奧利弗·海維賽德：自學(xué)成才的電磁學(xué)和向量微積分先驅

在工程師自學(xué)并通過(guò)書(shū)信通信分享工作成果的時(shí)代并不少見(jiàn)的時(shí)候，Oliver Heaviside（1850-1925 年）這位白手起家的數學(xué)家、物理學(xué)家和電氣工程師繼續激勵其他工程師去冒險人跡罕至的地方。

奧利弗·海維賽德的肖像。圖片由史密森尼圖書(shū)館提供 [CC 公共領(lǐng)域]

赫維賽德因將復數引入電路分析、創(chuàng )造了一種求解微分方程的新技術(shù)、單槍匹馬設計了向量微積分以及將詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的方程式改寫(xiě)為今天使用的形式而受到贊譽(yù)。

赫維賽德對運算的貢獻與他對幾何學(xué)的厭惡形成鮮明對比，根據一些說(shuō)法，這門(mén)學(xué)科導致他 16 歲輟學(xué)并開(kāi)始獨立學(xué)習。其他歷史學(xué)家推測，海維賽德在十幾歲時(shí)就輟學(xué)了，因為他的父母沒(méi)有辦法讓他繼續接受教育。

Heaviside 自學(xué)了摩爾斯電碼、丹麥語(yǔ)和德語(yǔ)后，前往丹麥，成為一名電報員。一位家庭成員查爾斯·惠斯通爵士 ( Sir Charles Wheatstone ) 幫助 Heaviside 獲得了第一份電報員的工作。他被譽(yù)為學(xué)得很快，在班上 500 名學(xué)生中經(jīng)常排在前五名。他在電報方面的天賦使他回到了英國，在大北方電報公司工作。

當時(shí)，跨大西洋電報正處于電氣工程界興趣的頂峰，但它卻屢屢失敗。多位科學(xué)家致力于解決海底線(xiàn)路的信號傳輸和電纜著(zhù)陸問(wèn)題。Heaviside 因其許多成功的改進(jìn)而受到贊譽(yù)，包括他在“電報員方程式”方面的工作。

海維賽德小時(shí)候曾患過(guò)猩紅熱，因此聽(tīng)力受損，由于耳聾，他離開(kāi)了電報，轉而研究電學(xué)。

赫維賽德的重心轉移也很大程度上受到他對“麥克斯韋電磁學(xué)新論”的迷戀的影響。讀完之后，Heaviside 對電學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，并深入研究了麥克斯韋理論背后的數學(xué)原理。他將麥克斯韋的 20 個(gè)方程式 20 個(gè)變量簡(jiǎn)化為 4 個(gè)兩個(gè)變量的方程式。他還開(kāi)發(fā)了步進(jìn)功能和掩蓋方法。

由 Heaviside 簡(jiǎn)化的四個(gè)麥克斯韋方程浮雕在愛(ài)丁堡喬治街的盡頭。圖片由維基共享資源提供

他使用的不同尋常的推導方法后來(lái)被托馬斯·布羅姆維奇證明了。在那之前，它們的存在沒(méi)有嚴格的傳統數學(xué)證明。赫維賽認為數學(xué)不應該受到如此嚴格的約束。這種缺乏科學(xué)嚴謹性的行為給他在學(xué)術(shù)界帶來(lái)了很多問(wèn)題。（他的《電磁理論》一書(shū)第 5 章的一個(gè)副標題叫做“嚴密的數學(xué)是狹窄的，物理數學(xué)是大膽的和廣泛的?！保┰谒耐轮?，赫維賽德被認為是一個(gè)不怕鎖角的諷刺人并捍衛他的立場(chǎng)。

Heaviside 創(chuàng )建了基于拉普拉斯變換的運算法則，用于簡(jiǎn)化線(xiàn)性微分方程，這些方程后來(lái)可以作為代數方程求解。

他最初是通過(guò)與另一位科學(xué)家J. Willard Gibbs合作而對矢量分析產(chǎn)生興趣的，但負責應用于電路的運算微積分的是 Heaviside。

這種運算演算在當今的電氣工程中有很多用途：

• 分析電子電路

• 系統建模

• 數字信號處理

• 核物理學(xué)（分析放射性衰變）

• 過(guò)程控制（分析改變變量的影響）

拉普拉斯變換還用于分析由于突然的電磁干擾而在電路中產(chǎn)生的臨時(shí)振蕩電流。瞬態(tài)電流可能由雷擊、故障、未過(guò)濾的電氣設備、電磁耦合、EMI/RFI 噪聲以及開(kāi)關(guān)的打開(kāi)或關(guān)閉引起。Heaviside 在這一領(lǐng)域的大部分工作已實(shí)現長(cháng)距離清晰的信號傳輸，而不會(huì )出現信號干擾和數據丟失。

Heaviside 獲得了同軸電纜的專(zhuān)利，其核心銅層包裹在塑料絕緣體中，隨后的銅網(wǎng)層用于傳輸家庭有線(xiàn)電視。他在電感方面的工作后來(lái)被應用于感應線(xiàn)圈，并由 ATT 的 Michael (Mihajlo) Pupin 和 George Campbell 申請了專(zhuān)利。

1910-1930 年間英國的感應線(xiàn)圈。圖片由英國科學(xué)博物館提供

他是第一個(gè)將電離層的存在理論化的人，電離層是能夠將無(wú)線(xiàn)電波返回地球圓形表面而不是向前傳播到太空的導電大氣層。與此同時(shí)，美國電氣工程師阿瑟·E·肯尼利 (Arthur E. Kennelly) 也對電離層做出了類(lèi)似的預測。因此，它最初的名字多年來(lái)一直被稱(chēng)為肯尼利-海維賽德層。

在最初于 1922 年全文出版的“電磁理論”（1893 年至 1912 年分幾卷出版）中，Heaviside 暗示了愛(ài)因斯坦的狹義相對論。他假設電荷的質(zhì)量會(huì )隨著(zhù)其速度的增加而增加。

并不是每個(gè)人都懷疑他對科學(xué)發(fā)現的古怪方法。 奧利弗洛奇爵士，另一位幾乎沒(méi)有受過(guò)正規訓練的先驅?zhuān)J識到海維賽德關(guān)于電磁波的假設的強大理論含義。

托基市民協(xié)會(huì )為紀念奧利弗·海維賽德而放置的牌匾。圖片由Linda Hall 圖書(shū)館提供

In 1891, Heaviside was elected a Fellow of the Royal Society . 這是他獲得的最高官方榮譽(yù)之一。安德魯·洛伊德 (Andrew Loyd) 的韋伯 (Andrew Loyd) 的韋伯音樂(lè )劇《貓》(Cats) 提到了一種流行文化對 Heaviside 作品的認可，歌曲“Journey to the Heaviside Layer”中使用他對電離層的預測作為天堂的隱喻。