Oliver Heaviside
gigatos | decembrie 31, 2021
Rezumat
Oliver Heaviside, (Londra, Anglia, 18 mai 1850 – Torquay, Anglia, 3 februarie 1925) a fost un fizician, inginer electrician, radiograf și matematician englez. Heaviside a introdus numerele complexe în analiza circuitelor, a inventat o nouă tehnică de rezolvare a ecuațiilor diferențiale (echivalentul transformării Laplace), a dezvoltat independent calculul vectorial și a rescris ecuațiile lui Maxwell în formatul utilizat în mod obișnuit astăzi. El a influențat în mod semnificativ modul în care ecuațiile lui Maxwell au fost înțelese și aplicate în deceniile de după moartea lui Maxwell. Formularea ecuațiilor telegrafice a fost relevantă din punct de vedere comercial în timpul vieții sale, deși acestea au trecut neobservate pentru o lungă perioadă de timp, deoarece puțini erau atunci familiarizați cu noua sa metodologie. Deși relațiile sale cu mediul științific au fost complicate în cea mai mare parte a vieții sale, Heaviside a remodelat domeniul telecomunicațiilor, al matematicii și al științei.
Citește și, biografii – Gustave Doré
Copii și tineri
Oliver a fost al patrulea copil în familia lui Thomas Heaviside și a lui Rachel West. Tatăl său era un talentat gravor pe lemn, dar meseria sa era deja afectată de concurența tehnicilor fotografice în curs de dezvoltare, iar familia era mereu în criză de bani. Mama a înființat un fel de mică școală pentru domnișoare în casa lor închiriată din Camden Town pentru a obține mai multe venituri. Atmosfera din familie trebuie să fi fost tensionată și mohorâtă. Situația a fost complicată în cazul lui Oliver de faptul că, în copilărie, a suferit de scarlatină, în urma căreia a devenit practic surd. Acest lucru i-a îngreunat relația cu ceilalți, în special cu ceilalți băieți, și probabil că a stat la baza caracterului încruntat și retras pe care l-a afișat pentru tot restul vieții, deși și-a recăpătat o mare parte din auz mai târziu, în adolescență.
O moștenire primită în 1863 a însemnat o îmbunătățire financiară semnificativă pentru familie. Familia Heaviside s-a mutat într-o locuință mai bună în același cartier, iar Oliver a putut merge la școală, unde a excelat la științele naturii, câștigând o medalie la examenele din 1865. Dar școala sa a trebuit să se încheie în anul următor. Restul pregătirii sale intelectuale a fost autodidact și se pare că a fost un vizitator asiduu și avid al bibliotecilor publice. A fost atras în mod deosebit de lucrările științifice și, astfel, a studiat în profunzime tratatele lui Newton și Laplace.
Citește și, biografii – Rege al Ungariei
Neputând să urmeze cursurile universitare, a fost nevoit să meargă la muncă. În 1867 s-a mutat la Newcastle, unde și-a început viața profesională ca telegrafist. Această orientare, atât de decisivă pentru cariera sa ulterioară, a fost rezultatul circumstanțelor familiale. O soră mai mare a mamei sale, Emma West, se căsătorise cu Charles Wheatstone, co-inventator al unui sistem de telegraf împreună cu W. F. Cooke, ceea ce l-a făcut bogat și puternic. Un frate mai mare al lui Oliver, Arthur W. Heaviside, a devenit asistentul unchiului său, apoi a ajuns să conducă compania locală de telegraf din Newcastle; a ajuns să dețină un post important în cadrul Oficiului Poștal. Oliver, la rândul său, a început ca asistent al fratelui său, iar în toamna anului 1868 a fost repartizat la conducerea noului cablu submarin întins între Newcastle și Danemarca, mai întâi ca operator și apoi ca electrician, numele dat pe atunci specialiștilor în cea mai nouă și mai interesantă dintre toate ingineriile electrice. Anii următori au fost petrecuți de Oliver în atelierele și la bordul navelor însărcinate cu întreținerea liniei, locuri privilegiate în care au fost experimentate și analizate toate aspectele noilor fenomene și probleme care apăreau continuu. În acest timp, a continuat să studieze fizica pe cont propriu, atât teoretic, cât și experimental.
În mai 1874 și-a părăsit slujba din Newcastle și s-a întors la casa părinților săi din Londra, atât din motive de sănătate (suferea de un fel de criză pseudo-epileptică), cât și din dorința de a se dedica exclusiv studiului și cercetării. Nu a mai avut niciodată un loc de muncă regulat plătit, cu excepția cazului în care se consideră ca atare munca sporadică de editorialist, care îi aducea un randament slab. A respins toate oportunitățile de angajare pe care fratele său și alții i le-au oferit, alegând un mod de viață extrem de auster în schimbul unei libertăți totale pentru cercetările sale. „M-am născut filozof natural, nu inginer agitat sau „om practic” în sensul mercantil”, se caracteriza el însuși la sfârșitul vieții. Multe dintre contribuțiile sale teoretice au avut aplicații practice importante, dar nu a căutat niciodată să obțină un profit financiar de pe urma lor (probabil pe urmele lui Faraday, unul dintre idolii săi), în ciuda freneziei inventive și a brevetelor care au urmat, inclusiv a exemplului apropiat al unchiului său Wheatstone.
Citește și, biografii – Thomas Carlyle
Ultimii ani
După 1900, activitatea științifică a lui Heaviside a scăzut considerabil în cantitate și calitate, încetând practic în 1906, deși ultima sa carte a fost publicată în 1912. Una dintre cauzele principale a fost reprezentată de problemele cauzate de starea sa de sănătate precară.
În septembrie 1889, Oliver și părinții săi au plecat să locuiască la fratele său Charles, care avea un magazin de instrumente muzicale în Paington, Devonshire, urmând o altă linie de activitate a familiei inițiată de Wheatstone, care inventase și concertina. După moartea părinților săi în 1894 și 1896, Oliver s-a mutat în 1897 într-o casă izolată la țară, în apropiere de Newton Abbot și nu departe de Paington, dar experiența nu a fost foarte satisfăcătoare, iar în 1908 s-a întors să locuiască ca chiriaș în Torquay, unde a murit în 1925, după ce a dus o viață din ce în ce mai singuratică și excentrică.
Citește și, biografii – Jacques Cartier
Distincții și onoruri
În ciuda vieții sale eremitice, lucrările publicate de Heaviside și activitățile prietenilor săi influenți i-au adus o mare recunoaștere, deși el nu părea să o aprecieze. De remarcat în special următoarele:
Eforturile și strădaniile lui J. Perry, G. F. FitzGerald, O. Lodge și ale altor prieteni au reușit să obțină pentru Heaviside o pensie oficială de 120 de lire sterline pe an în 1896 (majorată la 220 de lire sterline în 1914), pe care a acceptat-o în cele din urmă, după ce, cu doi ani mai devreme, refuzase o altă subvenție de la Fondul de ajutorare științifică al Societății Regale, administrată în același mod, pe motiv că era vorba de „caritate”.
Citește și, biografii – Giovanni da Verrazzano
Începuturi
Prima sa lucrare publicată datează din iulie 1872 și a apărut în English Mechanic sub semnătura „O.”; aceasta se referea la o metodă de comparare a forțelor electromotoare descoperită de Heaviside în 1870. În februarie 1873 a publicat prima sa lucrare în Philosophical Magazine, cea mai importantă revistă de fizică a vremii. De data aceasta, a fost vorba despre optimizarea punții Wheatstone, un instrument de măsură bine cunoscut în practica telegrafiștilor și a fizicienilor, dar care nu a găsit până atunci o tratare matematică riguroasă. Acest articol l-a adus în atenția celor mai importante personalități științifice ale vremii, cum ar fi Lord Kelvin și Maxwell. Multe dintre trăsăturile intelectuale ale lui Heaviside sunt deja prezente în această lucrare, inclusiv cea fundamentală de a aplica metode matematice puternice la rezolvarea problemelor practice (se pare că până și lui Kelvin i s-a părut dificilă algebra sa).
În următorii patruzeci de ani, Heaviside a produs un flux neîntrerupt de lucrări, care au apărut în principal în periodice precum The Electrician, Philosophical Magazine și Nature, însumând peste trei mii de pagini dense. Aceste contribuții au fost apoi publicate în mod regulat sub formă de carte, constituind lucrările enumerate în bibliografie.
Citește și, civilizatii – Regatul Prusiei
Teoria liniilor de transmisie a semnalelor
Subiectul fundamental al primelor cercetări ale lui Heaviside a fost propagarea semnalelor pe liniile telegrafice, în special distorsiunea pe care acestea o sufereau atunci când treceau prin linii de cablu subterane sau submarine. Fenomenul devenise de actualitate în 1853, când Latimer Clark l-a observat pentru prima dată pe linia anglo-olandeză, aducându-l în atenția lui Faraday, care l-a studiat și l-a considerat o dovadă a propriilor sale idei despre câmpul electromagnetic, în special despre „efectele transversale ale curenților” (Experimental Researches in Electricity, vol. III, p. 508). Toate acestea au pus sub semnul întrebării însăși fezabilitatea cablului transatlantic planificat, a cărui lungime era nemaiîntâlnită până atunci. În 1855, Lord Kelvin a elaborat o teorie a telegrafului electric în care a combinat ideile lui Faraday cu ecuațiile lui Fourier privind difuzia căldurii într-un corp solid, ajungând la concluzia că întârzierea semnalelor se datorează combinației dintre rezistența și capacitatea cablului, care crește odată cu pătratul lungimii cablului. Acesta era un fenomen inevitabil, care limita viteza de transmisie, dar care putea fi depășit dacă se acorda atenția cuvenită atât caracteristicilor electrice ale cablurilor, cât și utilizării unor aparate foarte speciale pentru transmisie și recepție, precum și a unor tehnici de transmisie atent selecționate. Dar aceste considerente nu au fost inițial acceptate fără rezerve (așa cum aveau să fie mai târziu), iar cablul a fost instalat în 1858. Cu toate acestea, exploatarea sa inițială a fost dezamăgitoare și a devenit inutilizabilă după doar o lună de funcționare, servind doar la demonstrarea corectitudinii ideilor lui Kelvin, care a fost lăsat să proiecteze și să exploateze o nouă linie, finalizată în 1866, care a fost un succes.
Heaviside a aplicat teoria lui Kelvin la propriile sale experiențe cu cablul anglo-danez și a publicat o serie de lucrări pe această temă între 1874 și 1889, în urma cărora teoria a fost extinsă pentru a include doi noi factori care nu fuseseră luați în considerare până atunci: pierderile de linie (pe care Heaviside, deloc zgârcit în crearea de neologisme, le-a numit leakance, care avea să fie traduse ca fugance sau perditance) și, mai ales, autoinducția. El a completat și rectificat astfel teoria inițială, formulând ceea ce a fost cunoscut pentru o lungă perioadă de timp sub numele de „ecuația lui Heaviside” sau „ecuația telegrafistului”, care dă valoarea instantanee a tensiunii (v) în orice punct (x) al liniei în funcție de caracteristicile electrice ale acesteia: rezistența (k), capacitatea (c) și inductanța (s):
Atunci când se ia în considerare autoinducția, curentul electric nu se mai propagă pur și simplu de-a lungul liniei, ca în conceptul anterior, ci provoacă o serie de oscilații inițiale până când se ajunge la o stare stabilă. Propagarea semnalelor, chiar și prin cablu, a fost astfel definitiv legată de undele electromagnetice.
În 1887, Heaviside a formulat ideea că este posibil să se combine parametrii electrici ai unei linii de transmisie a semnalului astfel încât să se elimine orice distorsiune, adică, deși întregul semnal este atenuat, toate frecvențele componente sunt atenuate în aceeași proporție. Acest lucru era esențial pentru noile comunicații telefonice, chiar mai mult decât pentru comunicațiile prin telegraf. Numeroase brevete au fost obținute pe această bază de către alte persoane (cum ar fi Silvanus P. Thompson, J. S. Stone și A. K. Erlang), dar punerea în aplicare a necesitat un efort suplimentar considerabil și nu a fost realizată cu succes până la contribuțiile lui G. A. Campbell și Michael I. Pupin în jurul anului 1900 (cu apeluri de J. S. Stone și A. K. Erlang). Pupin în jurul anului 1900 (cu așa-numitele „bobine de încărcare”).
Deși Gustav Kirchhoff a inclus autoinducția în teoria liniilor lungi încă din 1857, propunerea sa nu a avut niciun impact. În schimb, Heaviside a devenit apostolul acesteia. „Autoinducția este mântuirea”, spunea el în 1897 (și tot în 1904: „Dacă iubirea este ceea ce mișcă lumea, autoinducția este ceea ce mișcă valurile prin ea”. (Teoria electromagnetică, vol. 3, p. 194). Această poziție s-a ciocnit frontal cu cea a inginerului W. H. Preece, care a devenit șeful suprem al serviciului britanic de telegraf și telefonie (Post Office), care susținea punctul de vedere primitiv conform căruia autoinducția era întotdeauna dăunătoare pe o linie de comunicații și trebuia redusă la minimum. Confruntarea a durat până la moartea lui Preece și l-a costat pe Heaviside nu puțină suferință.
Citește și, biografii – Infantele Carlos, Conte de Molina
Maxwellianismul
Prima ediție a tratatului lui Maxwell despre electricitate și magnetism a fost publicată în 1873, iar Heaviside a studiat-o imediat, fiind profund impresionat de conținutul ei, deși inițial nu a înțeles noutatea sa (ca majoritatea cititorilor contemporani), în special în ceea ce privește undele electromagnetice și propagarea lor prin mediu (eterul ca dielectric). Aparatul matematic utilizat, bazat pe quaternioni, era, de asemenea, peste capacitățile sale de atunci. Prin urmare, a dedicat mai mulți ani studiului aprofundat al acesteia și, în 1876, a început să o citeze în propria sa lucrare. Moartea prematură a lui Maxwell, în 1879, a reprezentat o schimbare radicală a circumstanțelor, deoarece nu se mai putea aștepta ca maestrul să contribuie la o teorie care avea mare nevoie de contribuții și de a fi făcută cunoscută publicului. Heaviside și-a asumat această sarcină și, după propria sa mărturisire, a început să o îndeplinească în mod conștient încă din 1882. Dar el nu s-a limitat la repetarea conținutului Tratatului ca „text sacru” (J. J. J. Thomson a mers atât de departe încât l-a numit pe Heaviside un „maxwellian apostat”), ci l-a reelaborat, rafinat și extins, rezultând ceea ce știința de astăzi cunoaște sub numele de teoria lui Maxwell. Astăzi se vorbește adesea despre „cele patru ecuații ale lui Maxwell”, dar merită să știm că adevăratul număr de ecuații conținute în Tratat este de treisprezece. Sinteza finală și clarificarea teoretică reprezentată de cele patru ecuații s-a datorat muncii, mai întâi independent și apoi în comun, a lui Heaviside și Hertz.
În însușirea, reelaborarea și diseminarea teoriei maxwelliene, Heaviside s-a bucurat de colaborarea decisivă a altor fizicieni englezi, care au fost numiți „maxwellieni”, în principal G. F. FitzGerald și O. Lodge în primii ani, iar mai târziu J. Larmor, deși relația lui Heaviside cu acesta din urmă a fost mai puțin armonioasă decât cu ceilalți.
În ciuda implicării sale în această teorie, Heaviside nu a considerat că teoria maxwelliană este completă sau că are ultimul cuvânt. El nu a considerat nici măcar experimentele lui Hertz din 1886-1888 ca fiind o dovadă irefutabilă a corectitudinii sale. Problemele ridicate de mișcarea eterului și de însuși conceptul său au fost acolo pentru a demonstra acest lucru, iar o complicație suplimentară a fost rolul teoretic tot mai mare al electronului în ultimii ani ai secolului al XIX-lea, împreună cu confirmările sale experimentale, care au forțat o modificare a conceptelor maxwelliene de sarcină și curent. Heaviside a fost activ în extinderea ecuațiilor de câmp la sarcinile mobile (electroni) și a furnizat unele dintre primele soluții complete.
Citește și, biografii – Anne Henrietta a Angliei
Instrumente matematice
Reprezentarea simbolică a mărimilor fizice înzestrate cu orientare a fost un proces de consolidare lentă, care s-a desfășurat de-a lungul secolului al XIX-lea, începând cu numerele complexe, aplicabile în plan. Generalizarea lor în spațiu a fost, firește, și mai dificilă. Acesta a fost scopul teoriei quaternionilor a lui W. R. Hamilton. În studiul electromagnetismului este esențial să existe o notație concisă și eficientă pentru manipularea vectorilor spațiali, iar Maxwell a folosit quaternionii, dar adesea într-o formă simplificată. Pentru scopurile pedagogice și de sistematizare ale lui Heaviside, acest lucru nu era suficient, așa că a elaborat analiza vectorială ca o algebră independentă, formulată în ceea ce este încă forma sa actuală în capitolul III din Teoria electromagnetică. Acesta conține, de asemenea, motivele respingerii teoriei quaternionice, subiect în legătură cu care a avut controverse aprinse cu P. G. Tait, principalul exponent și apărător al acesteia, până la sfârșitul carierei sale. În orice caz, calculul vectorial era practic necunoscut inginerilor și fizicienilor din vremea sa (Heaviside a trebuit să-l învețe pe Hertz), ceea ce a contribuit la dificultatea înțelegerii scrierilor lui Heaviside, în ciuda eforturilor sale pedagogice susținute, până la punctul în care prietenul său Lodge le-a descris nu numai ca fiind dificile, ci chiar „excentrice și, în unele privințe, respingătoare”.
A fost, de asemenea, unul dintre creatorii calculului cu ajutorul operatorilor, calculul operațional sau calculul operațional, atât de util mai târziu în inginerie, la dezvoltarea și expunerea căruia și-a dedicat o bună parte din activitatea sa din 1894 până în 1898, adunată în al doilea volum al lucrării Teoria electromagnetică. Cu toate că metoda nu s-a răspândit decât după moartea sa, ea a fost considerată unul dintre cele trei mari progrese matematice ale ultimului sfert al secolului al XIX-lea.
Heaviside concepea matematica ca pe o știință experimentală și îi disprețuia pe „matematicienii puri” academici. Matematica sa nu era preocupată de demonstrații sau de teoreme de existență, ci de rezolvarea unor probleme fizice, ale căror relații funcționale sunt simple și nu necesită analiza exhaustivă a tuturor posibilităților abstracte. Inutil să mai spunem că opinia despre el și metodele sale în rândul matematicienilor profesioniști nu era, în consecință, foarte bună.
sursele
