Oliver Heaviside
gigatos | 4 lutego, 2022
Streszczenie
Oliver Heaviside, (Londyn, Anglia, 18 maja 1850 – Torquay, Anglia, 3 lutego 1925) był angielskim fizykiem, inżynierem elektrykiem, radiografem i matematykiem. Heaviside wprowadził liczby zespolone do analizy obwodów, wynalazł nową technikę rozwiązywania równań różniczkowych (odpowiednik transformaty Laplace”a), niezależnie opracował rachunek wektorowy i przepisał równania Maxwella w powszechnie używanym dziś formacie. W znaczący sposób ukształtował on sposób rozumienia i stosowania równań Maxwella w dziesięcioleciach po śmierci Maxwella. Sformułowane przez niego równania telegraficzne miały znaczenie komercyjne już za jego życia, choć przez długi czas pozostawały niezauważone, ponieważ mało kto znał jego nowatorską metodologię. Mimo że jego relacje z establishmentem naukowym były skomplikowane przez większość życia, Heaviside na nowo ukształtował dziedzinę telekomunikacji, matematyki i nauki.
Przeczytaj także: wazne_wydarzenia – Rewolucja kubańska
Dzieci i młodzież
Oliver był czwartym dzieckiem w rodzinie Thomasa Heaviside”a i Rachel West. Jego ojciec był utalentowanym rytownikiem, ale jego fach cierpiał już z powodu konkurencji ze strony rodzącej się techniki fotograficznej, a rodzinie zawsze brakowało pieniędzy. Matka założyła coś w rodzaju małej szkoły dla młodych panien w wynajmowanym domu w Camden Town, aby uzyskać większy dochód. Atmosfera w rodzinie musiała być napięta i ponura. W przypadku Olivera sytuację komplikował fakt, że w dzieciństwie zachorował na szkarlatynę, w wyniku której praktycznie ogłuchł. Utrudniało mu to nawiązywanie relacji z innymi, zwłaszcza z innymi chłopcami, i prawdopodobnie stało się podstawą ponurego i wycofanego charakteru, który wykazywał przez resztę życia, chociaż w okresie dojrzewania odzyskał znaczną część słuchu.
Zapis otrzymany w 1863 roku oznaczał dla rodziny wyraźną poprawę finansową. Heavisidesowie przenieśli się do lepszych mieszkań w tej samej okolicy, a Oliver mógł uczęszczać do szkoły, gdzie wyróżniał się w naukach przyrodniczych, zdobywając medal w egzaminach w 1865 roku. Ale jego nauka musiała się zakończyć w następnym roku. Reszta jego intelektualnego wykształcenia była wynikiem samouctwa, a on sam, jak się wydaje, był wytrwałym i zapalonym gościem bibliotek publicznych. Szczególnie pociągały go dzieła naukowe, dlatego zagłębił się w rozprawy Newtona i Laplace”a.
Przeczytaj także: biografie-pl – Sean Connery
Dojrzałość
Nie mogąc uczęszczać na studia, musiał iść do pracy. W 1867 r. przeniósł się do Newcastle, gdzie rozpoczął pracę jako telegrafista. Ta orientacja, tak decydująca o jego późniejszej karierze, wynikała z uwarunkowań rodzinnych. Starsza siostra jego matki, Emma West, wyszła za mąż za Charlesa Wheatstone”a, współwynalazcę systemu telegraficznego z W. F. Cooke”em, co uczyniło go bogatym i wpływowym. Starszy brat Olivera, Arthur W. Heaviside, został asystentem swojego wuja, a następnie prowadził lokalną firmę telegraficzną w Newcastle; w końcu objął ważne stanowisko w Urzędzie Pocztowym. Oliver, ze swej strony, rozpoczął pracę jako asystent brata, a jesienią 1868 roku został przydzielony do prowadzenia nowego kabla podmorskiego ułożonego między Newcastle i Danią, najpierw jako operator, a następnie jako elektryk, nazwa nadana wówczas specjalistom w najnowszej i najciekawszej z wszystkich inżynierii elektrycznej. Kolejne lata Oliver spędził w warsztatach i na pokładach statków odpowiedzialnych za utrzymanie linii, uprzywilejowanych miejscach, gdzie eksperymentowano i analizowano wszystkie aspekty nowych zjawisk i problemów, które ciągle się pojawiały. W tym czasie kontynuował samodzielne studia nad fizyką, zarówno teoretyczne, jak i eksperymentalne.
W maju 1874 r. porzucił pracę w Newcastle i powrócił do domu rodziców w Londynie, zarówno ze względów zdrowotnych (cierpiał na rodzaj napadu pseudoepileptycznego), jak i z chęci poświęcenia się wyłącznie studiom i badaniom. Nigdy już nie podjął regularnej pracy zarobkowej, chyba że za taką uznać sporadyczną pracę felietonisty, która dawała mu mizerny dochód. Odrzucił wszystkie możliwości zatrudnienia, jakie oferował mu brat i inni, wybierając niezwykle surowy tryb życia w zamian za całkowitą wolność dla swoich badań. „Urodziłem się filozofem przyrody, a nie niespokojnym inżynierem czy ”człowiekiem praktycznym” w sensie merkantylnym” – scharakteryzował siebie pod koniec życia. Wiele z jego prac teoretycznych miało ważne zastosowania praktyczne, ale nigdy nie próbował czerpać z nich zysków finansowych (prawdopodobnie idąc w ślady Faradaya, jednego ze swoich idoli), pomimo ówczesnej furii wynalazczej i konsekwentnego patentowania, w tym niedalekiego przykładu jego wuja Wheatstone”a.
Przeczytaj także: biografie-pl – James Clerk Maxwell
Ostatnie lata
Po roku 1900 aktywność naukowa Heaviside”a znacznie zmalała ilościowo i jakościowo, praktycznie ustała w roku 1906, choć ostatnia jego książka ukazała się w roku 1912. Jedną z głównych przyczyn były problemy wynikające z jego uporczywego złego stanu zdrowia.
Oliver i jego rodzice zamieszkali we wrześniu 1889 roku z bratem Charlesem, który miał sklep z instrumentami muzycznymi w Paington, Devonshire, kontynuując kolejną z rodzinnych linii działania zapoczątkowaną przez Wheatstone”a, który wynalazł również koncertinę. Po śmierci rodziców w 1894 i 1896 roku, Oliver przeniósł się w 1897 roku do wolnostojącego domu na wsi w pobliżu Newton Abbot i niedaleko Paington, ale doświadczenie to nie było zbyt satysfakcjonujące i w 1908 roku wrócił do Torquay, gdzie zmarł w 1925 roku, prowadząc coraz bardziej samotne i ekscentryczne życie.
Przeczytaj także: historia-pl – Związek Szwabski
Wyróżnienia i odznaczenia
Pomimo jego eremickiego życia, opublikowane prace Heaviside”a i działalność jego wpływowych przyjaciół przyniosły mu wielkie uznanie, choć on sam nie wydawał się tego doceniać. Na szczególną uwagę zasługują następujące kwestie:
Starania i wysiłki J. Perry”ego, G. F. FitzGeralda, O. Lodge”a i innych przyjaciół zdołały zapewnić Heaviside”owi oficjalną rentę w wysokości 120 funtów rocznie w 1896 r. (podniesioną do 220 funtów w 1914 r.), którą ostatecznie przyjął, odrzuciwszy dwa lata wcześniej inną dotację z Scientific Relief Fund of the Royal Society, zarządzaną w ten sam sposób, na tej podstawie, że była to „działalność charytatywna”.
Przeczytaj także: bitwy – Aubrey Beardsley
Początki
Jego pierwsza opublikowana praca pochodzi z lipca 1872 roku i ukazała się w „English Mechanic” pod podpisem „O.”; dotyczyła metody porównywania sił elektromotorycznych odkrytej przez Heaviside”a w 1870 roku. W lutym 1873 r. opublikował swoją pierwszą pracę w „Philosophical Magazine”, najważniejszym czasopiśmie fizycznym tamtych czasów. Tym razem dotyczyła ona optymalizacji mostka Wheatstone”a, przyrządu pomiarowego dobrze znanego w praktyce telegrafistów i fizyków, który jednak do tej pory nie doczekał się ścisłego matematycznego opracowania. Artykuł ten zwrócił na niego uwagę najważniejszych osobistości naukowych tamtych czasów, takich jak Lord Kelvin i Maxwell. Wiele cech intelektualnych Heaviside”a jest już obecnych w tej pracy, w tym ta fundamentalna, polegająca na stosowaniu potężnych metod matematycznych do rozwiązywania problemów praktycznych (nawet Kelvin najwyraźniej uważał jego algebrę za trudną).
Przez następne czterdzieści lat Heaviside produkował nieprzerwany strumień prac, które ukazywały się głównie w takich czasopismach jak The Electrician, Philosophical Magazine i Nature, liczących w sumie ponad trzy tysiące gęstych stron. Prace te były następnie regularnie publikowane w formie książkowej, stanowiąc dzieła wymienione w bibliografii.
Przeczytaj także: wazne_wydarzenia – Karl Marx
Teoria linii przesyłania sygnałów
Podstawowym tematem wczesnych badań Heaviside”a było rozchodzenie się sygnałów po liniach telegraficznych, a zwłaszcza zniekształcenia, jakim ulegały one przy przechodzeniu przez podziemne lub podmorskie linie kablowe. Zjawisko to stało się aktualne w 1853 r., kiedy Latimer Clark po raz pierwszy zaobserwował je na linii angielsko-holenderskiej, zwracając na nie uwagę Faradaya, który zbadał je i uznał za dowód własnych idei dotyczących pola elektromagnetycznego, w szczególności „efektów poprzecznych prądów” (Experimental Researches in Electricity, t. III, s. 508). Wszystko to stawiało pod znakiem zapytania samą możliwość realizacji planowanego kabla transatlantyckiego, którego długość była wcześniej niespotykana. W 1855 r. Lord Kelvin opracował teorię telegrafu elektrycznego, w której połączył idee Faradaya z równaniami Fouriera dotyczącymi dyfuzji ciepła w ciele stałym, dochodząc do wniosku, że opóźnienie sygnałów wynikało z połączenia oporu i pojemności kabla, które wzrastały wraz z kwadratem jego długości. Było to zjawisko nieuniknione, które ograniczało szybkość transmisji, ale które można było przezwyciężyć, jeśli zwróciło się należytą uwagę zarówno na właściwości elektryczne kabli, jak i na zastosowanie bardzo specjalnej aparatury nadawczej i odbiorczej oraz starannie dobranych technik transmisji. Jednak względy te nie zostały początkowo przyjęte bez zastrzeżeń (jak miało to nastąpić później) i kabel został położony w 1858 roku. Jej początkowe działanie było jednak rozczarowujące i już po miesiącu pracy stała się niezdatna do użytku, służąc jedynie do zademonstrowania poprawności pomysłów Kelvina, a on sam został pozostawiony, by zaprojektować i obsługiwać nową linię, ukończoną w 1866 roku, która okazała się sukcesem.
Heaviside zastosował teorię Kelvina do własnych doświadczeń z kablem angielsko-duńskim i w latach 1874-1889 opublikował na ten temat szereg prac, w wyniku których teoria ta została rozszerzona o dwa nowe, nieuwzględniane wcześniej czynniki: straty liniowe (które Heaviside, wcale nie oszczędny w tworzeniu neologizmów, nazwał leakance, co miało być tłumaczone jako fugance lub perditance), a przede wszystkim samoindukcję. W ten sposób uzupełnił i skorygował początkową teorię, formułując to, co przez długi czas było znane jako „równanie Heaviside”a” lub „równanie telegrafisty”, które podaje chwilową wartość napięcia (v) w dowolnym punkcie (x) linii jako funkcję jej właściwości elektrycznych: oporu (k), pojemności (c) i indukcyjności (s):
Po uwzględnieniu samoindukcji, prąd elektryczny nie rozprzestrzenia się wzdłuż linii, jak to miało miejsce w poprzedniej koncepcji, ale powoduje serię początkowych oscylacji aż do osiągnięcia stanu ustalonego. Propagacja sygnałów, nawet za pomocą kabla, była więc definitywnie związana z falami elektromagnetycznymi.
W 1887 roku Heaviside sformułował ideę, że możliwe jest takie połączenie parametrów elektrycznych linii transmisyjnej sygnału, aby wyeliminować wszelkie zniekształcenia, tzn. aby pomimo tłumienia całego sygnału, wszystkie jego częstotliwości składowe były tłumione w tej samej proporcji. Było to niezbędne dla nowej łączności telefonicznej, nawet bardziej niż dla łączności telegraficznej. Liczne patenty zostały uzyskane na tej podstawie przez innych (takich jak Silvanus P. Thompson, J. S. Stone i A. K. Erlang), ale jego realizacja wymagała znacznego dodatkowego wysiłku i nie została pomyślnie zrealizowana aż do wkładu G. A. Campbell i Michael I. Pupin około 1900 roku (z połączeń przez J. S. Stone i A. K. Erlang). Pupin ok. 1900 r. (z tzw. „cewkami ładującymi”).
Chociaż Gustav Kirchhoff włączył samoindukcję do teorii linii długich już w 1857 roku, jego propozycja nie miała żadnego wpływu. Zamiast niego jego apostołem został Heaviside. „Samoindukcja jest zbawieniem” – powiedział w 1897 roku (i jeszcze w 1904: „Jeśli miłość jest tym, co porusza świat, to samoindukcja jest tym, co porusza przez niego fale”. (Teoria elektromagnetyczna, t. 3, s. 194). Stanowisko to zderzyło się bezpośrednio z poglądem inżyniera W. H. Preece”a, który został najwyższym szefem brytyjskiej służby telegraficznej i telefonicznej (Post Office), który wyznawał prymitywny pogląd, że samoindukcja jest zawsze szkodliwa na linii komunikacyjnej i powinna być zminimalizowana. Konfrontacja ta trwała aż do śmierci Preece”a i kosztowała Heaviside”a niemało żalu.
Przeczytaj także: cywilizacje – Pismo linearne A
Maxwellianizm
Pierwsze wydanie „Traktatu o elektryczności i magnetyzmie” Maxwella ukazało się w 1873 r. i Heaviside natychmiast je przestudiował, będąc pod wielkim wrażeniem jego treści, choć początkowo nie rozumiał jego nowatorstwa (jak większość współczesnych mu czytelników), zwłaszcza jeśli chodzi o fale elektromagnetyczne i ich rozchodzenie się w ośrodku (eter jako dielektryk). Zastosowany aparat matematyczny, oparty na kwaternionach, również przekraczał jego ówczesne możliwości. Dlatego poświęcił kilka lat na jej dogłębne studiowanie, a w 1876 r. zaczął ją cytować we własnych pracach. Przedwczesna śmierć Maxwella w 1879 roku stanowiła radykalną zmianę okoliczności, gdyż nie można było już oczekiwać od mistrza, że wniesie swój wkład w teorię, która bardzo potrzebowała wkładu i upublicznienia. Heaviside wziął to zadanie na siebie i, jak sam przyznał, świadomie zaczął je realizować już w 1882 roku. Nie ograniczył się jednak do powtórzenia treści traktatu jako „świętego tekstu” (J.J. Thomson posunął się do nazwania Heaviside”a „apostatą Maxwella”), ale przerobił go, udoskonalił i rozszerzył, czego efektem jest to, co dzisiejsza nauka zna jako teorię Maxwella. Dziś często mówi się o tym jako o „czterech równaniach Maxwella”, ale warto wiedzieć, że prawdziwa liczba równań zawartych w Traktacie wynosi trzynaście. Ostateczna synteza i teoretyczne wyjaśnienie reprezentowane przez te cztery równania było wynikiem pracy, najpierw niezależnej, a następnie wspólnej, Heaviside”a i Hertza.
W zawłaszczeniu, przerobieniu i rozpowszechnieniu teorii Maxwelliana Heaviside miał decydującą współpracę z innymi fizykami angielskimi, których nazwano „the Maxwellians”, głównie G. F. FitzGeralda i O. Lodge”a we wczesnych latach, a później J. Larmora, chociaż relacje Heaviside”a z tym ostatnim były mniej harmonijne niż z pozostałymi.
Mimo swego zaangażowania Heaviside nie uważał teorii Maxwelliana za kompletną ani za mającą ostatnie słowo. Nie uznał nawet eksperymentów Hertza z lat 1886-1888 za niepodważalny dowód jej poprawności. Świadczyły o tym problemy, jakie stwarzał ruch eteru i sama jego koncepcja, a dodatkowym utrudnieniem była rosnąca w ostatnich latach XIX wieku teoretyczna rola elektronu, wraz z jej doświadczalnymi potwierdzeniami, co wymusiło modyfikację Maxwellowskich koncepcji ładunku i prądu. Heaviside był aktywny w rozszerzaniu równań pola na ruchome ładunki (elektrony) i dostarczył kilka z pierwszych kompletnych rozwiązań.
Przeczytaj także: biografie-pl – Frida Kahlo
Instrumenty matematyczne
Symboliczna reprezentacja wielkości fizycznych obdarzonych orientacją była procesem powolnego utrwalania, który trwał przez cały XIX wiek, począwszy od liczb zespolonych, mających zastosowanie na płaszczyźnie. Ich uogólnienie na przestrzeń kosmiczną było oczywiście jeszcze trudniejsze. Taki był cel teorii kwaternionów W. R. Hamiltona. W badaniach elektromagnetyzmu niezbędne jest posiadanie zwięzłej i efektywnej notacji do operowania wektorami przestrzennymi, a Maxwell używał kwaternionów, ale często w uproszczonej formie. Dla celów pedagogicznych i systematyzacyjnych Heaviside”a było to niewystarczające, więc opracował on analizę wektorową jako niezależną algebrę, sformułowaną w obecnej postaci w III rozdziale Teorii elektromagnetyzmu. Zawiera ona również powody odrzucenia teorii kwaternionicznej, na temat której do końca swej kariery toczył gorące spory z P. G. Taitem, jej głównym demaskatorem i obrońcą. W każdym razie, rachunek wektorowy był praktycznie nieznany inżynierom i fizykom jego czasów (Heaviside musiał uczyć go Hertza), co przyczyniło się do tego, że pisma Heaviside”a były trudne do zrozumienia, pomimo jego usilnych starań pedagogicznych, do tego stopnia, że jego przyjaciel Lodge określił je nie tylko jako trudne, ale nawet jako „ekscentryczne i pod pewnymi względami odpychające”.
Był też jednym z twórców tak przydatnego później w inżynierii rachunku operatorów, rachunku operacyjnego lub rachunku operacyjnego, któremu poświęcił znaczną część swej działalności w latach 1894-1898, zebraną w drugim tomie Teorii elektromagnetycznej. Chociaż metoda ta rozpowszechniła się dopiero po jego śmierci, została uznana za jeden z trzech wielkich postępów matematycznych ostatniego ćwierćwiecza XIX wieku.
Heaviside pojmował matematykę jako naukę eksperymentalną i gardził akademickimi „czystymi matematykami”. Jego matematyka nie zajmowała się dowodami czy twierdzeniami o istnieniu, lecz rozwiązywaniem problemów fizycznych, których relacje funkcjonalne są proste i nie wymagają wyczerpującej analizy wszystkich abstrakcyjnych możliwości. Nie trzeba dodawać, że opinia o nim i jego metodach wśród zawodowych matematyków była odpowiednio niezbyt dobra.
Źródła
