我如果不完全理解消化过程,难道就该拒绝吃饭吗?
Oliver Heaviside是一位英国自学成才的电气工程师、数学家和物理学家,他将复数引入电路分析,发明了一种求解微分方程的新技术(相当于拉普拉斯变换),独立开发了向量微积分,并以当今常用的形式重新推导了Maxwell方程组。在Maxwell逝世后的几十年中,他极大地塑造了人们对Maxwell方程组的理解和应用方式。他创立的电报员方程在他有生之年具有重要的商业价值,尽管在很长一段时间内其重要性未被重视,因为当时很少有人掌握他新颖的方法论。尽管在其一生中大多数时间都与科学界相悖,Heaviside改变了电信、数学和科学的面貌。

生平
早年生活
Heaviside出生在伦敦卡姆登镇,地址是国王街55号(现为Plender Street)。他是一个矮个子红发小孩,年幼时患过猩红热,留下了听力障碍。一笔小额遗产使家人在他十三岁时搬到了卡姆登的更好地区,他随后进入卡姆登宫学校读书。他是一个优秀的学生,在1865年五百名学生中排名第五,但他的父母在他16岁后无法继续供他上学,所以他自学了一年,之后没有再接受正规教育。
Heaviside的姻亲叔叔是Sir Charles Wheatstone(1802–1875),他是一位国际著名的电报学和电磁学专家,也是19世纪30年代中期第一个商业成功电报机的共同发明者。Wheatstone对他侄子的教育产生了浓厚兴趣,1867年将他送往北方与自己年长的哥哥Arthur一起工作。Arthur当时在Newcastle-upon-Tyne管理Wheatstone的一家电报公司。
两年后,他获得了一份工作,作为丹麦大北方电报公司的电报员,负责铺设从Newcastle到丹麦的海底电缆,使用的是英国承包商。他很快成为了一名电气技师。Heaviside在工作期间继续学习,到22岁时,他在著名的《哲学杂志》上发表了一篇文章,题为《测量惠斯通桥给定电阻的最佳配置与给定电流表和电池》,获得了包括Sir William Thomson和James Clerk Maxwell在内的物理学家的好评,他们此前都未能成功解决这个代数问题。当他发表关于电报电缆双工法的文章时,他嘲笑了英国邮政电报系统总工程师R. S. Culley,后者一直在驳斥双工法不切实际。1873年,他申请加入电报工程师协会被拒,理由是"他们不想要电报员"。这激怒了Heaviside,他请Thomson为他担保,在协会主席的支持下,他被录取为会员,"尽管邮政部门的势利者反对"。
1873年,Heaviside接触到了Maxwell新出版的两卷本《电磁学论文集》,这部著作后来成为了名著。晚年的Heaviside回忆说:
我还记得年轻时第一次看到Maxwell那部伟大著作的情景……我看到它是伟大的、更伟大的、最伟大的,具有无穷的力量和可能性……我决心掌握这部著作,因此开始了我的工作。我当时很无知。我没有数学分析知识(只学过我已经大部分遗忘的学校代数和三角函数),所以我的工作任务明确了。花了我好几年才能理解尽可能多的内容。然后我搁置Maxwell,开始走自己的路。我进步得快得多……可以理解,我传讲的是我对Maxwell的诠释。
在居家研究中,他帮助开发了传输线理论,也被称为"电报员方程"。Heaviside在数学上证明了均匀分布的电感在电报线中会同时减少衰减和失真,而且如果电感足够大、绝缘电阻不太高,电路将实现无失真传输,即所有频率的电流都会以相同的速度传播。Heaviside的方程帮助推进了电报的实现。
中年时期
从1882年到1902年,除了三年外,他定期为贸易报纸《电气工程师》撰稿,该报希望提高其地位,为此他每年获得40英镑的报酬。这几乎不足以维持生计,但他的需求很小,而且他在做他最想做的事情。1883年到1887年间,他平均每月发表2-3篇文章,这些文章后来构成了他的《电磁理论》和《电气论文集》的大部分内容。
1880年,Heaviside研究了电报传输线中的集肤效应。同年,他在英国获得了同轴电缆的专利。1884年,他将Maxwell的数学分析从其原本繁琐的形式(已被改写为四元数)改写为现代的向量形式,从而将原来的20个未知数中的12个方程简化为我们现在所知的2个未知数中的4个微分方程Maxwell方程组。这四个重新表述的Maxwell方程组描述了静电荷和运动电荷的性质、磁场,以及两者之间的关系,即电磁场。
在1880年至1887年间,Heaviside使用p开发了运算微积分,提供了一种通过直接求解代数方程来解微分方程的方法。这后来引起了大量争议,因为缺乏严密性。他曾经说过一句名言:"数学是一门实验科学,定义不是首先出现,而是后来才出现。当这个学科的性质展现出来时,定义就自然产生了。"在另一个场合,他提出了一个更具防御性的问题:"我如果不完全理解消化过程,难道就该拒绝吃饭吗?"

1887年,Heaviside与他的哥哥Arthur合作撰写了一篇名为《电话桥接系统》的论文。然而,该论文被Arthur的上司、邮政部门的William Henry Preece阻止了出版,因为该提案的一部分内容是应该在电话和电报线上添加负载线圈(电感器)以增加它们的自感,纠正它们所遭受的失真。Preece最近刚宣称自感是清晰传输的大敌。Heaviside还坚信Preece是《电气工程师》编辑被解雇的幕后主使,这导致他的长期专栏系列在1891年前中断。Preece和Heaviside之间有很长的对抗历史。Heaviside认为Preece在数学上无能,这一评估得到了传记作者Paul J. Nahin的支持:"Preece是一位权势很大的政府官员,野心勃勃,在某些方面令人惊讶地十分愚钝。"Preece压制Heaviside工作的动机更多是出于保护自己的声誉和避免承认错误,而不是Heaviside工作中存在的任何明显缺陷。
Heaviside的工作的重要性在《电气工程师》发表后很长一段时间内仍未被发现,因此其版权进入了公共领域。1897年,美国电话电报公司(AT&T)雇用了自己的科学家George A. Campbell和外部研究人员Michael I. Pupin,以发现Heaviside工作中的某些不完整或不正确之处。Campbell和Pupin扩展了Heaviside的工作,美国电话电报公司随后提交了专利申请,不仅涵盖了他们的研究,还涵盖了构建Heaviside之前发明的线圈的技术方法。美国电话电报公司后来向Heaviside提供金钱,以换取他的权利;有可能是贝尔工程师对Heaviside工作的尊重影响了这一提议。然而,Heaviside拒绝了这一提议,除非公司给予他充分的认可,否则他拒绝接受任何金钱。Heaviside长期处于贫困状态,使得他的拒绝更为引人注目。
但这一挫折的效果是将Heaviside的注意力转向电磁辐射,在1888年和1889年的两篇论文中,他计算了围绕运动电荷的电场和磁场的变形,以及它进入更密集介质时的影响。这包括对现在已知为Cherenkov辐射的预测,并激发了他的朋友George FitzGerald提出现在被称为Lorentz–FitzGerald收缩的概念。
1889年,Heaviside首次发表了关于运动带电粒子所受磁力的正确推导,这是现在被称为Lorentz力的磁分量。
在19世纪80年代后期和90年代初期,Heaviside从事电磁质量的概念研究。Heaviside将其视为物质质量,能够产生相同的效应。Wilhelm Wien后来验证了Heaviside对低速度情况下的表达式。
1891年,英国皇家学会通过任命Heaviside为皇家学会院士来认可他对电磁现象数学描述的贡献,随后一年,《皇家学会哲学汇报》用50多页的篇幅介绍了他的向量方法和电磁理论。1905年,Heaviside获得了Göttingen大学的荣誉博士学位。
晚年和观点
1896年,FitzGerald和John Perry为现已住在Devon的Heaviside获得了每年120英镑的公务员名册养老金,并说服他接受它,此前他曾拒绝过皇家学会的其他慈善捐助。
1902年,Heaviside提议了现在被称为Kennelly–Heaviside电离层的存在。Heaviside的提议包括了无线电信号绕地球曲率传播的手段。电离层的存在在1923年得到了证实。Heaviside的预测结合Planck的辐射理论,可能阻碍了进一步寻找来自太阳和其他天体的无线电波的尝试。无论出于什么原因,似乎在30年内都没有进行任何尝试,直到Jansky在1932年开发了射电天文学。
在晚年,他的行为变得相当古怪。据他的同事B. A. Behrend所说,他成为了一个隐士,非常厌恶与人见面,以至于他向一家杂货店交付《电气工程师》论文的手稿,编辑们在那里取货。尽管他年轻时曾是一名活跃的自行车手,但在他五十多岁时,他的健康严重恶化。在这段时间里,Heaviside会在名字后面签署首字母缩写"W.O.R.M."。据报道,Heaviside还开始将指甲涂成粉红色,并将花岗岩块移进他的房子作为家具。1922年,他成为Faraday奖章的首位获得者,该奖章在那一年成立。
关于Heaviside的宗教观点,他是一名一位论者,但不是宗教信仰者。据说他甚至嘲笑那些对至高无上的存在寄予信仰的人。
Heaviside于1925年2月3日在Devon的Torquay去世,原因是从梯子上跌落,埋葬在Paignton公墓的东角附近。他与他的父亲Thomas Heaviside(1813–1896)和他的母亲Rachel Elizabeth Heaviside埋葬在一起。墓碑在2005年某个时候由匿名捐赠者清理。他的大部分认可是在去世后获得的。
Heaviside纪念项目
2014年7月,英国Newcastle University的学术人员和Newcastle电磁兴趣小组成立了Heaviside纪念项目,以期通过公众订阅全面修复纪念碑。修复后的纪念碑于2014年8月30日由Heaviside的远房亲戚Alan Heather主持揭幕。揭幕仪式由Torbay市长、Torbay议员、代表工程技术学会的科学博物馆前策展人、Torbay公民协会主席以及来自Newcastle University的代表出席。
Heaviside文集1872–1923
Heaviside的笔记本、论文、信件、关于电报的笔记和注释小册子的文集收藏在工程技术学会(IET)档案中心。
创新和发现
Heaviside在开发和提倡向量方法和向量微积分方面做了大量工作。Maxwell对电磁学的表述包含20个变量中的20个方程。Heaviside使用向量微积分的旋度和散度运算符将这20个方程中的12个改写为4个变量中的4个方程B、E、J和ρ,这是人们此后一直沿用至今的形式(见Maxwell方程组)。鲜为人知的是,Heaviside的方程和Maxwell的方程并不完全相同,事实上修改前者使其与量子物理相容更容易。Heaviside还使用类比讨论了引力波的可能性


