Хевисайд Оливер — Биография

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.

Молодость

Хевисайд родился в Англии, лондонском районе Камден, в семье Томаса Хевисайда и Рейчел Елизабет Вест и был младшим из их четырёх сыновей. Отец работал гравером и художником. В раннем детстве Оливер переболел скарлатиной, в результате чего серьёзно пострадал его слух, и он был слабослышащим всю оставшуюся жизнь. Это обстоятельство серьёзно повлияло на его детство, так как из-за проблем со слухом он не мог нормально общаться с ровесниками. Несмотря на хорошую успеваемость (в 1865 году был 5-м из 500 учеников), Оливер бросил школу в 16 лет и самостоятельно изучал азбуку Морзе, теорию электричества, электротехнику и занимался языками — немецким и датским.

В 1868 году Хевисайд переехал в Данию и стал телеграфистом, где быстро освоил тонкости этой профессии. В 1871 году он вернулся в Англию и занял пост старшего телеграфиста в Большой северной телеграфной компании в Ньюкасле, где отвечал за международный телеграфный трафик компании. В 1872—73 годах опубликовал свои первые работы по электричеству, которыми серьёзно заинтересовался Джеймс Максвелл. Максвелл упоминал исследования Хевисайда во втором издании своей книги «Исследования по электричеству и магнетизму», что вдохновило Оливера на более серьёзные занятия наукой. В 1874 году он оставил должность телеграфиста и занялся исследованиями частным порядком в доме своих родителей. В это время он разработал теорию линий передачи (также известную как «телеграфные уравнения»). Хевисайд математически доказал, что равномерно распределённая электрическая ёмкость телеграфной линии минимизирует одновременно затухание и искажение сигнала. Если ёмкость достаточно велика и электрическое сопротивление изоляции не слишком велико, в линии не будет искажений, и все частоты будут затухать одинаково. Уравнения Хевисайда способствовали дальнейшему развитию телеграфной связи.

Зрелость

В 1880 году Хевисайд исследовал скин-эффект в телеграфных линиях передачи и переписал результаты Максвелла из их первоначальной формы в виде, выраженном в терминах современного векторного анализа, таким образом сведя систему из 20 уравнений с 12 переменными к 4 дифференциальным уравнениям, известным как уравнения Максвелла. Четыре уравнения Максвелла описывают природу неподвижных и движущихся заряженных частиц и магнитных диполей, и отношения между ними, а именно электромагнитную индукцию.

Между 1880 и 1887 годами, Оливер Хевисайд разрабатывал операционное исчисление (он ввёл обозначение D для дифференциального оператора), метод решения дифференциальных уравнений с помощью сведения к обыкновенным алгебраическим уравнениям, который поначалу вызвал бурную полемику из-за отсутствия строгого обоснования. Тогда он 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) для коррекции возникавших искажений. По политическим причинам этого сделано не было. Позднее, сербский физик Михайло Пупин разработал способ увеличения дальности передачи для телефонных линий с помощью установки удлинительных катушек через определённые интервалы вдоль линии передачи. Этот метод следовал идеям Хевисайда.

В двух работах 1888 года и 1889 года 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. Хевисайд 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, присвоив звание члена Королевского общества.

В 1893 году предложил электромагнитное описание гравитации.

В 1905 году Хевисайд стал почётным доктором Университета Гёттингена.

Последние годы

В 1902 году Хевисайд предсказал существование в ионосфере слоя Кеннелли — Хевисайда. Предположения Хевисайда включали способы передачи радиосигналов в обход кривизны земной поверхности. Существование ионосферы было подтверждено в 1923 году. Предсказания Хевисайда, вместе с теорией излучения Планка, возможно, повлияли на прекращение попыток обнаружить радиоизлучение Солнца и других астрономических объектов. Какая бы ни была причина, по всей видимости, попыток не было в течение 30 лет, до изобретения в 1932 году Карлом Янским радиоастрономии.

Будучи всю жизнь не в ладах с научным сообществом, в последние годы жизни учёный стал особенно эксцентричен. Хотя в молодости Хевисайд активно занимался велосипедным спортом, на шестом десятке лет его здоровье серьёзно ухудшилось. В этот период Хевисайд подписывал корреспонденцию своим именем с инициалами W.O.R.M (червь), хотя эти буквы ничего не обозначали. Хевисайд начал красить ногти в розовый цвет и использовать гранитные глыбы вместо домашней мебели. Хевисайд умер в Торки (Девон), и похоронен на кладбище Пейнтон. Большая часть признания пришла к нему после смерти.