О́ливер Хе́висайд ( англ. Oliver Heaviside ; 18 мая 1850 — 3 февраля 1925 ) — английский учёный-самоучка, инженер , математик и физик . Впервые применил комплексные числа для изучения электрических цепей , разработал технику применения преобразования Лапласа для решения дифференциальных уравнений , переформулировал уравнения Максвелла в терминах трехмерных векторов, напряжённостей электрического и магнитного полей и электрической и магнитной индукций, и, независимо от других математиков, создал векторный анализ . Несмотря на то, что Хевисайд большую часть жизни был не в ладах с научным сообществом, его работы изменили облик математики и физики .

Биография

Молодость

Оливер Хевисайд родился в лондонском районе Камден ^:13 в семье Томаса Хевисайда и Рейчел Елизабет (урождённая Уэст) и был младшим из четырёх сыновей. Отец работал гравёром и художником . В раннем возрасте Оливер переболел скарлатиной , что привело к безвозвратному ухудшению его слуха. Это создавало большие трудности в общении с окружающими и в дальнейшем отразилось на характере будущего учёного . Несмотря на хорошую успеваемость (в 1865 году был 5-м из 500 учеников), Оливер в 16 лет оставил школу по семейным обстоятельствам и в течение года занимался самостоятельно, так и не получив дальнейшего формального образования ^:51 , выучил азбуку Морзе и основы электричества .

На Оливера оказали существенное влияние личность и научные интересы дяди — Чарльза Уитстона (мужа сестры матери Оливера ), также не получившего в своё время университетского образования, а занимавшегося самообразованием и с юных лет увлечённого изобретательством . Уитстон проявлял большой интерес к образованию племянника и настоял на изучении им датского и немецкого языков в дополнение к уже освоенным . В 1867 году Оливер отправился в Ньюкасл-апон-Тайн работать в одной из телеграфных компаний, где работал его старший брат Артур ^:53 .

С 1869 года Хевисайд работал телеграфистом в Great Northern Telegraph Company в Дании при прокладке кабеля Ньюкасл-апон-Тайн — Дания . В 1871 году вернулся в Ньюкасл и занял должность старшего телеграфиста в Great Northern Telegraph Company, отвечал за международный телеграфный трафик. Вместе с тем усиленно занимался самообразованием, делая упор на математику .

В 1872 году опубликовал свою первую статью по электричеству, используя только алгебру, а в 1873 — вторую, посвящённую « мостику Уитстона » — здесь уже был применён математический анализ . На вторую статью обратил внимание Джеймс Максвелл , упомянувший о ней в первом томе второго издания своего «Трактата по электричеству и магнетизму» .

В 1874 году Хевисайд оставил должность телеграфиста и решил полностью посвятить себя научной работе в домашней лаборатории. Такое решение молодого человека, не имевшего независимых средств к существованию, тревожило его семью, но было принято с пониманием .

Начало разработки Хевисайдом модели линии электропередачи (так называемые « телеграфные уравнения ») исследователи относят к августу 1876 года, когда была опубликована его статья «Об экстратоке» («On the Extra Current») ^:66–67 .

Зрелость

В 1880 году Хевисайд исследовал скин-эффект в телеграфных линиях передачи. В том же году он получил британский патент на коаксиальный кабель .

С 1882 по 1902 год, за исключением трех лет, Хевисайд регулярно публиковал статьи в журнале , за что ему платили 40 фунтов стерлингов в год. Этого едва хватало на жизнь, но его потребности были скромными, и он делал то, чего больше всего хотел. В период с 1883 по 1887 год выходило в среднем 2—3 статьи в месяц — эти статьи позже составили основную часть его работ по электромагнитной теории и электротехнике ^:71 .

В 1884 году Хевисайд преобразовал математический анализ Максвелла из первоначальной громоздкой формы в современный векторный вид, сведя таким образом систему из 20 уравнений с 12 переменными к 4 дифференциальным уравнениям , известным как уравнения Максвелла .

Между 1880 и 1887 годами разрабатывал операционное исчисление (он ввёл обозначение D для дифференциального оператора), метод решения дифференциальных уравнений с помощью сведения к обыкновенным алгебраическим уравнениям, вызвавший поначалу бурную полемику из-за отсутствия строгого обоснования. Тогда Хевисайд произнёс известную фразу: «Математика есть наука экспериментальная, определения появляются последними» — это было ответом на критику за использование ещё не вполне определённых операторов .

В 1887 году Хевисайд предложил добавить катушки индуктивности к трансатлантическому телеграфному кабелю (увеличив тем самым собственную индуктивность кабеля) для коррекции возникавших искажений. По политическим причинам предложение не было реализовано . Позднее американский физик Михайло Пупин разработал способ увеличения дальности передачи для телефонных линий с помощью установки подобных катушек через определённые интервалы вдоль линии передачи. Этот метод следовал идеям Хевисайда .

В двух работах 1888—1889 годов Хевисайд вычислил деформацию электрического и магнитного полей вокруг движущегося заряда, а также эффекты вхождения заряда в плотную среду. Он предсказал эффект Вавилова — Черенкова и вдохновил Дж. Фитцджеральда предложить понятие так называемого сокращения Лоренца — Фитцджеральда .

В 1889 году, после открытия Томсоном электрона , Хевисайд начал работу над концепцией электромагнитной массы. Он считал её настолько же «настоящей», как и массу материальную, способной производить такие же эффекты. Вильгельм Вин позднее проверил результат Хевисайда для малых ускорений.

В 1891 году британское Королевское общество признало вклад Хевисайда в математическое описание электромагнитных явлений, избрав его членом Королевского общества .

В 1893 году Хевисайд предложил электромагнитное описание гравитации .

Последние годы

В 1896 году Фитцджеральд и добились назначения пенсии по гражданскому списку в размере 120 фунтов стерлингов в год для Хевисайда, который теперь жил в Девоне , и убедили его принять её после того, как он отклонил другие благотворительные предложения Королевского общества .

В 1902 году Хевисайд, исследуя возможность распространения радиоволн вокруг Земли (по оспариваемому эксперименту Гульельмо Маркони по передаче радиоволн через Атлантический океан в 1901 году), предсказал существование в земной атмосфере ионизованного слоя .

В 1905 году Хевисайд стал почётным доктором Университета Гёттингена .

Будучи всю жизнь не в ладах с научным сообществом, Хевисайд в последние годы жизни стал особенно эксцентричен. Хотя в молодости он активно занимался велосипедным спортом, на шестом десятке лет его здоровье серьёзно ухудшилось. В этот период он подписывал корреспонденцию своим именем с инициалами W.O.R.M. ( червь ), начал красить ногти в розовый цвет и использовать гранитные глыбы вместо домашней мебели .

Хевисайд умер 3 февраля 1925 года в Торки после падения с лестницы и похоронен на кладбище города Пейнтон рядом со своим отцом и матерью. Большая часть признания пришла к нему после смерти.

Инновации и открытия

Хевисайд разработал понятие вектора и создал векторный анализ . Он предложил метод операционного исчисления , позволяющий с помощью достаточно простых приёмов решать сложные математические задачи, а также ввёл в математику новую кусочно-постоянную функцию, получившую название функция Хевисайда и ныне широко применяемую в математическом аппарате теории управления и теории обработки сигналов .

Хевисайд решил ряд важных задач электродинамики, в частности получил точное решение уравнений Максвелла для поля равномерно движущегося заряда. Он показал, что масса заряженной частицы изменяется со скоростью её движения, и предсказал, что если скорость электрического заряда становится больше фазовой скорости света в среде, в которой движется данный заряд, то при этом должно возникать характерное излучение. Экспериментально это излучение было обнаружено в 1934 году Павлом Черенковым .

Хевисайд создал теорию передачи электрических сигналов на дальние расстояния (« телеграфные уравнения ») .

Хевисайд был первым, кто ввёл магнитные заряды и магнитные токи в электродинамику Максвелла . Максвелл в своём трактате не использовал векторных обозначений и записывал свои уравнения в довольно громоздком виде. Современная форма уравнений Максвелла появилась около 1884 года после работ Хевисайда и Герца . Они не только переписали систему уравнений Максвелла в векторном виде, но и симметризовали её, переформулировав в терминах поля. Эта новая формулировка дала четыре векторных уравнения, известных теперь как уравнения Максвелла, причём Герц отмечал, что приоритет в этой работе принадлежит именно Хевисайду .

Хевисайд предсказал существование в земной атмосфере ионизованного слоя . Независимо от Хэвисайда к таким же выводам почти одновременно пришёл американский инженер-электрик . Существование такого слоя было доказано в 1924 году британскими учёными Э. Эпплтоном и М. Барнеттом .

Электромагнитные термины

Хевисайд ввёл следующие термины :

• электрет — для электрического аналога постоянного магнита, или, иными словами, любое вещество, обладающее квазипостоянной электрической поляризацией (например, сегнетоэлектрик );
• проводимость и проницаемость (сентябрь 1885 года);
• индуктивность (февраль 1886 года);
• импеданс (июль 1886 года);
• адмиттанс (декабрь 1887 года);
• (май 1888 года).

Параллельно с Д. У. Гиббсом привёл теорию векторов и векторного анализа к виду, в котором она стала получать признание научного сообщества того времени . До этого теория векторов вызывала неприятие у некоторых известных учёных, например Кельвина . Изложение этой теории есть в книге Хевисайда «Теория электричества».

Память

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Хевисайда кратеру на обратной стороне Луны .

Примечания

Литература

• Болотовский Б. М. / Отв. ред. В. Л. Гинзбург . — М. : Наука , 1985. — 256 с. — ( Научно-биографическая серия ). — 6800 экз. (обл.)
• Болотовский Б. М. Оливер Хевисайд: мысли физика и расчеты математика // Сб. «Число и мысль», вып. 6. — М.: Знание, 1983. — С. 126—157. — 80 000 экз.
• Муслин Е. Отшельник из Торки // Техника молодёжи . 1965. № 10. С. 18-19.
• Нахин П. Дж. // В мире науки , № 8, 1990.
• Применко Л. А. Математические идеи О. Хевисайда // Из истории развития физико-математических наук. Киев, 1981. С. 37-44.
• Храмов Ю. А. Хевисайд Оливер (Heaviside Oliver) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера . — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука , 1983. — С. 289. — 400 с. — 200 000 экз.
• Применко Л. Оливер Хевисайд Жизнь и творчество, Каменец-Подольский, «Абетка», 2004. С. 295. — 500 экз.
• Heaviside, Oliver. . — Macmillan Co, London and New York, 1892. — Vol. 1. — ISBN 9780828402354 .
• Hunt, Bruce J. (2004). "Oxford Dictionary of National Biography". (online ed.). Oxford University Press. doi : .