Oliver Heaviside：电磁学和矢量微积分的自学先驱

在工程师自学成才并通过信件交流工作并不罕见的时候，白手起家的数学家、物理学家和电气工程师Oliver Heaviside（1850–1925）继续激励其他工程师走出寻常路。

 

奥利弗·哈维塞德的肖像。图片由史密森尼图书馆提供[CC公共领域]

 

Heaviside将复数引入电路分析，创造了一种求解微分方程的新技术，独自设计了向量微积分，并以今天使用的形式改写了James Clerk Maxwell的方程。

 

Heaviside开始了他的电报职业生涯

Heaviside对运算微积分的贡献与他对几何的厌恶形成了鲜明对比，据一些报道，几何导致他在16岁时离开学校，开始独立学习。其他历史学家推测，Heaviside在十几岁时就辍学了，因为他的父母没有办法继续他的教育。

在自学了莫尔斯电码、丹麦语和德语后，Heaviside前往丹麦，在那里他成为了一名电报员。一位名叫查尔斯·惠斯通爵士的家庭成员帮助哈维塞德找到了他的第一份电报员工作。他被称赞为学习速度快，在500名学生中经常排在前五名。他在电报方面的天赋使他回到了英国，在大北方电报公司工作。

当时，跨大西洋电报正处于电气工程界兴趣的顶峰，但它充满了故障。多名科学家致力于解决信号传输和海底电缆着陆的问题。Heaviside因其许多成功的改进而受到赞扬，包括他在“电报方程式”方面的工作

 

Heaviside使电磁场发生了革命性的变化

Heaviside小时候因猩红热而听力受损，由于耳聋，他放弃了电报学，转而学习电学。

Heaviside的注意力转移也在很大程度上受到了他对《麦克斯韦关于电学和磁学的新论述》的着迷的影响。读完这本书后，Heaviside对电学着迷，并深入研究了麦克斯韦理论背后的数学。他将麦克斯韦20个变量的20个方程简化为两个变量的4个方程。他还开发了阶跃函数和掩盖方法。

 

由Heaviside简化的四个麦克斯韦方程组浮雕在爱丁堡乔治街的尽头。图片由Wikimedia Commons提供

 

他使用的不同寻常的推导方法后来被托马斯·布罗姆维奇证明了。在那之前，它们的存在没有严格的传统数学证明。Heaviside认为数学不应该受到如此严格的约束。由于缺乏科学严谨性，他在学术界遇到了许多问题。（他在《电磁理论》一书的第五章中有一个副标题叫“严谨的数学是狭隘的，物理数学是大胆的和宽泛的。”）在他的同事中，Heaviside被称为一个讽刺的人，他不怕针锋相对，捍卫自己的立场。

 

Heaviside深入运算微积分

Heaviside创建了基于拉普拉斯变换的运算微积分，用于简化线性微分方程，这些方程后来可以作为代数方程求解。

最初，他与另一位科学家J.Willard Gibbs合作，对矢量分析产生了兴趣，但负责电路运算的是Heaviside。

这种运算演算在当今的电气工程中有很多用途：

• 分析电子电路
• 系统建模
• 数字信号处理
• 核物理学（分析放射性衰变）
• 过程控制（分析变量变化的影响）

拉普拉斯变换也用于分析电路中由于突然的电磁干扰而产生的临时振荡电流。瞬态电流可能由雷击、故障、未经过滤的电气设备、电磁耦合、EMI/RFI噪声以及开关的打开或闭合引起。Heaviside在这一领域的大部分工作都实现了在没有信号干扰和数据丢失的情况下进行远距离清晰的信号传输。

 

“天堂之旅”

Heaviside为同轴电缆申请了专利，其核心铜层包裹在塑料绝缘体中，随后又有一层铜网用于传输家用有线电视。他在电感方面的工作后来被应用于感应线圈，并由ATT的Michael（Mihajlo）Pupin和George Campbell获得了专利。

 

1910年至1930年间来自英国的感应线圈。图片由英国科学博物馆提供

   

他是第一个将电离层的存在理论化的人，电离层是一种导电的大气层，能够将无线电波返回地球圆形表面，而不是向前传播到太空。与此同时，美国电气工程师Arthur E.Kennelly也对电离层做出了类似的预测。因此，多年来，它的最初名称一直是Kennelly Heaviside层。

在1922年全文出版的《电磁理论》（1893年至1912年写成并出版了几卷）中，Heaviside暗示了爱因斯坦的狭义相对论。他假设电荷的质量会随着速度的增加而增加。

并不是所有人都怀疑他对科学发现的古怪态度。另一位几乎没有受过正规训练的先驱奥利弗·洛奇爵士认识到了海维塞德关于电磁波的假设的强大理论含义。

 

托基公民协会为纪念奥利弗·海维塞德而设立的牌匾。图片由Linda Hall图书馆提供

 

1891年，Heaviside被选为英国皇家学会会员。这是他获得的最高官方荣誉之一。Andrew Loyd的韦伯音乐剧《猫》中提到了对Heaviside作品的一种流行文化认可，在歌曲《Heaviside层之旅》中，他对电离层的预测被用作天堂的隐喻。

 

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