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(qū)

在工程師自學(xué)并通過書信通信分享工作成果的時(shí)代并不少見的時(shí)候，Oliver Heaviside（1850-1925 年）這位白手起家的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和電氣工程師繼續(xù)激勵(lì)其他工程師去冒險(xiǎn)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館提供 [CC 公共領(lǐng)域]

赫維賽德因?qū)?fù)數(shù)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(shè)計(jì)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為今天使用的形式而受到贊譽(yù)。

赫維賽德對(duì)運(yùn)算的貢獻(xiàn)與他對(duì)幾何學(xué)的厭惡形成鮮明對(duì)比，根據(jù)一些說法，這門學(xué)科導(dǎo)致他 16 歲輟學(xué)并開始獨(dú)立學(xué)習(xí)。其他歷史學(xué)家推測(cè)，海維賽德在十幾歲時(shí)就輟學(xué)了，因?yàn)樗母改笡]有辦法讓他繼續(xù)接受教育。

Heaviside 自學(xué)了摩爾斯電碼、丹麥語和德語后，前往丹麥，成為一名電報(bào)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(bào)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(bào)方面的天賦使他回到了英國(guó)，在大北方電報(bào)公司工作。

當(dāng)時(shí)，跨大西洋電報(bào)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路的信號(hào)傳輸和電纜著陸問題。Heaviside 因其許多成功的改進(jìn)而受到贊譽(yù)，包括他在“電報(bào)員方程式”方面的工作。

海維賽德小時(shí)候曾患過猩紅熱，因此聽力受損，由于耳聾，他離開了電報(bào)，轉(zhuǎn)而研究電學(xué)。

赫維賽德的重心轉(zhuǎn)移也很大程度上受到他對(duì)“麥克斯韋電磁學(xué)新論”的迷戀的影響。讀完之后，Heaviside 對(duì)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(shù)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(dǎo)方法后來被托馬斯·布羅姆維奇證明了。在那之前，它們的存在沒有嚴(yán)格的傳統(tǒng)數(shù)學(xué)證明。赫維賽認(rèn)為數(shù)學(xué)不應(yīng)該受到如此嚴(yán)格的約束。這種缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性的行為給他在學(xué)術(shù)界帶來了很多問題。（他的《電磁理論》一書第 5 章的一個(gè)副標(biāo)題叫做“嚴(yán)密的數(shù)學(xué)是狹窄的，物理數(shù)學(xué)是大膽的和廣泛的?！保┰谒耐轮校站S賽德被認(rèn)為是一個(gè)不怕鎖角的諷刺人并捍衛(wèi)他的立場(chǎng)。

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

他最初是通過與另一位科學(xué)家J. Willard Gibbs合作而對(duì)矢量分析產(chǎn)生興趣的，但負(fù)責(zé)應(yīng)用于電路的運(yùn)算微積分的是 Heaviside。

這種運(yùn)算演算在當(dāng)今的電氣工程中有很多用途：

• 分析電子電路

• 系統(tǒng)建模

• 數(shù)字信號(hào)處理

• 核物理學(xué)（分析放射性衰變）

• 過程控制（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、未過濾的電氣設(shè)備、電磁耦合、EMI/RFI 噪聲以及開關(guān)的打開或關(guān)閉引起。Heaviside 在這一領(lǐng)域的大部分工作已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離清晰的信號(hào)傳輸，而不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)干擾和數(shù)據(jù)丟失。

Heaviside 獲得了同軸電纜的專利，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電視。他在電感方面的工作后來被應(yīng)用于感應(yīng)線圈，并由 ATT 的 Michael (Mihajlo) Pupin 和 George Campbell 申請(qǐng)了專利。

1910-1930 年間英國(guó)的感應(yīng)線圈。圖片由英國(guó)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?qū)o線電波返回地球圓形表面而不是向前傳播到太空的導(dǎo)電大氣層。與此同時(shí)，美國(guó)電氣工程師阿瑟·E·肯尼利 (Arthur E. Kennelly) 也對(duì)電離層做出了類似的預(yù)測(cè)。因此，它最初的名字多年來一直被稱為肯尼利-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 暗示了愛因斯坦的狹義相對(duì)論。他假設(shè)電荷的質(zhì)量會(huì)隨著其速度的增加而增加。

并不是每個(gè)人都懷疑他對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的古怪方法。 奧利弗洛奇爵士，另一位幾乎沒有受過正規(guī)訓(xùn)練的先驅(qū)，認(rèn)識(shí)到海維賽德關(guān)于電磁波的假設(shè)的強(qiáng)大理論含義。

托基市民協(xié)會(huì)為紀(jì)念?yuàn)W利弗·海維賽德而放置的牌匾。圖片由Linda Hall 圖書館提供

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) 的韋伯音樂劇《貓》(Cats) 提到了一種流行文化對(duì) Heaviside 作品的認(rèn)可，歌曲“Journey to the Heaviside Layer”中使用他對(duì)電離層的預(yù)測(cè)作為天堂的隱喻。