奧利弗·海維賽德：自學成才的電磁學和向量微積分先驅(qū)

在工程師自學并通過書信通信分享工作成果的時代并不少見的時候，Oliver Heaviside（1850-1925 年）這位白手起家的數(shù)學家、物理學家和電氣工程師繼續(xù)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館提供 [CC 公共領域]

赫維賽德因?qū)蛿?shù)引入電路分析、創(chuàng)造了一種求解微分方程的新技術、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為今天使用的形式而受到贊譽。

赫維賽德對運算的貢獻與他對幾何學的厭惡形成鮮明對比，根據(jù)一些說法，這門學科導致他 16 歲輟學并開始獨立學習。其他歷史學家推測，海維賽德在十幾歲時就輟學了，因為他的父母沒有辦法讓他繼續(xù)接受教育。

Heaviside 自學了摩爾斯電碼、丹麥語和德語后，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。他被譽為學得很快，在班上 500 名學生中經(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，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。多位科學家致力于解決海底線路的信號傳輸和電纜著陸問題。Heaviside 因其許多成功的改進而受到贊譽，包括他在“電報員方程式”方面的工作。

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

赫維賽德的重心轉(zhuǎn)移也很大程度上受到他對“麥克斯韋電磁學新論”的迷戀的影響。讀完之后，Heaviside 對電學產(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)學原理。他將麥克斯韋的 20 個方程式 20 個變量簡化為 4 個兩個變量的方程式。他還開發(fā)了步進功能和掩蓋方法。

由 Heaviside 簡化的四個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，它們的存在沒有嚴格的傳統(tǒng)數(shù)學證明。赫維賽認為數(shù)學不應該受到如此嚴格的約束。這種缺乏科學嚴謹性的行為給他在學術界帶來了很多問題。（他的《電磁理論》一書第 5 章的一個副標題叫做“嚴密的數(shù)學是狹窄的，物理數(shù)學是大膽的和廣泛的?！保┰谒耐轮?，赫維賽德被認為是一個不怕鎖角的諷刺人并捍衛(wèi)他的立場。

Heaviside 創(chuàng)建了基于拉普拉斯變換的運算法則，用于簡化線性微分方程，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(tǒng)建模

• 數(shù)字信號處理

• 核物理學（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)生的臨時振蕩電流。瞬態(tài)電流可能由雷擊、故障、未過濾的電氣設備、電磁耦合、EMI/RFI 噪聲以及開關的打開或關閉引起。Heaviside 在這一領域的大部分工作已實現(xiàn)長距離清晰的信號傳輸，而不會出現(xiàn)信號干擾和數(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用于感應線圈，并由 ATT 的 Michael (Mihajlo) Pupin 和 George Campbell 申請了專利。

1910-1930 年間英國的感應線圈。圖片由英國科學博物館提供

他是第一個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電大氣層。與此同時，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似的預測。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論。他假設電荷的質(zhì)量會隨著其速度的增加而增加。

并不是每個人都懷疑他對科學發(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)訓練的先驅(qū)，認識到海維賽德關于電磁波的假設的強大理論含義。

托基市民協(xié)會為紀念奧利弗·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 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。