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 znacznym stopniu ukształtował sposób, w jaki równania Maxwella były rozumiane i stosowane w kolejnych dekadach po śmierci Maxwella. Sformułowane przez niego równania telegraficzne miały znaczenie komercyjne już za jego życia, choć przez długi czas pozostawały niezauważone, ponieważ niewiele osób znało wówczas jego nowatorską metodologię. Choć jego relacje z establishmentem naukowym były skomplikowane przez większość życia, Heaviside na nowo ukształtował dziedzinę telekomunikacji, matematyki i nauki.

Dzieci i młodzież

Oliver był czwartym dzieckiem w rodzinie Thomasa Heaviside'a i Rachel West. Jego ojciec był utalentowanym grawerem drewna, ale jego fach cierpiał już z powodu konkurencji ze strony rodzących się technik fotograficznych, a rodzinie zawsze brakowało pieniędzy. Matka założyła w wynajętym domu w Camden Town coś w rodzaju małej szkoły dla młodych panien, aby uzyskać większy dochód. Atmosfera w rodzinie musiała być napięta i morowa. Sytuację w przypadku Olivera komplikował fakt, że jako dziecko zachorował na szkarlatynę, w wyniku której stał się praktycznie głuchy. Utrudniało mu to relacje z innymi, zwłaszcza z innymi chłopcami, i prawdopodobnie stanowiło podstawę jego 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 przeprowadzili się do lepszego mieszkania w tej samej dzielnicy, a Oliver mógł uczęszczać do szkoły, gdzie wyróżniał się w naukach przyrodniczych, zdobywając medal na egzaminach w 1865 roku. Jednak jego edukacja musiała się zakończyć w następnym roku. Resztę swojego wykształcenia intelektualnego Oliver zdobył sam, przy czym wydaje się, że był pilnym i zapalonym gościem bibliotek publicznych. Szczególnie pociągały go prace naukowe, dlatego zagłębił się w rozprawy Newtona i Laplace'a.

Dojrzałość

Nie mogąc uczęszczać na uniwersytet, musiał iść do pracy. W 1867 roku przeniósł się do Newcastle, gdzie rozpoczął życie zawodowe jako telegrafista. Ten kierunek, tak decydujący dla jego późniejszej kariery, był wynikiem okoliczności rodzinnych. Starsza siostra jego matki, Emma West, wyszła za mąż za Charlesa Wheatstone'a, współwynalazcę systemu telegraficznego z W. F. Cooke'em, dzięki któremu stał się bogaty i wpływowy. Starszy brat Olivera, Arthur W. Heaviside, został asystentem swojego wuja, a następnie kierował lokalną firmą telegraficzną w Newcastle; w końcu objął ważne stanowisko w Urzędzie Pocztowym. Oliver z kolei zaczynał jako asystent brata, a jesienią 1868 roku został przydzielony do obsługi nowego kabla podmorskiego ułożonego między Newcastle a Danią, najpierw jako operator, a potem jako elektryk, czyli nazwa nadawana wówczas specjalistom od najnowszej i najciekawszej dziedziny elektrotechniki. Kolejne lata Oliver spędził w warsztatach i na pokładach statków odpowiedzialnych za utrzymanie linii, w 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 teoretycznie, jak i doświadczalnie.

W maju 1874 roku porzucił pracę w Newcastle i powrócił do domu rodziców w Londynie, zarówno ze względów zdrowotnych (cierpiał na rodzaj napadów rzekomopadaczkowych), jak i z chęci poświęcenia się wyłącznie studiom i badaniom. Nigdy już nie podjął regularnej pracy zarobkowej, chyba że za taką uznać sporadyczną pracę jako autor artykułów, która przynosiła mu mizerne dochody. Odrzucił wszystkie możliwości zatrudnienia, które oferował mu brat i inni, wybierając niezwykle surowy sposób 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 wkładów teoretycznych miało ważne zastosowania praktyczne, ale nigdy nie starał się na nich zarobić (prawdopodobnie idąc w ślady Faradaya, jednego ze swoich idoli), pomimo ówczesnej furii wynalazczej i konsekwentnego patentowania, w tym niedalekiego przykładu jego wuja Wheatstone'a.

Ostatnie lata

Po 1900 roku działalność naukowa Heaviside'a znacznie zmalała pod względem ilościowym i jakościowym, praktycznie ustała w 1906 roku, choć jego ostatnia książka ukazała się w 1912 roku. Jedną z głównych przyczyn były problemy wynikające z jego uporczywego złego stanu zdrowia.

Oliver i jego rodzice zamieszkali we wrześniu 1889 roku u swojego brata Charlesa, który miał sklep z instrumentami muzycznymi w Paington, Devonshire, podążając za kolejną z rodzinnych linii działania zapoczątkowanych przez Wheatstone'a, który wynalazł również koncertinę. Po śmierci rodziców w 1894 i 1896 roku, Oliver przeprowadził się w 1897 roku do wolnostojącego domu na wsi w pobliżu Newton Abbot i niedaleko Paington, ale doświadczenie to nie było zbyt zadowalające i w 1908 roku powrócił do Torquay, gdzie zmarł w 1925 roku, prowadząc coraz bardziej samotne i ekscentryczne życie.

Wyróżnienia i odznaczenia

Mimo eremickiego życia, opublikowane prace Heaviside'a oraz działalność wpływowych przyjaciół przyniosły mu duże uznanie, choć on sam nie wydawał się tego doceniać. Na szczególną uwagę zasługują:

Wysiłki i starania J. Perry'ego, G. F. FitzGeralda, O. Lodge'a i innych przyjaciół doprowadziły do przyznania Heaviside'owi oficjalnej renty w wysokości 120 funtów rocznie w 1896 roku (podniesionej do 220 funtów w 1914 roku), którą ostatecznie przyjął, odrzucając dwa lata wcześniej inną dotację z Scientific Relief Fund of the Royal Society, zarządzaną w ten sam sposób, na tej podstawie, że jest to "działalność charytatywna".

Początki

Jego pierwsza opublikowana praca pochodzi z lipca 1872 r. i ukazała się w English Mechanic pod podpisem "O."; dotyczyła ona metody porównywania sił elektromotorycznych odkrytej przez Heaviside'a w 1870 r. W lutym 1873 r. opublikował pierwszą pracę w Philosophical Magazine, najważniejszym czasopiśmie fizycznym tamtych czasów. W lutym 1873 roku opublikował swój pierwszy artykuł w Philosophical Magazine, najważniejszym czasopiśmie fizycznym tamtych czasów. Tym razem dotyczył on optymalizacji mostka Wheatstone'a, przyrządu pomiarowego dobrze znanego w praktyce telegrafistów i fizyków, który jednak do tej pory nie doczekał się rygorystycznej matematycznej obróbki. Ten artykuł zwrócił na niego uwagę najważniejszych osobistości naukowych tamtych czasów, takich jak Lord Kelvin i Maxwell. Wiele cech intelektualnych Heaviside'a pojawia się już w tej pracy, w tym fundamentalna - stosowanie potężnych metod matematycznych do rozwiązywania praktycznych problemów (nawet Kelvin najwyraźniej uznał 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 łącznie ponad trzy tysiące zwartych stron. Artykuły te były następnie regularnie publikowane w formie książkowej, stanowiąc prace wymienione w bibliografii.

Teoria linii przesyłowej sygnałów

Podstawowym tematem wczesnych badań Heaviside'a było rozchodzenie się sygnałów na liniach telegraficznych, a zwłaszcza zniekształcenia, jakim ulegały one podczas przechodzenia przez podziemne lub podmorskie linie kablowe. Zjawisko to stało się aktualne w 1853 roku, gdy Latimer Clark po raz pierwszy zaobserwował je na linii angielsko-holenderskiej, zwracając uwagę Faradaya, który zbadał je i uznał za dowód swoich poglądów na temat pola elektromagnetycznego, w szczególności "efektów poprzecznych prądów" (Experimental Researches in Electricity, t. III, s. 508). Wszystko to stawiało pod znakiem zapytania samą wykonalność planowanego kabla transatlantyckiego, którego długość była wcześniej niespotykana. W 1855 roku 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 z kwadratem jego długości. Było to zjawisko nieuniknione, ograniczające szybkość transmisji, ale możliwe do przezwyciężenia, jeśli zwróci się należytą uwagę zarówno na właściwości elektryczne kabli, jak i na zastosowanie bardzo specjalnej aparatury do nadawania i odbioru, wraz ze starannie dobranymi technikami transmisji. Jednak te rozważania nie zostały początkowo przyjęte bez zastrzeżeń (jak to miało miejsce później) i kabel został położony w 1858 roku. Jego początkowa eksploatacja była jednak rozczarowująca i już po miesiącu pracy stał się bezużyteczny, służąc jedynie do wykazania poprawności pomysłów Kelvina, a jemu samemu pozostało zaprojektowanie i eksploatacja nowej linii, ukończonej w 1866 roku, która okazała się sukcesem.

Heaviside zastosował teorię Kelvina do własnych doświadczeń z kablem angielsko-duńskim i opublikował na ten temat serię prac w latach 1874-1889, w wyniku czego została ona rozszerzona o dwa nowe, nieuwzględniane wcześniej czynniki: straty w linii (które Heaviside, wcale nie oszczędny w tworzeniu neologizmów, nazwał leakance, co miało być tłumaczone jako fugance lub perditance) i 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) na linii jako funkcję jej charakterystyki elektrycznej oporu (k), pojemności (c) i indukcyjności (s):

Po uwzględnieniu samoindukcji, prąd elektryczny nie rozchodzi się już po prostu wzdłuż linii, jak w poprzedniej koncepcji, ale powoduje serię początkowych oscylacji, aż do osiągnięcia stanu ustalonego. Propagacja sygnału, nawet za pomocą kabla, została w ten sposób definitywnie powiązana z falami elektromagnetycznymi.

W 1887 roku Heaviside sformułował pomysł, że można tak połączyć parametry elektryczne linii przesyłowej sygnału, aby wyeliminować wszelkie zniekształcenia, tzn. aby choć cały sygnał był tłumiony, to wszystkie jego częstotliwości składowe były tłumione w tej samej proporcji. Było to niezbędne dla nowej komunikacji telefonicznej, nawet bardziej niż dla komunikacji telegraficznej. Liczne patenty zostały wyciągnięte 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. Pupina około 1900 roku (z tzw. cewkami ładującymi).

Wprawdzie Gustav Kirchhoff już w 1857 roku włączył samoindukcję do teorii linii długich, ale jego propozycja nie wywarła żadnego wpływu. Zamiast tego Heaviside stał się jej apostołem. "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). To stanowisko zderzyło się czołowo ze stanowiskiem zajmowanym przez inżyniera W. H. Preece'a, który został najwyższym szefem brytyjskiej służby telegraficznej i telefonicznej (Post Office), który trzymał się prymitywnego poglądu, że samoindukcja jest zawsze szkodliwa na linii komunikacyjnej i powinna być zminimalizowana. Konfrontacja trwała aż do śmierci Preece'a i kosztowała Heaviside'a niemało żalu.

Maxwellianizm

Pierwsze wydanie Traktatu o elektryczności i magnetyzmie Maxwella ukazało się w 1873 roku, a Heaviside przestudiował je natychmiast, będąc pod głębokim wrażeniem jego treści, choć początkowo nie rozumiał jego nowatorstwa (jak większość współczesnych czytelników), zwłaszcza że dotyczyło ono fal elektromagnetycznych i ich rozchodzenia się przez ośrodek (eter jako dielektryk). Zastosowany aparat matematyczny, oparty na kwaternionach, również przekraczał jego ówczesne możliwości. Poświęcił więc kilka lat na jego dogłębne przestudiowanie, a w 1876 roku zaczął go przytaczać we własnych pracach. Przedwczesna śmierć Maxwella w 1879 roku stanowiła radykalną zmianę okoliczności, gdyż nie można było już oczekiwać od mistrza wkładu w teorię, która bardzo potrzebowała wkładu i upowszechnienia. Heaviside wziął to zadanie na siebie i, jak sam przyznaje, 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 niej jako o "czterech równaniach Maxwella", ale warto wiedzieć, że prawdziwa liczba równań zawartych w Traktacie wynosi trzynaście. Ostateczną syntezę i teoretyczne wyjaśnienie reprezentowane przez cztery równania zawdzięczamy pracy, najpierw niezależnie, a potem wspólnie, Heaviside'a i Hertza.

W przywłaszczeniu, 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 w pierwszych latach, a później J. Larmora, choć stosunki Heaviside'a z tym ostatnim były mniej harmonijne niż z pozostałymi.

Pomimo swojego zaangażowania w nią, Heaviside nie uważał teorii Maxwella za kompletną ani za mającą ostatnie słowo. Nie uważał nawet eksperymentów Hertza z lat 1886-1888 za niepodważalny dowód jej poprawności. Problemy, jakie stwarzał ruch eteru i sama jego koncepcja, były na to dowodem, a dodatkową komplikacją była rosnąca w ostatnich latach XIX wieku teoretyczna rola elektronu wraz z jej eksperymentalnymi potwierdzeniami, co wymusiło modyfikację Maxwellowskich koncepcji ładunku i prądu. Heaviside był aktywny w rozszerzaniu równań pola na ruchome ładunki (elektrony) i dostarczył jedne z pierwszych kompletnych rozwiązań.

Instrumenty matematyczne

Symboliczna reprezentacja wielkości fizycznych obdarzonych orientacją była procesem powolnego utrwalania się, prowadzonym przez cały XIX wiek, począwszy od liczb zespolonych, mających zastosowanie na płaszczyźnie. Ich uogólnienie na przestrzeń było naturalnie jeszcze trudniejsze. Taki był cel teorii kwaternionów W. R. Hamiltona. W nauce elektromagnetyzmu niezbędna jest zwięzła i efektywna notacja do posługiwania się wektorami przestrzennymi, a Maxwell używał kwaternionów, ale często w uproszczonej formie. Dla celów pedagogicznych i systematyzacyjnych Heaviside'a nie było to wystarczające, więc opracował analizę wektorową jako niezależną algebrę, sformułowaną w obecnej formie w rozdziale III teorii elektromagnetycznej. Zawiera to również przyczyny odrzucenia przez niego teorii kwaternionowej, na temat której do końca kariery toczył gorące spory z P. G. Tait'em, 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 rachunku za pomocą operatorów, rachunku operacyjnego lub rachunku operacyjnego, tak przydatnego później w inżynierii, na którego opracowanie i wyeksponowanie poświęcił sporą część swojej działalności w latach 1894-1898, zebranej w drugim tomie Teorii elektromagnetycznej. Chociaż metoda ta upowszechniła 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 funkcyjne 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

1. Oliver Heaviside
2. Oliver Heaviside
3. «Oliver Heaviside; British physicist». Encyclopedia Britannica (en inglés). Consultado el 31 de diciembre de 2019.
4. ^ a b c d Nahin, Paul J. (9 October 2002). Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age. JHU Press. ISBN 978-0-8018-6909-9.
5. ^ a b c d Bruce J. Hunt (1991) The Maxwellians, Cornell University Press ISBN 978-0-8014-8234-2
6. ^ Sarkar, T. K.; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A.; Salazar-Palma, M.; Sengupta, Dipak L. (2006). History of Wireless. John Wiley & Sons. p. 230. ISBN 978-0-471-78301-5.
7. ^ Heaviside 1892, pp. 3–8.
8. 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.
9. 3,0 3,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22  Αυγούστου 2017.
10. «Большая советская энциклопедия» (Ρωσικά) Η Μεγάλη Ρωσική Εγκυκλοπαίδεια. Μόσχα. 1969. Ανακτήθηκε στις 28  Σεπτεμβρίου 2015.
11. CONOR.SI. 207111267.
12. Consulter l'article sur la bobine de Pupin.