Oliver Heaviside: az elektromágneses hullámelmélet és vektoranalízis úttörője
Oliver Heaviside életrajza: az autodidakta angol tudós, aki forradalmasította az elektromágneses hullámelméletet és a vektoranalízist, valamint névadója a Kennelly–Heaviside-rétegnek.
Oliver Heaviside (Camden, London 1850. május 18. - Torquay, Devon 1925. február 3.) autodidakta angol villamosmérnök, matematikus és fizikus.
Bár élete során jól ismert volt a tudományos világban, csak halála után jöttek rá, hogy mennyire megváltoztatta a matematika és a fizika tanulmányozását. Komplex számokat használt az elektromos áramkörök tanulmányozására, és sokat dolgozott az elektromágneses hullámelméleten, ami szükségessé tette, hogy új módszereket találjanak a differenciálegyenletekkel való munkára. Munkát végzett a Maxwell-féle mezőegyenletekkel és a vektoranalízissel kapcsolatban. Az ionoszféra egy részét róla nevezték el: a Kennelly-Heaviside-réteget. Személyisége nagyon excentrikus volt, és jó példája annak, amit sokan őrült tudósnak tartanak.
Főbb eredményei és fogalmai
- Maxwell-egyenletek egyszerűsítése: Heaviside átdolgozta és tömörítette Maxwell korábbi, bonyolult leírását, és a modern vektoros formában megfogalmazta az elektromágneses mezők alapegyenleteit. Ennek köszönhetően a vektoranalízis alkalmazása elterjedt a fizikában és a mérnöki tudományokban.
- Telegráf-egyenletek és távközlés: kidolgozta a vezetékes távközlési vonalak elméletét (a telegráf‑egyenleteket), bevezette a jellemző impedancia és a terjedési állandó fogalmát, és kimutatta, hogyan lehet csökkenteni a jeltorzítást (a Heaviside‑feltétel).
- Operációs módszer (operational calculus): a differenciálegyenletek megoldására saját, gyakorlati jellegű operátormódszert fejlesztett ki. Ezt a módszert mérnökök széles körben használták; később a Laplace-transzformáció és az eloszláselmélet adtak neki szigorúbb matematikai alapot.
- Heaviside‑lépésfüggvény: bevezette az egységugrásfüggvényt (unit step), amely fontos eszközje a rendszerelméletnek, jelfeldolgozásnak és az időfüggő gerjesztések modellezésének.
- Ionoszféra‑gyors észlelés: előrevetítette az ionoszféra felső részeinek (a rádióhullámok visszaverődését okozó réteg) szerepét a hosszútávú rádióösszeköttetésekben — ezért a Kennelly‑Heaviside név kapcsolódik a réteghez.
Életút, módszertan és munkásság
Heaviside önképzett tudós volt: hivatalos egyetemi képzés nélkül sajátította el a matematika és a fizika haladó eszközeit. Gyakorlati problémákkal, elsősorban a távközlés és az áramkörök gyakorlatából adódó feladatokkal foglalkozott, és ezek ihlették elméleti munkáit. Több fontos tanulmánya és cikke mellett fő művének tekinthető az Electromagnetic Theory című összegyűjtött munka, amely hosszú távon nagy hatással volt az elektromágneses elmélet fejlődésére.
Hatás és örökség
Heaviside munkái mély nyomot hagytak az elektromos mérnöki gyakorlaton, a jelfeldolgozáson és a matematikai fizika területén. A mérnökök által ma is használt fogalmak — például az impedancia, a terjedési állandó, a Heaviside‑lépésfüggvény és az operátormódszer — nagyrészt az ő nevéhez fűződnek. Bár személyes stílusa és excentrikus viselkedése miatt korában sok vita övezte, utólag munkásságát kiemelten értékelték, és alapvető hozzájárulásként tartják számon az elektromágneses elmélet és a vektoranalízis kialakulásához.
Oliver Heaviside, ~1900
Life
Heaviside a londoni Camden Townban született. Apja képzett fametsző volt. Nagybátyja, Sir Charles Wheatstone (1802-1875) volt a távíró feltalálója, és 1837-ben híres kísérleteket végzett az Euston állomásról.
Heaviside alacsony volt és vörös hajú. Fiatal korában skarlátban szenvedett, ami miatt meglehetősen süket lett, különösen későbbi éveiben. Heaviside 16 éves koráig a Camden House Schoolban tanult, majd 18 éves koráig otthon tanult tovább. Távírókezelőként kapott munkát, és egy ideig Dániában dolgozott. Észrevette, hogy a működési sebesség 40%-kal gyorsabb Angliából Dániába, mint fordítva, és 1871-ben hibát talált az Angliából Dániába tartó távírókábelben. 1873-ban hozzájutott Maxwell A Treatise on Electricity and Magnetism (Értekezés az elektromosságról és a mágnesességről) című könyvének első kiadásához. Nagy hatással volt rá ez a könyv, és ez segített neki számos matematikai ötlet kidolgozásában. Ebben az időben Newcastle-ben dolgozott. 1875-ben visszament Londonba, hogy szüleihez költözzön. Ott sok időt töltött azzal, hogy leírja felfedezéseit, de senki sem akarta kiadni a dolgozatát, mert túl nehéz volt megérteni. A váltakozó áramot 15 évvel azelőtt elemezte, hogy kereskedelmi forgalomba került volna.
Amikor a szülei Paigntonba költöztek, ő is velük költözött. Haláluk után Newton Abbottban, majd 1908-tól haláláig Torquayben élt. Nem volt házas.
Excentrikus viselkedés
Idős korában Heaviside egyre különcebbé vált. Szegény volt, és egyedül élt egy nagy házban Torquayben, amit nem engedhetett meg magának, hogy megfelelően fűtsön. Szerette, ha barátai meglátogatták, de sokakat elriasztott, mert gyakran tudott goromba lenni. Nem tudott főzni, és egy barátságos rendőr rendszeresen eljött a házba, hogy ételt hozzon neki. Mivel Heaviside süket volt, és nem hallotta a kopogtatást, a rendőr ki szokta nyitni a postaládát, és hangosan fütyült. A ház és a kert szörnyű rendetlenségben volt. Gránitdarabok voltak a házában bútornak. Gyakran a neve után a W.O.R.M. betűket írta, csak úgy viccből. Rózsaszínre festette a körmeit. Legalább egy alkalommal feketére festette a haját, és amíg vizes volt, egy teakabátot viselt a fején.
Amikor 1925-ben leesett egy létráról, és mentőautóval egy idősek otthonába szállították, ez volt az első alkalom, hogy gépjárműben ült. A mentőautó sofőrjének azt mondta, hogy élvezte az utat. Egy hónappal később a torquay-i idősek otthonában halt meg, és Paigntonban temették el.
Munkája
| Elektromágnesesség |
|
|
| Elektromosság - Mágnesesség |
| Elektromos töltés - Coulomb törvénye - |
| Magnetosztatika Ampère-törvény - Elektromos áram - Mágneses tér - |
| Elektrodinamika Lorentz erő törvénye - emf - elektromágneses indukció - Faraday-törvény - Lenz-törvény - elmozdulási áram - Maxwell-egyenletek - EM-mező - elektromágneses sugárzás - Liénard-Wiechert-potenciál - Maxwell-tenzor - örvényáram. |
| Elektromos hálózat Elektromos vezetés - Elektromos ellenállás - Kapacitás - |
| Kovariáns megfogalmazás Elektromágneses tenzor - EM feszültség-energia tenzor - Négyáramú - Elektromágneses négypotenciál - Elektromágneses négy potenciál |
| · v · t · e |
Heaviside abban hasonlított Sir Isaac Newtonhoz, hogy egyedül dolgozott, és nem mindig tette közzé kísérleteinek egészét. Rengeteg ötletet írt a jegyzetfüzeteibe, de nem gondolta, hogy ezek az ötletek készen állnak a publikálásra, mégis nagyon fontosnak bizonyultak. Például felvetette, hogy sok kilométerrel a földfelszín felett létezik egy légköri vezető réteg, amelyet a Föld görbülete körül hosszú távú rádióhullámok küldésére lehetne felhasználni. 1923-ban valóban felfedezték, hogy léteznek összetett, ionizált rétegek (az úgynevezett ''ionoszféra''). A Kennelly-Heaviside-réteget később róla nevezték el. 1950-re, 25 évvel a halála után, már több mint 50 állomás kísérletezett világszerte a felső légkörben történő rádiókommunikációval.
Heaviside tanulmányokat végzett arról, hogyan lehet a beszédet tisztán átadni a telefonos kommunikációban. Tanulmányozta a reflexiót a telefonáramkörökben (ezek zavaró visszhangokat keltettek). 1886-tól kezdve idejének nagy részét a Hertz által kidolgozott elektromágneses hullámok térbeli terjedésével és a J. J. Thomson által felfedezett atomok mozgásával töltötte.
Honours
Heaviside-ot nem érdekelte, hogy kitüntetéseket kapjon. Valójában soha nem keresett pénzt a felfedezéseiből, és gyakran nehezen tudta kifizetni a számlákat. Valószínűleg nagyon örült, hogy 1891-ben a Royal Society tagjává választották. A kormánytól évi 120 font polgári listás nyugdíjat kapott. 1908-ban a Villamosmérnökök Intézete tiszteletbeli tagjává, 1918-ban pedig az Amerikai Villamosmérnöki Intézet tiszteletbeli tagjává választották. 1921-ben ő volt az első, akit a Faraday-éremmel tüntettek ki.
Heaviside híres idézete a következő: "Visszautasítsam a vacsorámat, mert nem értem teljesen az emésztés folyamatát"?
Heaviside sírja a paigntoni temetőben
Kapcsolódó oldalak
- Heaviside függvény
- Mágneses reluktancia
- Dirac-delta függvény
- Koaxiális kábel
- Hughes-érem
Kérdések és válaszok
K: Ki volt Oliver Heaviside?
A: Oliver Heaviside angol villamosmérnök, matematikus és fizikus volt, aki 1850. május 18. és 1925. február 3. között élt.
K: Mivel foglalkozott a tudományos életben?
V: Komplex számokat használt az elektromos áramkörök tanulmányozására, és sokat foglalkozott az elektromágneses hullámelmélettel, ami szükségessé tette, hogy új módszereket találjon a differenciálegyenletekkel való munkára. A Maxwell-féle mezőegyenletekkel és a vektoranalízissel is foglalkozott, és a vektorszámítás feltalálójaként tartják számon.
K: Hogyan ismerték el a munkásságát?
V: Munkáját halála után ismerték el; az emberek felismerték, hogy mennyire megváltoztatta a matematika és a fizika tanulmányozását. Az ionoszféra egy részét - a Kennelly-Heaviside-réteget - róla nevezték el, ezzel is tisztelegve eredményei előtt.
K: Milyen ember volt Oliver Heaviside?
V: Oliver Heaviside excentrikus személyiség volt, gyakran megfelelt annak, amit sokan őrült tudós sztereotípiának tartanak.
K: Mivel járult hozzá a matematikához és a fizikához?
V: Oliver Heaviside jelentősen hozzájárult mind a matematikához, mind a fizikához azzal, hogy komplex számokat használt az elektromos áramkörök tanulmányozására, sokat foglalkozott az elektromágneses hullámelmélettel, dolgozott a Maxwell-féle mezőegyenleteken és a vektoranalízisen, valamint feltalálta a vektorszámítást.
Keres