Oliver Heaviside

Sammanfattning

Oliver Heaviside (London, England, 18 maj 1850 – Torquay, England, 3 februari 1925) var en engelsk fysiker, elektrotekniker, radiograf och matematiker. Heaviside introducerade komplexa tal i kretsanalysen, uppfann en ny teknik för att lösa differentialekvationer (motsvarande Laplace-transformationen), utvecklade självständigt vektorkalkyl och skrev om Maxwells ekvationer i det format som används idag. Han bidrog på ett avgörande sätt till att Maxwells ekvationer förstods och tillämpades under decennierna efter Maxwells död. Hans formulering av telegrafekvationer var kommersiellt relevant under hans egen livstid, även om de länge gick obemärkt förbi eftersom få var bekanta med hans nya metodik. Även om hans relationer med det vetenskapliga etablissemanget var komplicerade under större delen av hans liv, omformade Heaviside området för telekommunikation, matematik och vetenskap.

Barn och ungdomar

Oliver var det fjärde barnet i familjen med Thomas Heaviside och Rachel West. Hans far var en begåvad trägravör, men hans yrke led redan av konkurrensen från den framväxande fotografiska tekniken, och familjen hade alltid ont om pengar. Mamman startade ett slags liten skola för unga damer i sitt hyrda hus i Camden Town för att få mer inkomster. Atmosfären i familjen måste ha varit spänd och dyster. I Olivers fall komplicerades situationen av att han som barn drabbades av scharlakansfeber, vilket ledde till att han blev praktiskt taget döv. Detta gjorde det svårt för honom att relatera till andra, särskilt de andra pojkarna, och det var troligen grunden till den sura och tillbakadragna karaktär han visade upp resten av sitt liv, även om han återfick en stor del av sin hörsel senare i tonåren.

Ett arv som mottogs 1863 innebar en betydande ekonomisk förbättring för familjen. Familjen Heaviside flyttade till ett bättre boende i samma område och Oliver kunde gå i skolan, där han utmärkte sig i naturvetenskap och vann en medalj i examen 1865. Men hans skolgång måste avslutas året därpå. Resten av hans intellektuella utbildning var självlärd, och han verkar ha varit en flitig och ivrig besökare på offentliga bibliotek. Han var särskilt attraherad av vetenskapliga arbeten och fördjupade sig därför i Newtons och Laplaces avhandlingar.

Löptid

Han kunde inte gå på universitetet utan var tvungen att arbeta. År 1867 flyttade han till Newcastle, där han började arbeta som telegrafist. Denna inriktning, som var så avgörande för hans senare karriär, var ett resultat av familjeförhållanden. En äldre syster till hans mor, Emma West, hade gift sig med Charles Wheatstone, som tillsammans med W. F. Cooke uppfann ett telegrafsystem som gjorde honom rik och mäktig. En äldre bror till Oliver, Arthur W. Heaviside, blev sin farbrors assistent och fortsatte sedan att leda det lokala telegrafföretaget i Newcastle; han slutade med att få en viktig post inom postverket. Oliver började som sin brors assistent och hösten 1868 fick han i uppdrag att sköta den nya sjökabel som lades mellan Newcastle och Danmark, först som operatör och sedan som elektriker, vilket var den benämning som då gavs till specialister inom den nyaste och mest intressanta av alla elektrotekniska tekniker. Oliver tillbringade de följande åren i verkstäderna och ombord på de fartyg som ansvarade för underhållet av linjen, privilegierade platser där alla aspekter av de nya fenomen och problem som ständigt uppstod experimenterades och analyserades. Under denna tid fortsatte han att studera fysik på egen hand, både teoretiskt och experimentellt.

I maj 1874 lämnade han sitt arbete i Newcastle och återvände till sina föräldrars hem i London, både av hälsoskäl (han led av ett slags pseudoepileptiskt anfall) och av en önskan att ägna sig åt studier och forskning. Han fick aldrig mer ett fast avlönat arbete, såvida man inte betraktar det sporadiska arbetet som kolumnist som gav honom en mager avkastning. Han avvisade alla anställningsmöjligheter som hans bror och andra erbjöd honom och valde en extremt stram livsstil i utbyte mot total frihet för sin forskning. ”Jag föddes som en naturlig filosof, inte som en rastlös ingenjör eller som en ”praktisk man” i kommersiell bemärkelse”, karakteriserade han sig själv i slutet av sitt liv. Många av hans teoretiska bidrag hade viktiga praktiska tillämpningar, men han försökte aldrig tjäna pengar på dem (troligen i Faradays fotspår, en av hans idoler), trots den tidens uppfinningshets och patentering som följde, inklusive hans farbror Wheatstones närliggande exempel.

Sista åren

Efter 1900 minskade Heavisides vetenskapliga verksamhet märkbart i kvantitet och kvalitet och upphörde praktiskt taget 1906, även om hans sista bok publicerades 1912. En av de viktigaste orsakerna var de problem som orsakades av hans ihållande ohälsa.

Oliver och hans föräldrar flyttade i september 1889 till sin bror Charles, som hade en musikinstrumentbutik i Paington, Devonshire, och följde därmed en annan av de linjer som Wheatstone, som också uppfann dragspelet, hade dragit upp i familjen. Efter föräldrarnas död 1894 och 1896 flyttade Oliver 1897 till ett fristående hus på landsbygden nära Newton Abbot och inte långt från Paington, men upplevelsen var inte särskilt tillfredsställande och 1908 återvände han till Torquay, där han dog 1925 efter att ha levt ett alltmer ensamt och excentriskt liv.

Utmärkelser och utmärkelser

Trots sitt eremitiska liv gav Heavisides publicerade arbete och hans inflytelserika vänners verksamhet honom en hel del erkännande, även om han inte verkade uppskatta det. Följande är särskilt intressanta:

Med hjälp av J. Perry, G. F. FitzGerald, O. Lodge och andra vänner lyckades Heaviside få en officiell pension på 120 pund per år 1896 (höjt till 220 pund 1914), som han till slut accepterade, efter att två år tidigare ha avböjt ett annat stipendium från Royal Societys Scientific Relief Fund, som administrerades på samma sätt, med motiveringen att det var ”välgörenhet”.

Början

Hans första publicerade artikel är från juli 1872 och publicerades i English Mechanic under signaturen ”O.”; den handlade om en metod för att jämföra elektromotoriska krafter som Heaviside upptäckt 1870. I februari 1873 publicerade han sin första artikel i Philosophical Magazine, den viktigaste fysiktidskriften vid den tiden. Den här gången handlade det om optimering av Wheatstone-bron, ett mätinstrument som är välkänt bland telegrafister och fysiker, men som hittills inte hade fått någon strikt matematisk behandling. Artikeln gjorde honom uppmärksammad av tidens viktigaste vetenskapliga personligheter, som Lord Kelvin och Maxwell. Många av Heavisides intellektuella egenskaper finns redan i detta arbete, inklusive den grundläggande egenskapen att tillämpa kraftfulla matematiska metoder för att lösa praktiska problem (till och med Kelvin tyckte tydligen att hans algebra var svår).

Under de följande fyrtio åren producerade Heaviside ett oavbrutet flöde av artiklar, som huvudsakligen publicerades i tidskrifter som The Electrician, Philosophical Magazine och Nature, och som sammanlagt omfattade mer än tre tusen täta sidor. Dessa bidrag publicerades sedan regelbundet i bokform och utgör de verk som anges i bibliografin.

Teori för signalöverföringsledningar

Det grundläggande ämnet för Heavisides tidiga forskning var signalernas utbredning över telegraflinjer, särskilt den förvrängning de utsattes för när de passerade underjordiska eller undervattenskablar. Fenomenet hade blivit aktuellt 1853 när Latimer Clark först observerade det på den engelsk-holländska linjen och uppmärksammade Faraday på det. Faraday studerade det och ansåg att det var ett bevis för hans egna idéer om det elektromagnetiska fältet, särskilt ”strömmarnas tvärgående effekter” (Experimental Researches in Electricity, vol. III, s. 508). Allt detta ifrågasatte själva genomförbarheten av den planerade transatlantiska kabeln, som tidigare var oöverträffad i sin längd. År 1855 utvecklade Lord Kelvin en teori om den elektriska telegrafen där han kombinerade Faradays idéer med Fouriers ekvationer om värmespridning i en fast kropp och kom fram till att signalernas fördröjning berodde på kombinationen av kabelns motstånd och kapacitans, som ökade med kvadraten på kabelns längd. Detta var ett oundvikligt fenomen som begränsade överföringshastigheten, men som kunde övervinnas om man var uppmärksam på kablarnas elektriska egenskaper och om man använde mycket speciell utrustning för sändning och mottagning, tillsammans med noggrant utvalda överföringstekniker. Men dessa överväganden accepterades inte utan förbehåll (vilket de senare skulle göra) och kabeln lades ut 1858. Den första driften var dock en besvikelse, och den blev oanvändbar efter bara en månads drift, vilket bara visade att Kelvins idéer var korrekta. Kelvin fick då ta hand om utformningen och driften av en ny linje, som stod klar 1866 och som var en succé.

Heaviside tillämpade Kelvins teori på sina egna erfarenheter av den anglo-danska kabeln och publicerade en rad artiklar om den mellan 1874 och 1889, vilket ledde till att teorin utvidgades till att omfatta två nya faktorer som tidigare inte hade beaktats: ledningsförluster (som Heaviside, som inte alls var sparsam med att skapa neologismer, kallade ”leakance”, vilket skulle översättas till ”fugance” eller ”perditance”) och framför allt ”self-induction”. Han kompletterade och korrigerade därmed den ursprungliga teorin och formulerade det som länge var känt som ”Heavisideekvationen” eller ”telegrafistens ekvation”, som ger det momentana värdet av spänningen (v) i en punkt (x) på linjen som en funktion av dess elektriska egenskaper motstånd (k), kapacitans (c) och induktans (s):

När hänsyn tas till självinduktion sprider sig den elektriska strömmen inte längre bara längs linjen, som i det tidigare konceptet, utan orsakar en serie inledande svängningar tills ett stabilt tillstånd uppnås. Signalspridning, även via kabel, var därmed definitivt kopplad till elektromagnetiska vågor.

År 1887 formulerade Heaviside idén att det var möjligt att kombinera de elektriska parametrarna i en signalöverföringsledning på ett sådant sätt att all distorsion kunde elimineras, dvs. att även om hela signalen skulle dämpas, skulle alla dess komponentfrekvenser dämpas i samma proportion. Detta var nödvändigt för den nya telefonkommunikationen, i ännu högre grad än för telegrafkommunikationen. Många patent togs på denna grund av andra (t.ex. Silvanus P. Thompson, J. S. Stone och A. K. Erlang), men genomförandet krävde betydande ytterligare ansträngningar och lyckades inte förrän G. A. Campbell och Michael I. Pupin omkring 1900 (med de så kallade ”lastspolarna”).

Även om Gustav Kirchhoff redan 1857 hade inkluderat självinduktion i teorin om långa linjer, fick hans förslag ingen effekt. Heaviside blev istället dess apostel. ”Självinduktion är frälsning” sade han 1897 (och 1904: ”Om kärlek är det som rör världen, är det självinduktion som rör vågorna genom den”). (Elektromagnetisk teori, vol. 3, s. 194). Denna ståndpunkt kolliderade direkt med den som intogs av ingenjören W. H. Preece, som blev högsta chef för den brittiska telegraf- och telefontjänsten (Post Office), som höll fast vid den primitiva uppfattningen att självinduktion alltid var skadlig på en kommunikationslinje och borde minimeras. Konfrontationen pågick fram till Preece död och kostade Heaviside en hel del sorg.

Maxwellianism

Den första upplagan av Maxwells Treatise on Electricity and Magnetism publicerades 1873, och Heaviside studerade den omedelbart och blev djupt imponerad av innehållet, även om han inte förstod det nya (som de flesta samtida läsare), särskilt när det gällde elektromagnetiska vågor och deras utbredning genom ett medium (etern som dielektrikum). Den matematiska apparatur som användes, baserad på kvaternioner, var också bortom hans förmåga vid den tiden. Han ägnade därför flera år åt att studera den ingående och 1876 började han citera den i sitt eget arbete. Maxwells tidiga död 1879 innebar en radikal förändring av omständigheterna, eftersom mästaren inte längre kunde förväntas bidra till en teori som var i stort behov av bidrag och av att bli känd för allmänheten. Heaviside tog denna uppgift på sig och började enligt egen utsago medvetet genomföra den redan 1882. Men han begränsade sig inte till att upprepa innehållet i Treatise som en ”helig text” (J. J. Thomson gick så långt att han kallade Heaviside för en ”avfällig Maxwellian”), utan han omarbetade, förfinade och utvidgade den, vilket resulterade i det som vetenskapen i dag känner till som Maxwells teori. I dag talar man ofta som en självklarhet om ”Maxwells fyra ekvationer”, men det är värt att veta att det verkliga antalet ekvationer som finns i avhandlingen är tretton. Den slutliga syntesen och det teoretiska klargörandet i form av de fyra ekvationerna är ett resultat av Heavisides och Hertz arbete, först oberoende av varandra och sedan tillsammans.

I sin tillägnelse, omarbetning och spridning av den Maxwellianska teorin hade Heaviside ett avgörande samarbete med andra engelska fysiker, som har kallats ”the Maxwellians”, främst G. F. FitzGerald och O. Lodge under de tidiga åren, som senare fick sällskap av J. Larmor, även om Heavisides förhållande till den sistnämnde var mindre harmoniskt än till de andra.

Trots att Heaviside var inblandad i den ansåg han inte att den Maxwellianska teorin var slutgiltig eller hade sista ordet. Han betraktade inte ens Hertz experiment 1886-1888 som ett ovedersägligt bevis på att den var korrekt. Problemen med eterns rörelse och själva konceptet var ett bevis på detta, och ytterligare en komplikation var elektronens växande teoretiska roll under 1800-talets sista år, tillsammans med dess experimentella bekräftelser, vilket tvingade fram en ändring av Maxwellians koncept om laddning och ström. Heaviside var aktiv när det gällde att utvidga fältsekvationerna till att omfatta rörliga laddningar (elektroner) och tillhandahöll några av de första fullständiga lösningarna.

Matematiska instrument

Den symboliska representationen av fysiska storheter med orientering var en process av långsam konsolidering som genomfördes under hela 1800-talet, med början med komplexa tal, som kan tillämpas på planet. Det var naturligtvis ännu svårare att generalisera dem till rymden. Detta var syftet med W. R. Hamiltons teori om kvaternionerna. När man studerar elektromagnetism är det viktigt att ha en kortfattad och effektiv notation för att hantera rymdvektorer, och Maxwell hade använt quaternion, men ofta i förenklad form. För Heavisides pedagogiska och systematiserande syften var detta inte tillräckligt, så han utvecklade vektoranalysen som en oberoende algebra, formulerad i vad som fortfarande är dess nuvarande form i kapitel III i Elektromagnetisk teori. Den innehåller också skälen till att han förkastade den kvaternioniska teorin, ett ämne där han fram till slutet av sin karriär hade häftiga kontroverser med P. G. Tait, dess främsta företrädare och försvarare. I vilket fall som helst var vektorkalkyl praktiskt taget okänd bland ingenjörer och fysiker på sin tid (Heaviside var tvungen att lära Hertz den), vilket bidrog till att göra Heavisides skrifter svåra att förstå, trots hans ihärdiga pedagogiska ansträngningar, så till den grad att hans vän Lodge beskrev dem inte bara som svåra, utan även som ”excentriska och i vissa avseenden motbjudande”.

Han var också en av skaparna av kalkyl med hjälp av operatörer, operativ kalkyl eller operativ kalkyl, så användbar senare inom teknik, till utveckling och utläggning av vilken han ägnade en stor del av sin verksamhet från 1894 till 1898, samlad i den andra volymen av Elektromagnetisk teori. Även om metoden inte blev allmänt spridd förrän efter hans död har den betraktats som ett av de tre stora matematiska framstegen under 1800-talets sista fjärdedel.

Heaviside uppfattade matematiken som en experimentell vetenskap och föraktade akademiska ”rena matematiker”. Hans matematik handlade inte om demonstrationer eller existenssatser, utan om att lösa fysiska problem, vars funktionella relationer är enkla och inte kräver en uttömmande analys av alla abstrakta möjligheter. Det är onödigt att säga att han och hans metoder inte heller fick något gott omdöme bland professionella matematiker.

Källor

  1. Oliver Heaviside
  2. Oliver Heaviside
Ads Blocker Image Powered by Code Help Pro

Ads Blocker Detected!!!

We have detected that you are using extensions to block ads. Please support us by disabling these ads blocker.