Оливер Хевисайд (англ. Oliver Heaviside) впервые применил комплексные числа для изучения электрических цепей, разработал технику применения преобразования Лапласа для решения дифференциальных уравнений, переформулировал уравнения Максвелла в терминах трехмерных векторов, напряженностей 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.
Хевисайд родился в Англии, лондонском районе Кэмден (Camden), 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 переезжает в Данию и становится телеграфистом, где быстро осваивает тонкости профессии телеграфиста. В 1871 году он возвращается в Англию и занимает пост старшего телеграфиста в Большой северной телеграфной компании (англ.) в Ньюкасле, где отвечает за международный телеграфный трафик компании.
В 1872-73 годах публикует свои первые работы по электричеству, которыми серьёзно заинтересовался Джеймс Максвелл. Максвелл упоминает про исследования Хевисайда во втором издании своей книги «Исследования по электричеству и магнетизму», что вдохновляет Оливера на более серьёзные занятия наукой. В 1874 году он оставляет должность телеграфиста и занимается 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 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.
В 1880 году Хевисайд исследовал скин-эффект в телеграфных линиях передачи и переписал результаты Максвелла из их первоначальной неуклюжей формы 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 по началу 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 ёмкость) для коррекции возникавших искажений. По политическим причинам этого сделано не было. Позднее, сербский физик Михайло Пупин (англ.) 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 излучение Вавилова — Черенкова и вдохновил Фитцжеральда предложить понятие так называемого сокращения Лоренца — Фитцжеральда.
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 1905 году Хевисайд стал почётным доктором Университета Гёттингена.
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.
Умер 3 февраля 1925 года.
Изобретения и открытия
Хевисайд развил идею ионосферы, предсказав существование слоя Кеннелли — Хевисайда. Хевисайд разработал теорию линий передач (известную как «телеграфные уравнения»). Хевисайд независимо ввёл вектор Пойнтинга и за три года до Лоренца нашел выражение для силы Лоренца.
Хевисайд упростил для использования учёными оригинальные результаты Максвелла. Эта новая формулировка дала четыре векторных уравнения, известных теперь как уравнения Максвелла. Хевисайд ввёл так называемую функцию Хевисайда, используемую для моделирования электрического тока в цепи. Хевисайд разработал понятие вектора и векторный анализ. Хевисайд создал операторный метод для линейных дифференциальных уравнений.
Термины теории электромагнетизма
Оливер Хевисайд ввёл следующие термины:
- «электрет» для электрического аналога постоянного магнита, или, иными словами, любую субстанцию обладающую квазипостоянной электрической поляризацией (напр. ферроэлектрик).
- В сентябре 1885 года, «проводимость» и «проницаемость».
- В феврале 1886 года, «индуктивность».
- В июле 1886 года, «импеданс».
- В декабре 1887 года, «адмиттанс».
- В мае 1888 года, «магнитное сопротивление».
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 О. Хевисайда «Теория электричества».
|
Предыдущая