Хевисайд, Оливер

gigatos | 26 декабря, 2021

Post Views: 256

Суммури

Оливер Хевисайд (Лондон, Англия, 18 мая 1850 — Торки, Англия, 3 февраля 1925) — английский физик, инженер-электрик, радиограф и математик. Хевисайд ввел комплексные числа в анализ цепей, изобрел новую технику решения дифференциальных уравнений (эквивалентную преобразованию Лапласа), независимо разработал векторное исчисление и переписал уравнения Максвелла в общепринятом сегодня формате. Он существенно повлиял на понимание и применение уравнений Максвелла в течение десятилетий после смерти Максвелла. Его формулировка телеграфных уравнений имела коммерческое значение еще при его жизни, хотя долгое время оставалась незамеченной, поскольку мало кто был знаком с его новой методологией. Хотя его отношения с научным истеблишментом были сложными на протяжении большей части его жизни, Хевисайд изменил область телекоммуникаций, математики и науки.

Дети и молодежь

Оливер был четвертым ребенком в семье Томаса Хевисайда и Рейчел Вест. Его отец был талантливым гравером по дереву, но его ремесло уже страдало от конкуренции со стороны зарождающейся фотографической техники, и семье постоянно не хватало денег. Мать организовала что-то вроде маленькой школы для юных леди в их арендованном доме в Камден-Тауне, чтобы получать больше дохода. Атмосфера в семье, должно быть, была напряженной и мрачной. В случае Оливера ситуация осложнялась тем, что в детстве он перенес скарлатину, в результате чего практически оглох. Это затрудняло его общение с другими людьми, особенно с другими мальчиками, и, вероятно, стало основой угрюмого и замкнутого характера, который он демонстрировал до конца своей жизни, хотя позже, в подростковом возрасте, он восстановил большую часть своего слуха.

Завещание, полученное в 1863 году, означало заметное финансовое улучшение для семьи. Хевисайды переехали в лучшее жилье в том же районе, и Оливер смог посещать школу, где он преуспел в естественных науках, получив медаль на экзаменах 1865 года. Но его обучение должно было закончиться в следующем году. Остальная часть его интеллектуального образования была получена самостоятельно, и, похоже, он был усердным и заядлым посетителем публичных библиотек. Его особенно привлекали научные труды, поэтому он глубоко изучил трактаты Ньютона и Лапласа.

Зрелость

Не имея возможности учиться в университете, он был вынужден пойти работать. В 1867 году он переехал в Ньюкасл, где начал свою трудовую деятельность в качестве телеграфиста. Эта ориентация, столь решающая для его дальнейшей карьеры, была результатом семейных обстоятельств. Старшая сестра его матери, Эмма Уэст, вышла замуж за Чарльза Уитстоуна, изобретателя телеграфной системы совместно с У. Ф. Куком, что сделало его богатым и влиятельным. Старший брат Оливера, Артур У. Хевисайд, стал помощником своего дяди, затем возглавил местную телеграфную компанию в Ньюкасле; в итоге он занял важный пост в почтовом ведомстве. Оливер, со своей стороны, начинал как помощник брата, а осенью 1868 года был назначен на прокладку нового подводного кабеля между Ньюкаслом и Данией, сначала как оператор, а затем как электрик — так тогда называли специалистов по новейшей и самой интересной из всех отраслей электротехники. Последующие годы Оливер провел в мастерских и на борту судов, отвечающих за обслуживание линии, в привилегированных местах, где экспериментировали и анализировали все аспекты новых явлений и проблем, которые постоянно возникали. В это время он продолжал самостоятельно изучать физику, как теоретически, так и экспериментально.

В мае 1874 года он оставил работу в Ньюкасле и вернулся в родительский дом в Лондоне, как по состоянию здоровья (он страдал от своего рода псевдоэпилептического припадка), так и из желания посвятить себя исключительно учебе и исследованиям. Он больше никогда не имел постоянной оплачиваемой работы, если только не считать таковой эпизодическую работу колумниста, которая приносила ему мизерный доход. Он отверг все возможности трудоустройства, которые предлагали ему брат и другие люди, выбрав крайне аскетичный образ жизни в обмен на полную свободу для своих исследований. «Я родился прирожденным философом, а не беспокойным инженером или «практиком» в меркантильном смысле», — характеризовал он себя в конце жизни. Многие из его теоретических разработок имели важное практическое применение, но он никогда не стремился извлечь из них финансовую прибыль (вероятно, следуя по стопам Фарадея, одного из своих кумиров), несмотря на изобретательский фурор и последующее патентование того времени, включая близкий пример его дяди Уитстона.

Читайте также, биографии — Жанна д’Арк

Последние годы

После 1900 года научная деятельность Хевисайда заметно уменьшилась в количестве и качестве, практически прекратившись в 1906 году, хотя его последняя книга была опубликована в 1912 году. Одной из главных причин были проблемы, вызванные его постоянным нездоровьем.

В сентябре 1889 года Оливер с родителями переехал жить к своему брату Чарльзу, у которого был магазин музыкальных инструментов в Паингтоне, Девоншир, следуя еще одной семейной линии, начатой Уитстоном, который также изобрел концертино. После смерти родителей в 1894 и 1896 годах, Оливер переехал в 1897 году в отдельный дом в сельской местности недалеко от Ньютон Эббот и недалеко от Паингтона, но опыт был не очень удовлетворительным, и в 1908 году он вернулся жить в качестве квартиранта в Торки, где и умер в 1925 году, ведя все более уединенную и эксцентричную жизнь.

Читайте также, биографии — Ксенофонт

Награды и отличия

Несмотря на его эремитическую жизнь, опубликованные работы Хевисайда и деятельность его влиятельных друзей принесли ему большое признание, хотя он, похоже, этого не ценил. Особо следует отметить следующее:

Усилиями и стараниями Дж. Перри, Г. Ф. Фицджеральда, О. Лоджа и других друзей удалось добиться для Хевисайда официальной пенсии в размере 120 фунтов стерлингов в год в 1896 году (увеличенной до 220 фунтов стерлингов в 1914 году), которую он в итоге принял, отказавшись двумя годами ранее от другого гранта из Фонда научной помощи Королевского общества, управляемого таким же образом, на том основании, что это была «благотворительность».

Читайте также, биографии — Гефестион

Начало

Его первая опубликованная работа датируется июлем 1872 года и появилась в журнале «English Mechanic» под подписью «O.»; она касалась метода сравнения электродвижущих сил, открытого Хевисайдом в 1870 году. В феврале 1873 года он опубликовал свою первую работу в «Философском журнале», самом важном физическом журнале того времени. На этот раз речь шла об оптимизации моста Уитстоуна — измерительного прибора, хорошо известного в практике телеграфистов и физиков, но до сих пор не имевшего строгой математической обработки. Эта статья привлекла к нему внимание самых важных научных деятелей того времени, таких как лорд Кельвин и Максвелл. Многие интеллектуальные черты Хевисайда уже присутствуют в этой работе, включая фундаментальную — применение мощных математических методов к решению практических задач (даже Кельвин, очевидно, находил его алгебру трудной).

В течение следующих сорока лет Хевисайд создавал непрерывный поток статей, которые появлялись в основном в периодических изданиях, таких как «The Electrician», «Philosophical Magazine» и «Nature», общим объемом более трех тысяч плотных страниц. Эти материалы затем регулярно публиковались в виде книг, составляя работы, перечисленные в библиографии.

Читайте также, битвы — Осада Кандии

Теория линий передачи сигналов

Основной темой ранних исследований Хевисайда было распространение сигналов по телеграфным линиям, особенно искажения, которым они подвергались при прохождении по подземным или подводным кабельным линиям. Это явление стало актуальным в 1853 году, когда Латимер Кларк впервые наблюдал его на англо-голландской линии, обратив на него внимание Фарадея, который изучил его и счел доказательством своих собственных идей об электромагнитном поле, в частности «поперечных эффектов токов» (Experimental Researches in Electricity, vol. III, p. 508). Все это ставило под сомнение саму возможность реализации запланированного трансатлантического кабеля, который ранее был неслыханной длины. В 1855 году лорд Кельвин разработал теорию электрического телеграфа, в которой он объединил идеи Фарадея с уравнениями Фурье о распространении тепла в твердом теле, придя к выводу, что задержка сигналов обусловлена сочетанием сопротивления и емкости кабеля, которые увеличиваются с квадратом длины кабеля. Это было неизбежное явление, которое ограничивало скорость передачи, но которое можно было преодолеть, если уделить должное внимание как электрическим характеристикам кабелей, так и использованию очень специальной аппаратуры для передачи и приема, а также тщательно подобранным методам передачи. Но эти соображения изначально не были приняты безоговорочно (как это будет впоследствии), и кабель был проложен в 1858 году. Однако его первоначальная эксплуатация была разочаровывающей, и он пришел в негодность всего через месяц работы, послужив лишь для демонстрации правильности идей Кельвина, и ему оставили проектирование и эксплуатацию новой линии, завершенной в 1866 году, которая была успешной.

Хевисайд применил теорию Кельвина к собственному опыту работы с англо-датским кабелем и опубликовал серию работ по ней между 1874 и 1889 годами, в результате чего она была расширена, чтобы включить два новых фактора, не учитывавшихся ранее: потери в линии (которые Хевисайд, не скупясь на неологизмы, назвал leakance, что впоследствии было переведено как fugance или perditance) и, прежде всего, самоиндукцию. Таким образом, он дополнил и исправил первоначальную теорию, сформулировав то, что долгое время было известно как «уравнение Хевисайда» или «уравнение телеграфиста», которое дает мгновенное значение напряжения (v) в любой точке (x) на линии как функцию ее электрических характеристик сопротивления (k), емкости (c) и индуктивности (s):

Когда учитывается самоиндукция, электрический ток уже не просто распространяется вдоль линии, как в предыдущей концепции, а вызывает серию начальных колебаний до достижения устойчивого состояния. Таким образом, распространение сигнала, даже по кабелю, было окончательно связано с электромагнитными волнами.

В 1887 году Хевисайд сформулировал идею о том, что можно объединить электрические параметры линии передачи сигнала таким образом, чтобы устранить все искажения, т.е. чтобы, хотя весь сигнал был ослаблен, все составляющие его частоты были ослаблены в одинаковой пропорции. Это было необходимо для новой телефонной связи, даже в большей степени, чем для телеграфной. Многочисленные патенты были получены на эту основу другими людьми (такими как Сильванус П. Томпсон, Дж. С. Стоун и А. К. Эрланг), но ее реализация потребовала значительных дополнительных усилий и не была успешно реализована до вклада Г. А. Кэмпбелла и Майкла И. Пупина около 1900 года (при участии Дж. С. Стоуна и А. К. Эрланга). Пупин около 1900 года (с так называемыми «нагрузочными катушками»).

Хотя Густав Кирхгоф включил самоиндукцию в теорию длинных линий еще в 1857 году, его предложение не имело никакого влияния. Вместо него апостолом стал Хевисайд. «Самоиндукция — это спасение», — говорил он в 1897 году (и еще в 1904 году: «Если любовь — это то, что движет миром, то самоиндукция — это то, что движет волны через него»). (Электромагнитная теория, т. 3, с. 194). Эта позиция столкнулась с позицией инженера У. Х. Приса, который стал верховным руководителем британской телеграфной и телефонной службы (Post Office), который придерживался примитивного мнения, что самоиндукция всегда вредна для линии связи и должна быть сведена к минимуму. Это противостояние продолжалось до самой смерти Приса и стоило Хевисайду немалых огорчений.

Читайте также, биографии — Пётр I

Максвеллианство

Первое издание «Трактата Максвелла об электричестве и магнетизме» было опубликовано в 1873 году, и Хевисайд сразу же изучил его, находясь под сильным впечатлением от его содержания, хотя поначалу он не понял его новизны (как и большинство современных читателей), особенно в части, касающейся электромагнитных волн и их распространения через среду (эфир как диэлектрик). Используемый математический аппарат, основанный на кватернионах, также был за пределами его возможностей в то время. Поэтому он посвятил несколько лет ее углубленному изучению и в 1876 году начал цитировать ее в своих собственных работах. Ранняя смерть Максвелла в 1879 году радикально изменила обстоятельства, поскольку от мастера больше нельзя было ожидать вклада в теорию, которая очень нуждалась в вкладе и в том, чтобы о ней узнала общественность. Хевисайд взял эту задачу на себя и, по его собственному признанию, сознательно приступил к ее выполнению уже в 1882 году. Но он не ограничился повторением содержания Трактата как «священного текста» (Дж. Дж. Томсон зашел так далеко, что назвал Хевисайда «отступником Максвелла»), а переработал, уточнил и расширил его, в результате чего появилось то, что сегодня науке известно как теория Максвелла. Сегодня о нем часто говорят как о «четырех уравнениях Максвелла», но стоит знать, что истинное число уравнений, содержащихся в трактате, — тринадцать. Окончательный синтез и теоретическое уточнение, представленное четырьмя уравнениями, было достигнуто благодаря работе, сначала независимо, а затем совместно, Хевисайда и Герца.

В присвоении, переработке и распространении максвелловской теории Хевисайду оказали решающее содействие другие английские физики, которых называют «максвелловцами», в основном Г. Ф. Фицджеральд и О. Лодж в первые годы, позже к ним присоединился Дж. Лармор, хотя отношения Хевисайда с последним были менее гармоничными, чем с другими.

Несмотря на свое участие в ней, Хевисайд не считал максвелловскую теорию окончательно завершенной или имеющей последнее слово. Он даже не рассматривал эксперименты Герца 1886-1888 годов как неопровержимое доказательство ее правильности. Проблемы, связанные с движением эфира и самой его концепцией, были тому подтверждением, а дальнейшим осложнением стало возрастание теоретической роли электрона в последние годы XIX века вместе с его экспериментальными подтверждениями, что заставило модифицировать максвелловские концепции заряда и тока. Хевисайд активно занимался распространением уравнений поля на подвижные заряды (электроны) и предоставил некоторые из первых полных решений.

Математические инструменты

Символическое представление физических величин, наделенных ориентацией, было процессом медленного закрепления, который осуществлялся на протяжении всего 19 века, начиная с комплексных чисел, применимых к плоскости. Их обобщение на космос, естественно, было еще более сложным. Такова была цель теории кватернионов У. Р. Гамильтона. При изучении электромагнетизма очень важно иметь краткую и эффективную нотацию для работы с пространственными векторами, и Максвелл использовал кватернионы, но часто в упрощенной форме. Для педагогических и систематизирующих целей Хевисайда этого было недостаточно, поэтому он разработал векторный анализ как самостоятельную алгебру, сформулированную в ее нынешнем виде в главе III «Электромагнитной теории». Здесь же содержатся причины его отказа от кватернионной теории, по поводу которой он до конца своей карьеры вел жаркие споры с П. Г. Таитом, ее главным излагателем и защитником. В любом случае, векторное исчисление было практически неизвестно инженерам и физикам того времени (Хевисайду пришлось обучать ему Герца), что способствовало тому, что труды Хевисайда, несмотря на его напряженные педагогические усилия, были трудны для понимания, настолько, что его друг Лодж назвал их не только трудными, но даже «эксцентричными и в некоторых отношениях отталкивающими».

Он также был одним из создателей исчисления с помощью операторов, операционного исчисления или операционного исчисления, столь полезного впоследствии в технике, разработке и изложению которого он посвятил значительную часть своей деятельности с 1894 по 1898 год, собранной во втором томе «Электромагнитной теории». Хотя этот метод получил широкое распространение только после его смерти, он считается одним из трех великих математических достижений последней четверти XIX века.

Хевисайд считал математику экспериментальной наукой и презирал академических «чистых математиков». Его математика занималась не демонстрациями или теоремами существования, а решением физических задач, функциональные связи которых просты и не требуют исчерпывающего анализа всех абстрактных возможностей. Излишне говорить, что мнение о нем и его методах среди профессиональных математиков было соответственно не очень хорошим.

Источники