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数学家传记

奥利弗·赫维赛德Oliver Heaviside

出生
1850年5月18日 英格兰伦敦卡姆登镇
逝世
1925年2月3日 英格兰德文郡托基

奥利弗·赫维赛德证明了电磁学和向量微积分中的重要结果。他将麦克斯韦的20个变量20个方程简化为2个变量4个方程。

完整传记

奥利弗·赫维赛德的父母是Rachel Elizabeth West和Thomas Heaviside。Thomas是一名木刻师和水彩画家。赫维赛德是其父母四个儿子中最小的一个,出生在Camden Town的King Street 55号。他幼年时患了猩红热,这影响了他的听力。这对他的生活产生了重大影响,使他的童年不快乐,他与其他孩子之间的关系也很困难。然而他的学习成绩相当好,1865年他在500名学生中排名第五。

然而,学科科目似乎对赫维赛德没什么吸引力,16岁时他就离开了学校。也许他对学校比对学习更失望,因为离开学校后他继续学习,特别是他学习了莫尔斯电码,研究了电学,并进一步学习了语言,尤其是丹麦语和德语。他的目标是成为一名报务员,在这方面他得到了叔叔Charles Wheatstone的指导与帮助(被称为Wheatstone bridge的那件电气装置就是以他的名字命名的)。

1868年,赫维赛德前往丹麦,成为一名报务员。他在职业上进步很快,并于1871年返回英格兰,在泰恩河畔纽卡斯尔的大北电报公司办事处任职,该公司处理海外业务。

赫维赛德的听力越来越差,但他继续独自研究电学。在纽卡斯尔担任首席操作员期间,他开始发表关于电学的论文,第一篇发表于1872年,第二篇发表于1873年,引起了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的足够兴趣,以至于他在其Treatise on Electricity and Magnetism第二版中提到了这些结果。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的论著使赫维赛德着迷,他放弃了电报员的工作,将时间投入到这部著作的研究中。他后来写道:-

我看到它是伟大的、更伟大的、最伟大的,其力量中蕴含着惊人的可能性。我决心掌握这本书……我花了好几年才能尽可能多地理解它。然后我把詹姆斯·克拉克·麦克斯韦放在一边,走自己的路。我的进展快得多。

尽管他对这部著作的兴趣和理解很深,赫维赛德对严谨性并不感兴趣。他在学校最差的科目是欧几里得的学习,这个主题强调严格证明,赫维赛德非常不喜欢这个想法,他后来写道:-

令人震惊的是,年轻人竟然为了纯粹的逻辑微妙之处而绞尽脑汁,试图用同样……明显的东西来理解一个明显事实的证明。

尽管厌恶严谨性,赫维赛德还是能够极大地简化詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的20个变量中的20个方程,将它们替换为两个变量中的四个方程。今天我们称这些为‘詹姆斯·克拉克·麦克斯韦方程’,忘记了它们实际上是‘赫维赛德方程’。乔治·斐兹杰惹写道:-

麦克斯韦的论著中堆满了他那些辉煌进攻路线、筑垒营地与战役的残骸。赫维赛德清除了这些,开辟了一条直路,筑成了一条宽阔的道路,并勘察了相当长的一段地域。

赫维赛德在电磁学上的成果虽然令人瞩目,却被他在研究中发展出的向量分析的重要方法所掩盖。然而,他在1880年至1887年间发展的运算微积分引起了很大争议。他引入运算微积分是为了求解由电路理论产生的常微分方程。他用变量pp替换微分算子ddx\Large\frac{d}{dx}\normalsize,将微分方程转化为代数方程。代数方程的解可以利用转换表反变换回去,从而给出原微分方程的解。尽管在获得答案方面非常成功,但赫维赛德的运算微积分的正确性直到布罗米奇的工作才得到证明。

威廉·伯恩赛德拒绝了赫维赛德提交给Proceedings of the Royal Society的一篇关于运算微积分的论文,理由是它:-

……包含实质性错误,并且在证明上存在不可弥补的缺陷。

彼得·格思里·泰特支持四元数,反对赫维赛德和约西亚·威拉德·吉布斯的向量方法,并频繁致信Nature攻击赫维赛德的方法。

赫维赛德继续在知识上取得进一步进展,却再次得到少于他应得的回报。1887年,邮政总局技术专家普里斯写了一篇关于清晰电话电路的论文。他的论文有误,赫维赛德在1887年6月3日发表于ElectricianElectromagnetic induction and its propagation中指出了这一点。从不回避争议的赫维赛德写道:-

开尔文爵士的海底电缆理论是一件了不起的事情。……普里斯先生非常值得祝贺,因为他参与了(据他所说)开尔文爵士据以建立其理论的实验,因此他应当对该理论有非同寻常的完整了解。但这位杰出科学家的理论与那位杰出的小科学家(scienticulist)的理论并不相似,只是略有相似而已。

在这篇论文中,赫维赛德首次给出了无失真传输信号所需的条件。他关于用感应线圈来增加感应的想法,在普里斯负责研究提案期间,邮政总局(GPO)从未有可能采纳。赫维赛德放弃了这个想法,但它在1904年在美国获得了专利。哥伦比亚大学的迈克尔·普平(Michael Pupin)和美国电话电报公司(ATT)的乔治·坎贝尔(George Campbell)都读过赫维赛德关于沿电话线每隔一段距离使用感应线圈的论文。坎贝尔和普平都申请了专利,该专利于1904年授予了普平。

然而,并非一切都对赫维赛德不利。开尔文在1889年作为电气工程师学会主席发表就职演说时,称赫维赛德为权威。洛奇写信给Nature,描述赫维赛德是一个这样的人:-

……其对电磁波的深刻研究,其深入程度超出了任何人的理解。

赫维赛德于1891年当选为皇家学会会士,这或许是他获得的最大荣誉。埃德蒙·泰勒·惠特克将赫维赛德的运算微积分评为19世纪晚期三项最重要的发现之一。

1902年,赫维赛德预言大气中存在一个导电层,使无线电波能够沿地球曲率传播。大气中的这一层,即赫维赛德层,以他的名字命名。1923年,当无线电脉冲垂直向上发射并接收到从反射层返回的脉冲时,其存在得到了证明。

如果认为赫维赛德所获得的荣誉给他晚年带来了幸福,那就错了。相反,随着岁月流逝,他似乎变得越来越痛苦。1909年,赫维赛德搬到了托基(Torquay),在那里他表现出越来越多的迫害情结迹象。他的邻居们讲述赫维赛德是一个奇怪而痛苦的隐士,他用……替换了他的家具:-

……光秃秃的房间里四处立着花岗岩石块,仿佛某个新石器时代巨人的家具。他在那些奇异的房间里游荡,变得越来越脏,越来越邋遢——只有一个例外。他的指甲总是修剪得极为精致,涂着闪亮的樱桃粉色。

赫维赛德因安德鲁·劳埃德·韦伯为音乐剧Cats创作的歌曲Journey to the Heaviside Layer而更为人所知,该音乐剧改编自T·S·艾略特的诗作:-

向上 向上 向上 经过罗素酒店
向上 向上 向上 到赫维赛德层

然而,恐怕没有多少人理解这位悲伤的、被误解的天才所取得成就的伟大与意义。正如[3]所述,赫维赛德是:-

一位数学思想家,其工作长期未能获得其才华所应得的认可……

参考文献

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