »étude et à la recherche. Il n »a plus jamais occupé d »emploi rémunéré régulier, à moins de considérer comme tel le travail sporadique de chroniqueur, qui lui procurait un maigre revenu. Il a rejeté toutes les possibilités d »emploi que son frère et d »autres lui ont offertes, choisissant un mode de vie extrêmement austère en échange d »une liberté totale pour ses recherches. Je suis né philosophe naturel, je ne suis pas un ingénieur agité ou un « homme pratique » au sens mercantile du terme », se caractérisait-il à la fin de sa vie. Nombre de ses contributions théoriques avaient d »importantes applications pratiques, mais il n »a jamais cherché à en tirer un profit financier (suivant probablement les traces de Faraday, l »une de ses idoles), malgré la fureur inventive et les brevets qui en découlaient à l »époque, y compris l »exemple proche de son oncle Wheatstone.

Dernières années

Après 1900, l »activité scientifique de Heaviside a sensiblement diminué en quantité et en qualité, et s »est pratiquement arrêtée en 1906, bien que son dernier livre ait été publié en 1912. L »une des principales causes était les problèmes causés par sa mauvaise santé persistante.

Oliver et ses parents sont allés vivre en septembre 1889 chez son frère Charles, qui avait un magasin d »instruments de musique à Paington, dans le Devonshire, suivant une autre des lignes d »exploitation familiale initiée par Wheatstone, qui avait également inventé le concertina. Après la mort de ses parents en 1894 et 1896, Oliver s »installe en 1897 dans une maison individuelle à la campagne près de Newton Abbot et non loin de Paington, mais l »expérience n »est pas très satisfaisante et en 1908, il retourne vivre comme locataire à Torquay, où il meurt en 1925, après avoir mené une vie de plus en plus solitaire et excentrique.

Honneurs et distinctions

Malgré sa vie érémitique, les travaux publiés de Heaviside et les activités de ses amis influents lui ont apporté une grande reconnaissance, bien qu »il ne semble pas l »apprécier. Les points suivants méritent une attention particulière :

Les efforts et les démarches de J. Perry, G. F. FitzGerald, O. Lodge et d »autres amis ont réussi à obtenir pour Heaviside une pension officielle de £120 par an en 1896 (portée à £220 en 1914), qu »il a finalement acceptée, après avoir refusé deux ans auparavant une autre subvention du Scientific Relief Fund de la Royal Society, administrée de la même manière, au motif qu »il s »agissait d »une « charité ».

Débuts

Son premier article publié date de juillet 1872 et paraît dans l »English Mechanic sous la signature « O. » ; il traite d »une méthode de comparaison des forces électromotrices découverte par Heaviside en 1870. En février 1873, il publie son premier article dans le Philosophical Magazine, la plus importante revue de physique de l »époque. Cette fois, il s »agissait d »optimiser le pont de Wheatstone, un instrument de mesure bien connu dans la pratique des télégraphistes et des physiciens, mais qui n »avait jusqu »alors pas trouvé de traitement mathématique rigoureux. Cet article a attiré l »attention des personnalités scientifiques les plus importantes de l »époque, telles que Lord Kelvin et Maxwell. De nombreux traits intellectuels de Heaviside sont déjà présents dans ce travail, notamment celui, fondamental, d »appliquer des méthodes mathématiques puissantes à la résolution de problèmes pratiques (même Kelvin a apparemment trouvé son algèbre difficile).

Au cours des quarante années suivantes, Heaviside a produit un flux ininterrompu d »articles, parus principalement dans des périodiques tels que The Electrician, Philosophical Magazine et Nature, totalisant plus de trois mille pages denses. Ces contributions ont ensuite été publiées régulièrement sous forme de livres, constituant les ouvrages répertoriés dans la bibliographie.

Théorie de la ligne de transmission des signaux

Le sujet fondamental des premières recherches de Heaviside était la propagation des signaux sur les lignes télégraphiques, en particulier la distorsion qu »ils subissent lorsqu »ils passent sur des lignes de câbles souterraines ou sous-marines. Le phénomène était devenu d »actualité en 1853 lorsque Latimer Clark l »observa pour la première fois sur la ligne anglo-hollandaise, attirant l »attention de Faraday, qui l »étudia et le considéra comme une preuve de ses propres idées sur le champ électromagnétique, en particulier les « effets transversaux des courants » (Experimental Researches in Electricity, vol. III, p. 508). Tout cela a remis en question la faisabilité même du projet de câble transatlantique, dont la longueur était jusqu »alors inédite. En 1855, Lord Kelvin développe une théorie du télégraphe électrique dans laquelle il combine les idées de Faraday avec les équations de Fourier sur la diffusion de la chaleur dans un corps solide, pour arriver à la conclusion que le retard des signaux est dû à la combinaison de la résistance et de la capacité du câble, qui augmente avec le carré de la longueur du câble. Il s »agissait d »un phénomène inévitable, qui limitait la vitesse de transmission, mais qui pouvait être surmonté si l »on prêtait attention aux caractéristiques électriques des câbles et à l »utilisation d »appareils très spéciaux pour la transmission et la réception, ainsi qu »à des techniques de transmission soigneusement sélectionnées. Mais ces considérations ne sont pas initialement acceptées sans réserve (comme elles le seront plus tard) et le câble est posé en 1858. Son fonctionnement initial fut toutefois décevant et elle devint inutilisable après seulement un mois de service, ce qui ne servit qu »à démontrer la justesse des idées de Kelvin, qui dut alors concevoir et exploiter une nouvelle ligne, achevée en 1866, qui fut un succès.

Heaviside appliqua la théorie de Kelvin à ses propres expériences avec le câble anglo-danois et publia une série d »articles sur le sujet entre 1874 et 1889, à la suite desquels elle fut étendue à deux nouveaux facteurs qui n »avaient pas été pris en compte auparavant : les pertes en ligne (que Heaviside, qui n »était pas avare de néologismes, appela leakance, ce qui devait être traduit par fugance ou perditance) et surtout l »auto-induction. Il complète et rectifie ainsi la théorie initiale, en formulant ce qui fut longtemps connu sous le nom d » »équation de Heaviside » ou « équation du télégraphiste », qui donne la valeur instantanée de la tension (v) en tout point (x) de la ligne en fonction de ses caractéristiques électriques : résistance (k), capacité (c) et inductance (s) :

Lorsque l »auto-induction est prise en compte, le courant électrique ne se répand plus simplement le long de la ligne, comme dans le concept précédent, mais provoque une série d »oscillations initiales jusqu »à ce qu »un état stable soit atteint. La propagation des signaux, même par câble, était ainsi définitivement liée aux ondes électromagnétiques.

En 1887, Heaviside a formulé l »idée qu »il était possible de combiner les paramètres électriques d »une ligne de transmission de signaux de manière à éliminer toute distorsion, c »est-à-dire que, bien que le signal entier soit atténué, toutes les fréquences qui le composent le sont dans la même proportion. C »était essentiel pour les nouvelles communications téléphoniques, plus encore que pour les communications télégraphiques. De nombreux brevets ont été déposés sur cette base par d »autres personnes (telles que Silvanus P. Thompson, J. S. Stone et A. K. Erlang), mais sa mise en œuvre a nécessité des efforts supplémentaires considérables et n »a été réalisée avec succès qu »avec les contributions de G. A. Campbell et Michael I.. Pupin vers 1900 (avec les « bobines de chargement »).

Bien que Gustav Kirchhoff ait inclus l »auto-induction dans la théorie des longues lignes dès 1857, sa proposition n »a eu aucun impact. Heaviside en est devenu l »apôtre. « L »auto-induction est le salut » disait-il en 1897 (et encore en 1904 : « Si l »amour est ce qui fait bouger le monde, l »auto-induction est ce qui fait passer les vagues à travers lui ». (Théorie électromagnétique, vol. 3, p. 194). Cette position se heurtait frontalement à celle de l »ingénieur W. H. Preece, devenu le chef suprême du service télégraphique et téléphonique britannique (Post Office), qui défendait l »opinion primitive selon laquelle l »auto-induction était toujours nuisible sur une ligne de communication et devait être minimisée. La confrontation a duré jusqu »à la mort de Preece et a coûté beaucoup de peine à Heaviside.

Maxwellianisme

La première édition du Traité d »électricité et de magnétisme de Maxwell est publiée en 1873. Heaviside l »étudie immédiatement et est profondément impressionné par son contenu, bien qu »il n »en comprenne pas initialement la nouveauté (comme la plupart des lecteurs contemporains), notamment en ce qui concerne les ondes électromagnétiques et leur propagation dans le milieu (l »éther en tant que diélectrique). L »appareil mathématique utilisé, basé sur les quaternions, dépassait également ses capacités à l »époque. Il a donc consacré plusieurs années à son étude approfondie et, dès 1876, il a commencé à la citer dans ses propres travaux. La mort précoce de Maxwell en 1879 a constitué un changement radical de circonstances, car on ne pouvait plus attendre du maître qu »il contribue à une théorie qui avait grand besoin de contributions et d »être portée à la connaissance du public. Heaviside a pris cette tâche sur lui et, de son propre aveu, a commencé à la réaliser consciemment dès 1882. Mais il ne s »est pas contenté de répéter le contenu du traité comme un « texte sacré » (J. J. Thomson est allé jusqu »à qualifier Heaviside d » »apostat de Maxwell »), mais l »a retravaillé, affiné et élargi, aboutissant à ce que la science d »aujourd »hui connaît comme la théorie de Maxwell. Aujourd »hui, on parle souvent, comme une évidence, des « quatre équations de Maxwell », mais il faut savoir que le véritable nombre d »équations contenues dans le traité est de treize. La synthèse finale et la clarification théorique que représentent les quatre équations sont dues au travail, d »abord indépendant puis conjoint, de Heaviside et Hertz.

Dans son appropriation, son remaniement et sa diffusion de la théorie maxwellienne, Heaviside a bénéficié de la collaboration décisive d »autres physiciens anglais, que l »on a appelés « les Maxwelliens », principalement G. F. FitzGerald et O. Lodge dans les premières années, rejoints plus tard par J. Larmor, bien que les relations de Heaviside avec ce dernier aient été moins harmonieuses qu »avec les autres.

Malgré sa participation, Heaviside ne considérait pas que la théorie maxwellienne était complète ou qu »elle avait le dernier mot. Il n »a même pas considéré les expériences de Hertz de 1886-1888 comme une preuve irréfutable de son exactitude. Les problèmes posés par le mouvement de l »éther et son concept même étaient là pour le prouver, et une complication supplémentaire était le rôle théorique croissant de l »électron dans les dernières années du 19ème siècle, ainsi que ses confirmations expérimentales, qui ont forcé une modification des concepts maxwelliens de charge et de courant. Heaviside s »est employé à étendre les équations de champ aux charges mobiles (électrons) et a fourni certaines des premières solutions complètes.

Instruments mathématiques

La représentation symbolique des grandeurs physiques dotées d »une orientation est un processus de consolidation lente, qui s »est déroulé tout au long du XIXe siècle, en commençant par les nombres complexes, applicables au plan. Leur généralisation à l »espace était naturellement encore plus difficile. Tel était l »objectif de la théorie des quaternions de W. R. Hamilton. Dans l »étude de l »électromagnétisme, il est essentiel de disposer d »une notation concise et efficace pour manipuler les vecteurs spatiaux, et Maxwell avait utilisé les quaternions, mais souvent sous une forme simplifiée. Pour les objectifs pédagogiques et de systématisation de Heaviside, cela n »était pas suffisant, il a donc élaboré l »analyse vectorielle comme une algèbre indépendante, formulée dans ce qui est encore sa forme actuelle dans le chapitre III de la théorie électromagnétique. On y trouve également les raisons de son rejet de la théorie quaternionique, sujet sur lequel il a eu de vives controverses avec P. G. Tait, son principal exposant et défenseur, jusqu »à la fin de sa carrière. De toute façon, le calcul vectoriel était pratiquement inconnu des ingénieurs et des physiciens de son époque (Heaviside a dû l »enseigner à Hertz), ce qui a contribué à rendre les écrits de Heaviside difficiles à comprendre, malgré ses efforts pédagogiques acharnés, au point que son ami Lodge les a décrits non seulement comme difficiles, mais même comme « excentriques et à certains égards repoussants ».

Il fut également l »un des créateurs du calcul au moyen d »opérateurs, calcul opérationnel ou calcul opérationnel, si utile par la suite en ingénierie, au développement et à l »exposition duquel il consacra une bonne partie de son activité de 1894 à 1898, recueillie dans le deuxième volume de la théorie électromagnétique. Bien que la méthode ne se soit répandue qu »après sa mort, elle a été considérée comme l »une des trois grandes avancées mathématiques du dernier quart du XIXe siècle.

Heaviside concevait les mathématiques comme une science expérimentale et méprisait les « mathématiciens purs » universitaires. Ses mathématiques ne s »intéressaient pas aux preuves ou aux théorèmes d »existence, mais à la résolution de problèmes physiques, dont les relations fonctionnelles sont simples et ne nécessitent pas l »analyse exhaustive de toutes les possibilités abstraites. Il va sans dire que l »opinion que les mathématiciens professionnels avaient de lui et de ses méthodes n »était pas très bonne.

Sources

Oliver Heaviside
Oliver Heaviside
«Oliver Heaviside; British physicist». Encyclopedia Britannica (en inglés). Consultado el 31 de diciembre de 2019.
^ 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.
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.
3,0 3,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22 Αυγούστου 2017.
(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)
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
a et b (en) Bruce J. Hunt, The Maxwellians, Cornell University Press, 1991 (ISBN 978-0-8014-8234-2), p. 60