Oliver Heaviside: življenje, delo in vpliv na Maxwellove enačbe
Oliver Heaviside (Camden, London, 18. maj 1850 - Torquay, Devon, 3. februar 1925) je bil angleški elektroinženir, matematik in fizik, samouk.
Čeprav je bil v času svojega življenja znan v znanstvenem svetu, so ljudje šele po njegovi smrti spoznali, kako zelo je spremenil študij matematike in fizike. Pri preučevanju električnih vezij je uporabljal kompleksna števila in se veliko ukvarjal s teorijo elektromagnetnega valovanja, zaradi česar je bilo treba najti nove načine dela z diferencialnimienačbami. Ukvarjal se je z Maxwellovimi enačbami polja in vektorsko analizo. Del ionosfere se imenuje po njem: Kennelly-Heavisideova plast. Njegova osebnost je bila zelo ekscentrična in je dober primer tistega, kar si mnogi predstavljajo kot norega znanstvenika.
Življenje in izobrazba
Heaviside je bil praktično samouk: formalne univerzitetne izobrazbe ni imel, vendar se je izredno posvetil študiju fizike, matematike in elektrotehnike. Delo je začel v telekomunikacijah, kjer je kot inženir pridobival praktične izkušnje s prenosi signalov na daljavo. Sčasoma je zaradi svojih teorij in načinov reševanja problemov postal samostojen raziskovalec. Pozneje v življenju se je umaknil v jugozahodno Anglijo, kjer je preživel zadnja leta v relativni revščini in izolaciji, umrl pa je leta 1925 v Torquay.
Delo in glavni prispevki
Heaviside je prispeval vrsto konceptov in tehnik, ki so danes temeljne za elektroinženirstvo in teorijo elektromagnetizma. Med najpomembnejšimi so:
- Poenostavitev Maxwellovih enačb: Maxwell je prvotno zapisal svoj sistem z obsežnimi in deloma nerazčiščenimi izrazi; Heaviside je pomagal preoblikovati in skrajšati te zapise v bolj pregledno obliko, ki je osnova za sodobne predstavitve Maxwellovih enačb v vektorski obliki.
- Vektorska analiza: skupaj z Josiahom Willardom Gibbsom je Heaviside razvil in razširil metode vektorske analize, ki nadomeščajo kvaternionstvo v opisih polj; prispeval je tudi k uveljavitvi operatorjev, kot so divergence in rotacije (curl).
- Operacijska (Heavisidova) kalkulacija: uveljavil je praktične metode za reševanje diferencialnih enačb s pomočjo simbolnih operatorjev in Laplaceove transformacije. Njegove metode so sprva veljale za formalne in nerigorozne, a so jih kasneje matematično utemeljili in razvili v okviru teorije porazdelitev.
- Heavisidova enota (stopnična funkcija): uvedel je t. i. Heavisidovo stopničasto funkcijo H(t), uporabno pri opisovanju nenadnih vklopov ali izklopov signalov in v analizi sistemov.
- Teorija prenosnih vodnikov: razvil je modeli in enačbe za prenos signala po daljnovodih in telekomunikacijskih parih, vključno s telegrapherjevimi enačbami in pogoji za ohranjanje oblike signala (»Heavisideov pogoj« ali pogoj brez popačenja), ki povezuje upornost (R), induktivnost (L), prevodnost (G) in kapacitivnost (C) v prenosnem vodniku (R/L = G/C).
- Elektromagnetno valovanje in ionosfera: Heaviside je predlagal obstoj prevodne plasti v zgornjih plasteh atmosfere, ki bi odbijala radijske valove, kar je neodvisno predlagal tudi Arthur E. Kennelly — zato današnje ime Kennelly-Heavisideova plast. Ta ideja je bila pomembna za razumevanje daljinskega radijskega povezovanja.
- Praktične aplikacije: njegova raba kompleksnih impedanc in analiza frekvenčnih odzivov zelo vplivata na razvoj radijske tehnike, avtomatske regulacije in oblikovanja elektronskih krogov.
Metode in pomen
Heaviside je bil praktičen in usmerjen v rešitve; razvijal je priročne matematične instrumente, ki so inženirjem omogočili hitrejšo analizo realnih težav. Njegova operacijska kalkulacija, čeprav sprva brez trdne matematične utemeljitve, je bila izredno učinkovita in se je kasneje utemeljila z razvojem teoretičnih osnov (npr. distribucij). Uvedba Heavisidove stopničaste funkcije in uporaba Laplaceove transformacije sta postali standardni metodi pri reševanju diferencialnih enačb z robnimi pogoji.
Vpliv in zapuščina
Heavisideov vpliv je dalekosežen:
- Mnoga sodobna pravila in simboli v elektroinženirstvu in fiziki imajo temelje v njegovem delu.
- Teorija prenosnih vodnikov in razumevanje popačenja signalov sta ključni za razvoj telekomunikacij in radijske tehnike.
- Predpostavka in raziskave o odbijajoči plasti v atmosfere so omogočile pojasnitev radijskih propagacijskih pojavov na velikih razdaljah.
- Heavisideove metode so vplivale tudi na kasnejše matematične formalizacije, kot so teoretične metode Laplaceove in Fourierove analize ter teorija porazdelitev.
Osebnost in percepcija
Heaviside je bil znan po ekscentričnem obnašanju, samosvojemu stilu in trmasti naravi. V znanstvenih krogih je bil spoštovan, a kadar gre za osebne odnose je bil pogosto težaven sodelavec. Njegov življenjski slog je bil asketski; v poznejših letih se je umaknil iz širše družbe in živel skromno. Zaradi njegovega nerazpoloženja do formalnosti in pomanjkanja akademskih nazivov so nekateri njegovi dosežki sprva ostali podcenjeni, a kasneje so bili priznani kot temeljni prispevki k fiziki in inženirstvu.
Zaključek
Oliver Heaviside je bil eden od tistih posameznikov, ki so z instinktivnim razumevanjem in inovativnim pristopom spreminjali temeljne discipline. Njegovo delo je poenostavilo in utrdilo teorijo elektromagnetizma ter omogočilo napredek v telekomunikacijah, radijski tehniki in matematični analizi sistemov. Danes nosijo številni pojmi in metode njegovo ime, njegova zapuščina pa je trdno vtkana v sodobno tehnologijo in znanost.
Oliver Heaviside, ~1900
Življenje
Heaviside se je rodil v Camden Townu v Londonu. Njegov oče je bil izurjen graver. Njegov stric, sir Charles Wheatstone (1802-1875), je bil eden od izumiteljev telegrafa in je leta 1837 s postaje Euston opravil znamenite poskuse.
Heaviside je bil nizke rasti in imel rdeče lase. V mladosti je zbolel za škrlatinko, zaradi katere je postal precej gluh, zlasti v poznejših letih. Heaviside je do svojega 16. leta študiral na šoli Camden House School, do 18. leta pa je nadaljeval študij doma. Zaposlil se je kot telegrafist in nekaj časa delal na Danskem. Opazil je, da so bile hitrosti delovanja iz Anglije na Dansko za 40 % višje kot v obratni smeri, in leta 1871 je odkril napako na telegrafskem kablu iz Anglije na Dansko. Leta 1873 je dobil izvod prve izdaje Maxwellove knjige A Treatise on Electricity and Magnetism. Ta knjiga je nanj zelo vplivala in mu pomagala pri oblikovanju številnih matematičnih zamisli. V tem času je delal v Newcastlu. Leta 1875 se je vrnil v London k staršem. Tam je veliko časa posvetil pisanju svojih odkritij, vendar nihče ni želel objaviti njegovih člankov, ker so bili pretežki za razumevanje. Izmenične tokove je analiziral 15 let, preden so jih začeli uporabljati v komercialne namene.
Ko so se njegovi starši preselili v Paignton, se je preselil z njimi. Po njuni smrti je živel v Newton Abbottu in nato od leta 1908 do smrti v Torquayu. Bil je neporočen.
Ekscentrično vedenje
Na stara leta je Heaviside postajal vse bolj ekscentričen. Bil je reven in živel je sam v veliki hiši v Torquayu, ki si je ni mogel privoščiti primerno ogrevati. Rad je imel obiske prijateljev, vendar je mnoge ljudi odvrnil, ker je bil pogosto nesramen. Ker ni znal kuhati, je k njemu redno prihajal prijazen policist in mu prinašal hrano. Ker je bil Heaviside gluh in ni slišal trkanja na vrata, je policist navadno odprl poštni nabiralnik in glasno zapiskal. Hiša in vrt sta bila v strašnem neredu. V hiši je imel za pohištvo kupe granita. Za svojim imenom je pogosto za šalo napisal črke W.O.R.M. Nohte na rokah si je lakiral v rožnato barvo. Vsaj enkrat si je lase pobarval na črno in si na glavo, ko so bili mokri, nataknil čajnik.
Ko je leta 1925 padel z lestve in so ga z reševalnim vozilom odpeljali v dom za ostarele, je bil prvič v življenju v motornem vozilu. Vozniku reševalnega vozila je povedal, da je užival v vožnji. Mesec dni pozneje je umrl v domu za ostarele v Torquayu in bil pokopan v Paigntonu.
Njegovo delo
| Elektromagnetizem |
|
|
| Elektrika - Magnetizem |
| Električni naboj - Coulombov zakon - |
| Magnetostatika Amperov zakon - električni tok - magnetno polje - |
| Elektrodinamika Lorentzev zakon o sili - emf - elektromagnetna indukcija - Faradayev zakon - Lenzov zakon - premikalni tok - Maxwellove enačbe - EM polje - elektromagnetno sevanje - Liénard-Wiechertov potencial - Maxwellov tenzor - vrtinčni tok |
| Električno omrežje Električna prevodnost - Električna upornost - Kapacitivnost - |
| Covariantna formulacija Elektromagnetni tenzor - Elektromagnetni tenzor napetosti in energije - Elektromagnetni štiristopenjski tok - Elektromagnetni štiristopenjski potencial |
| · v · t · e |
Heaviside je bil podoben siru Isaacu Newtonu, saj je delal sam in ni vedno objavil vseh svojih poskusov. V svoje zvezke je zapisal veliko zamisli, vendar je menil, da te zamisli niso pripravljene za objavo, vendar so se izkazale za zelo pomembne. Predlagal je na primer, da je več kilometrov nad zemeljsko površino atmosferska prevodna plast, ki bi jo lahko uporabili za pošiljanje radijskih valov na dolge razdalje okoli ukrivljenosti Zemlje. Leta 1923 je bilo res odkrito, da obstajajo kompleksne ionizirane plasti (imenovane "ionosfera"). Po njem je bila kasneje poimenovana plast Kennelly-Heaviside. Do leta 1950, 25 let po njegovi smrti, je bilo po vsem svetu več kot 50 postaj, ki so eksperimentirale z radijsko komunikacijo v zgornjih plasteh atmosfere.
Heaviside je preučeval, kako jasno prenašati govor v telefonski komunikaciji. Preučeval je odboj v telefonskih tokokrogih (ti so povzročali moteče odmeve). Od leta 1886 je večino časa posvečal širjenju elektromagnetnih valov po prostoru, ki ga je razvil Hertz, in gibanju atomov, ki ga je odkril J. J. Thomson.
Odličja
Heavisida ni zanimalo prejemanje priznanj. S svojimi odkritji ni nikoli zaslužil in pogosto je imel težave s plačevanjem računov. Verjetno je bil zelo zadovoljen, ko je leta 1891 postal član Kraljeve družbe. Vlada mu je dodelila 120 funtov letne pokojnine po civilnem seznamu. Leta 1908 je bil izvoljen za častnega člana Inštituta elektroinženirjev, leta 1918 pa za častnega člana Ameriškega inštituta elektroinženirjev. Leta 1921 je bil prvi, ki je bil odlikovan s Faradayevo medaljo.
Znani Heavisidov citat se glasi: "Ali naj zavrnem večerjo, ker ne razumem v celoti procesa prebave?
Heavisidov grob na pokopališču Paignton
Sorodne strani
- Heavisidova funkcija
- Magnetna upornost
- Dirakova delta funkcija
- Koaksialni kabel
- Hughesova medalja
Vprašanja in odgovori
V: Kdo je bil Oliver Heaviside?
O: Oliver Heaviside je bil angleški elektroinženir, matematik in fizik, ki je živel od 18. maja 1850 do 3. februarja 1925.
V: Kaj je počel v znanstvenem svetu?
O: Uporabil je kompleksna števila za preučevanje električnih vezij in veliko delal na teoriji elektromagnetnega valovanja, zaradi česar je bilo treba najti nove načine dela z diferencialnimi enačbami. Ukvarjal se je tudi z Maxwellovimi enačbami polja in vektorsko analizo, pripisujejo pa mu tudi zasluge za izum vektorskega računa.
V: Kako je bilo njegovo delo priznano?
O: Njegovo delo je bilo priznano po njegovi smrti; ljudje so spoznali, kako zelo je spremenil študij matematike in fizike. Del ionosfere je v poklon njegovim dosežkom poimenovan po njem - plast Kennelly-Heaviside.
V: Kakšen človek je bil Oliver Heaviside?
O: Oliver Heaviside je bil ekscentrična osebnost in je pogosto ustrezal stereotipu o norem znanstveniku, ki si ga mnogi predstavljajo.
V: Kaj je prispeval k matematiki in fiziki?
O: Oliver Heaviside je pomembno prispeval k matematiki in fiziki, saj je uporabil kompleksna števila za preučevanje električnih vezij, veliko dela opravil na področju teorije elektromagnetnega valovanja, se ukvarjal z Maxwellovimi enačbami polja in vektorsko analizo ter izumil vektorski račun.
