Oliver Heaviside
gigatos | 2 februára, 2022
Oliver Heaviside (18. mája 1850, Londýn, Anglicko – 3. februára 1925, Torquay, Anglicko) bol anglický fyzik, elektrotechnický inžinier, rádiológ a matematik. Heaviside zaviedol komplexné čísla do analýzy obvodov, vynašiel novú techniku riešenia diferenciálnych rovníc (ekvivalent Laplaceovej transformácie), nezávisle vyvinul vektorový počet a prepísal Maxwellove rovnice do podoby, ktorá sa bežne používa dnes. Významne ovplyvnil spôsob, akým sa Maxwellove rovnice chápali a používali v desaťročiach po Maxwellovej smrti. Jeho formulácia telegrafných rovníc mala komerčný význam už počas jeho života, hoci dlho zostávala nepovšimnutá, pretože málokto vtedy poznal jeho novú metodiku. Hoci jeho vzťahy s vedeckým establišmentom boli po väčšinu jeho života komplikované, Heaviside pretvoril oblasť telekomunikácií, matematiky a vedy.
Deti a mládež
Oliver bol štvrtým dieťaťom v rodine Thomasa Heavisida a Rachel Westovej. Jeho otec bol nadaný drevorezbár, ale jeho remeslo už trpelo konkurenciou rodiacej sa fotografickej techniky a rodina mala stále nedostatok peňazí. Matka si v ich prenajatom dome v Camden Town zriadila akúsi malú školu pre mladé dámy, aby si zarobila viac. Atmosféra v rodine musela byť napätá a pochmúrna. V Oliverovom prípade situáciu skomplikovala skutočnosť, že ako dieťa trpel šarlachom, v dôsledku ktorého prakticky ohluchol. To mu sťažovalo vzťahy s ostatnými, najmä s ostatnými chlapcami, a pravdepodobne sa to stalo základom jeho mrzutej a uzavretej povahy, ktorú prejavoval po zvyšok života, hoci neskôr, v období dospievania, sa mu sluch do značnej miery vrátil.
Dedičstvo získané v roku 1863 znamenalo pre rodinu výrazné finančné zlepšenie. Heavisidovci sa presťahovali do lepšieho bývania v tej istej štvrti a Oliver mohol navštevovať školu, kde vynikal v prírodných vedách a v roku 1865 získal medailu v skúškach. Jeho školská dochádzka sa však musela nasledujúci rok skončiť. Zvyšok svojho intelektuálneho vzdelania získal sám a zdá sa, že bol vytrvalým a vášnivým návštevníkom verejných knižníc. Obzvlášť ho priťahovali vedecké práce, a tak sa hlboko ponoril do Newtonových a Laplaceových traktátov.
Zrelosť
Keďže nemohol študovať na univerzite, musel ísť do práce. V roku 1867 sa presťahoval do Newcastlu, kde začal pracovať ako telegrafista. Táto orientácia, taká rozhodujúca pre jeho neskoršiu kariéru, bola výsledkom rodinných okolností. Staršia sestra jeho matky, Emma Westová, sa vydala za Charlesa Wheatstona, spoluvynálezcu telegrafného systému s W. F. Cookom, ktorý sa stal bohatým a mocným. Oliverov starší brat Arthur W. Heaviside sa stal asistentom svojho strýka a potom viedol miestnu telegrafnú spoločnosť v Newcastli; nakoniec zastával dôležitú funkciu na poštovom úrade. Oliver začal ako bratov asistent a na jeseň 1868 bol pridelený na prevádzku nového podmorského kábla položeného medzi Newcastlom a Dánskom, najprv ako operátor a potom ako elektrikár, čo bolo v tom čase pomenovanie pre odborníkov v najnovšej a najzaujímavejšej elektrotechnike. Nasledujúce roky strávil Oliver v dielňach a na palubách lodí, ktoré mali na starosti údržbu linky, na privilegovaných miestach, kde sa experimentovalo a analyzovali všetky aspekty nových javov a problémov, ktoré sa neustále objavovali. Počas tohto obdobia pokračoval v samostatnom štúdiu fyziky, a to teoreticky aj experimentálne.
V máji 1874 opustil prácu v Newcastli a vrátil sa do rodičovského domu v Londýne zo zdravotných dôvodov (trpel akýmsi pseudoepileptickým záchvatom) a z túžby venovať sa výlučne štúdiu a výskumu. Už nikdy nemal pravidelne platenú prácu, ak za ňu nepovažujeme sporadickú prácu publicistu, ktorá mu prinášala skromný zárobok. Odmietol všetky pracovné príležitosti, ktoré mu ponúkal jeho brat a iní, a zvolil si extrémne prísny spôsob života výmenou za úplnú slobodu pri výskume. „Narodil som sa ako prirodzený filozof, nie ako nepokojný inžinier alebo „praktický človek“ v obchodnom zmysle,“ charakterizoval sa na konci svojho života. Mnohé z jeho teoretických príspevkov mali dôležité praktické využitie, ale nikdy sa nesnažil dosiahnuť z nich finančný zisk (pravdepodobne po vzore Faradaya, jedného zo svojich idolov), napriek vtedajšiemu vynálezcovskému rozruchu a následnému patentovaniu, vrátane blízkeho príkladu jeho strýka Wheatstona.
Posledné roky
Po roku 1900 Heavisideova vedecká činnosť výrazne poklesla, čo sa týka kvantity a kvality, a prakticky sa zastavila v roku 1906, hoci jeho posledná kniha vyšla v roku 1912. Jednou z hlavných príčin boli problémy spôsobené jeho pretrvávajúcim zlým zdravotným stavom.
Oliver a jeho rodičia odišli v septembri 1889 žiť k jeho bratovi Charlesovi, ktorý mal obchod s hudobnými nástrojmi v Paingtone v Devonshire, čím nadviazal na ďalšiu rodinnú líniu, ktorú začal Wheatstone, ktorý tiež vynašiel koncertinu. Po smrti svojich rodičov v rokoch 1894 a 1896 sa Oliver v roku 1897 presťahoval do samostatného domu na vidieku neďaleko Newton Abbotu a neďaleko Paingtonu, ale táto skúsenosť ho veľmi neuspokojila a v roku 1908 sa vrátil ako podnájomník do Torquay, kde v roku 1925 zomrel po tom, čo viedol čoraz osamelejší a výstrednejší život.
Vyznamenania a ocenenia
Napriek eremitskému životu Heavisideovi jeho publikované práce a aktivity jeho vplyvných priateľov priniesli veľké uznanie, hoci on sám si to zrejme nevážil. Za zmienku stoja najmä tieto skutočnosti:
Vďaka úsiliu a snahe J. Perryho, G. F. FitzGeralda, O. Lodgea a ďalších priateľov sa Heavisidovi podarilo v roku 1896 zabezpečiť oficiálny dôchodok vo výške 120 libier ročne (v roku 1914 zvýšený na 220 libier), ktorý nakoniec prijal, keďže dva roky predtým odmietol iný grant z Vedeckého podporného fondu Kráľovskej spoločnosti, spravovaného rovnakým spôsobom, s odôvodnením, že ide o „charitu“.
Začiatky
Jeho prvý publikovaný článok pochádza z júla 1872 a vyšiel v časopise English Mechanic pod podpisom „O.“; zaoberal sa metódou porovnávania elektromotorických síl, ktorú objavil Heaviside v roku 1870. Vo februári 1873 publikoval svoj prvý článok vo Filozofickom časopise, najvýznamnejšom fyzikálnom časopise tej doby. Tentoraz sa zaoberal optimalizáciou Wheatstonovho mostíka, meracieho prístroja dobre známeho v praxi telegrafistov a fyzikov, ktorý však dovtedy nenašiel dôsledné matematické spracovanie. Vďaka tomuto článku sa dostal do povedomia najvýznamnejších vedeckých osobností tej doby, ako boli lord Kelvin a Maxwell. Mnohé Heavisideove intelektuálne črty sú prítomné už v tejto práci, vrátane tej základnej, ktorou je používanie silných matematických metód na riešenie praktických problémov (dokonca aj Kelvinovi sa jeho algebra zrejme zdala zložitá).
Počas nasledujúcich štyridsiatich rokov Heaviside nepretržite publikoval články, ktoré vychádzali najmä v periodikách ako The Electrician, Philosophical Magazine a Nature, v celkovom rozsahu viac ako tritisíc hustých strán. Tieto príspevky potom pravidelne vychádzali knižne a tvorili diela uvedené v bibliografii.
Teória prenosových vedení signálov
Základným predmetom Heavisideovho raného výskumu bolo šírenie signálov po telegrafných vedeniach, najmä ich skreslenie pri prechode podzemnými alebo podmorskými káblovými vedeniami. Tento jav sa stal aktuálnym v roku 1853, keď ho Latimer Clark prvýkrát pozoroval na anglo-holandskej trati a upozornil naň Faradaya, ktorý ho študoval a považoval za dôkaz svojich vlastných myšlienok o elektromagnetickom poli, najmä o „priečnych účinkoch prúdov“ (Experimental Researches in Electricity, zv. III, s. 508). To všetko spochybnilo samotnú realizovateľnosť plánovaného transatlantického kábla, ktorého dĺžka bola dovtedy neslýchaná. V roku 1855 lord Kelvin vypracoval teóriu elektrického telegrafu, v ktorej spojil Faradayove myšlienky s Fourierovými rovnicami o šírení tepla v pevnom telese a dospel k záveru, že oneskorenie signálov je spôsobené kombináciou odporu a kapacity kábla, ktoré sa zvyšujú so štvorcom dĺžky kábla. Išlo o nevyhnutný jav, ktorý obmedzoval rýchlosť prenosu, ale ktorý sa dal prekonať, ak sa venovala náležitá pozornosť elektrickým vlastnostiam káblov a používaniu veľmi špeciálnych prístrojov na prenos a príjem spolu s dôkladne zvolenými technikami prenosu. Tieto úvahy však spočiatku neboli akceptované bez výhrad (ako neskôr) a kábel bol položený v roku 1858. Jej počiatočná prevádzka však bola sklamaním a už po jednom mesiaci prevádzky sa stala nepoužiteľnou, čo slúžilo len na demonštráciu správnosti Kelvinových myšlienok, a tak mu zostalo navrhnúť a prevádzkovať novú linku, ktorá bola dokončená v roku 1866 a bola úspešná.
Heaviside aplikoval Kelvinovu teóriu na svoje vlastné skúsenosti s anglicko-dánskym káblom a v rokoch 1874 až 1889 o nej publikoval sériu článkov, na základe ktorých bola rozšírená o dva nové faktory, ktoré sa predtým nebrali do úvahy: straty na vedení (ktoré Heaviside, ktorý vôbec nešetril neologizmami, nazval leakance, čo sa malo preložiť ako fugancia alebo perditancia) a predovšetkým samoindukcia. Doplnil a spresnil tak pôvodnú teóriu a sformuloval rovnicu, ktorá bola dlho známa ako „Heavisideova rovnica“ alebo „telegrafistická rovnica“, ktorá udáva okamžitú hodnotu napätia (v) v ľubovoľnom bode (x) vedenia ako funkciu jeho elektrických charakteristík odporu (k), kapacity (c) a indukčnosti (s):
Ak sa zohľadní samoindukcia, elektrický prúd sa už jednoducho nešíri pozdĺž vedenia ako v predchádzajúcej koncepcii, ale spôsobuje sériu počiatočných oscilácií, kým sa nedosiahne ustálený stav. Šírenie signálu, dokonca aj po kábli, tak bolo definitívne spojené s elektromagnetickými vlnami.
V roku 1887 Heaviside sformuloval myšlienku, že je možné skombinovať elektrické parametre prenosového vedenia signálu tak, aby sa eliminovalo všetko skreslenie, t. j. aby sa síce celý signál zoslabil, ale všetky jeho zložkové frekvencie boli zoslabené v rovnakom pomere. To bolo nevyhnutné pre novú telefonickú komunikáciu, dokonca viac ako pre telegrafnú komunikáciu. Na tomto základe si iní (napríklad Silvanus P. Thompson, J. S. Stone a A. K. Erlang) vyžiadali množstvo patentov, ale jeho implementácia si vyžadovala značné dodatočné úsilie a bola úspešne realizovaná až vďaka príspevkom G. A. Campbella a Michaela I. Pupin okolo roku 1900 (s tzv. „nakladacími cievkami“).
Hoci Gustav Kirchhoff zahrnul samoindukciu do teórie dlhých vedení už v roku 1857, jeho návrh nemal žiadny vplyv. Heaviside sa namiesto toho stal jeho apoštolom. „Sebaindukcia je spása,“ povedal v roku 1897 (a ešte v roku 1904: „Ak je láska to, čo hýbe svetom, sebaindukcia je to, čo ním hýbe vlnami“. (Elektromagnetická teória, zv. 3, s. 194). Tento postoj bol v priamom rozpore s názorom inžiniera W. H. Preecea, ktorý sa stal najvyšším šéfom britskej telegrafnej a telefónnej služby (Post Office) a ktorý zastával primitívny názor, že samoindukcia je na komunikačnej linke vždy škodlivá a mala by sa minimalizovať. Konfrontácia trvala až do Preeceovej smrti a Heavisidea stála nemalý žiaľ.
Maxwellianizmus
Prvé vydanie Maxwellovho pojednania o elektrine a magnetizme vyšlo v roku 1873 a Heaviside si ho okamžite preštudoval, pričom naňho jeho obsah urobil hlboký dojem, hoci spočiatku nechápal jeho novosti (ako väčšina súčasných čitateľov), najmä pokiaľ ide o elektromagnetické vlny a ich šírenie v prostredí (éter ako dielektrikum). Použitý matematický aparát, založený na kvaternónoch, bol tiež nad jeho vtedajšie možnosti. Preto sa niekoľko rokov venoval jeho podrobnému štúdiu a v roku 1876 ho začal citovať vo svojich prácach. Maxwellova predčasná smrť v roku 1879 znamenala radikálnu zmenu okolností, pretože od majstra sa už nedalo očakávať, že prispeje k teórii, ktorá veľmi potrebovala príspevky a oboznámenie verejnosti. Heaviside túto úlohu prevzal na seba a podľa vlastného priznania ju začal vedome plniť už v roku 1882. Neobmedzil sa však len na opakovanie obsahu Traktátu ako „posvätného textu“ (J. J. Thomson zašiel tak ďaleko, že Heavisidea nazval „odpadlíkom od Maxwella“), ale prepracoval, zdokonalil a rozšíril ho, čoho výsledkom je to, čo dnešná veda pozná ako Maxwellovu teóriu. Dnes sa o nej často hovorí ako o „štyroch Maxwellových rovniciach“, ale treba vedieť, že skutočný počet rovníc obsiahnutých v traktáte je trinásť. Konečná syntéza a teoretické objasnenie, ktoré predstavujú tieto štyri rovnice, boli výsledkom práce Heavisida a Hertza, najprv nezávisle a potom spoločne.
Pri osvojovaní, prepracovávaní a šírení Maxwellovej teórie Heaviside rozhodujúcim spôsobom spolupracoval s ďalšími anglickými fyzikmi, ktorí boli nazývaní „Maxwellovci“, najmä s G. F. FitzGeraldom a O. Lodgeom v prvých rokoch a neskôr s J. Larmor, hoci Heavisideov vzťah s posledným menovaným bol menej harmonický ako s ostatnými.
Napriek tomu, že sa na nej Heaviside podieľal, nepovažoval Maxwellovu teóriu za úplnú ani za posledné slovo. Ani Hertzove experimenty z rokov 1886-1888 nepovažoval za nezvratný dôkaz jeho správnosti. Problémy spojené s pohybom éteru a jeho samotnou koncepciou to dokazovali a ďalšou komplikáciou bola rastúca teoretická úloha elektrónu v posledných rokoch 19. storočia spolu s jeho experimentálnym potvrdením, ktoré si vynútili modifikáciu Maxwellových koncepcií náboja a prúdu. Heaviside bol aktívny pri rozširovaní rovníc poľa na pohyblivé náboje (elektróny) a poskytol niektoré z prvých úplných riešení.
Matematické nástroje
Symbolická reprezentácia fyzikálnych veličín s orientáciou bola procesom pomalého upevňovania, ktorý prebiehal počas celého 19. storočia, počnúc komplexnými číslami, použiteľnými v rovine. Ich zovšeobecnenie na vesmír bolo prirodzene ešte ťažšie. Takýto účel mala teória kvaterniónov W. R. Hamiltona. Pri štúdiu elektromagnetizmu je nevyhnutné mať stručný a efektívny zápis pre prácu s priestorovými vektormi a Maxwell používal kvaternióny, ale často v zjednodušenej forme. Pre Heavisideove pedagogické a systematizujúce účely to nestačilo, preto vypracoval vektorovú analýzu ako samostatnú algebru, ktorá je v súčasnej podobe formulovaná v kapitole III Elektromagnetickej teórie. Obsahuje aj dôvody jeho odmietnutia kvaternovej teórie, o ktorej viedol ostré spory s P. G. Taitom, jej hlavným vykladačom a obhajcom, až do konca svojej kariéry. V každom prípade vektorový počet bol vtedajším inžinierom a fyzikom prakticky neznámy (Heaviside ho musel učiť Hertza), čo prispelo k tomu, že Heavisideove spisy boli napriek jeho usilovnému pedagogickému úsiliu ťažko zrozumiteľné, a to až do takej miery, že jeho priateľ Lodge ich označil nielen za ťažké, ale dokonca za „výstredné a v niektorých ohľadoch odpudzujúce“.
Bol tiež jedným z tvorcov kalkulu pomocou operátorov, operačného kalkulu alebo operačného kalkulu, tak užitočného neskôr v inžinierstve, ktorého vývoju a vysvetleniu venoval veľkú časť svojej činnosti v rokoch 1894 až 1898, zhromaždenej v druhom zväzku Elektromagnetickej teórie. Hoci sa táto metóda rozšírila až po jeho smrti, považuje sa za jeden z troch veľkých matematických pokrokov poslednej štvrtiny 19. storočia.
Heaviside chápal matematiku ako experimentálnu vedu a opovrhoval akademickými „čistými matematikmi“. Jeho matematika sa nezaoberala demonštráciami alebo existenčnými tvrdeniami, ale riešením fyzikálnych problémov, ktorých funkčné vzťahy sú jednoduché a nevyžadujú vyčerpávajúcu analýzu všetkých abstraktných možností. Netreba dodávať, že mienka o ňom a jeho metódach medzi profesionálnymi matematikmi nebola primerane tomu veľmi dobrá.
