Хевисайд, Оливер

О́ливер Хе́висайд
Oliver Heaviside
Дата рождения	18 мая 1850(1850-05-18)
Место рождения	Камден (Великобритания)
Дата смерти	3 февраля 1925(1925-02-03) (74 года)
Место смерти	Торки (Великобритания)
Страна	Великобритания
Научная сфера	физика, математика, инженерное дело
Место работы	Большое Северное Телеграфное общество
Известен как	слой Кеннелли-Хевисайда, Реактивное сопротивление, функция Хевисайда, Дифференциальные операторы, Векторный анализ
Награды и премии	первый лауреат Медали Фарадея (1922)

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 лучших отношениях с научным сообществом, его работы изменили облик математики и физики.

Биография

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—1873 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»). 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.

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 Умова-Пойнтинга и за три года до Лоренца нашёл 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.

Хевисайд предсказал излучение Вавилова — Черенкова за полвека до его открытия; но известно об этом стало много позже его смерти: при исследовании рукописей учёного в начале 1970-х гг.

Термины теории электромагнетизма

Оливер Хевисайд ввёл следующие термины:

• «электрет» для электрического аналога постоянного магнита, или, иными словами, любое вещество, обладающее квазипостоянной электрической поляризацией (напр. сегнетоэлектрик).
• 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».

Память

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

См. также

• Функция Хевисайда
• Телеграфные уравнения

Литература

• Болотовский Б. М. Оливер Хевисайд, 1850—1925 / 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. Оливер Хевисайд // 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.