Оливер Хевисайд был ученым, который в 16 лет бросил школу, продолжил самостоятельное обучение и после написал множество работ в области математики и физики. Несмотря на то, что научное сообщество его долгое время не признавало, Оливер повлиял на развитие электромагнетизма в XIX веке, стал центральной фигурой в консолидации селективной магнитной теории Максвелла и ее применении на практике. В этом материале мы рассказали про его жизнь, работы и превращение из изгоя в авторитета того времени.
Бедное детство, первая работа и начало научной деятельности
Хевисайд родился 18 мая 1850 года в ветхом районе Камден Таун на севере Лондона. Его отец был гравером по дереву, а мать содержала небольшую школу для соседских детей. Семья долгие годы жила на краю нищеты. В результате перенесенной в раннем детстве скарлатины Оливер почти оглох, но к подростковому возрасту полностью восстановил слух. Позже он описал свое детство в письме к ирландскому физику Джорджу Фрэнсису Фицджеральду:
«Я родился и прожил 13 лет на очень плохой улице в Лондоне, где прямо напротив находились пивная, булочная, бакалейная лавка и кофейня, а за углом — школа для оборванцев. Хотя я родился и вырос на этой улице, я никогда не прижился там и был несчастен. Из-за проблем со слухом я не мог подружиться с другими мальчиками. К тому же я возненавидел торговцев. Вид выпивки в пабе сделал меня трезвенником на всю жизнь. Дома было тоже все плохо. Отец был по натуре вспыльчивым и разочарованным в жизни человеком, постоянно бил меня и мать. Она, в свою очередь, была постоянно занята заботами о содержании школы».
После того как небольшое наследство позволило семье переехать в лучший район Камден-Тауна, жизнь Оливера немного улучшилась. Он хорошо учился в местной гимназии, но денег на дальнейшее обучение не было, и его формальное образование закончилось в 16 лет. У Хевисайда было одно большое преимущество в жизни, помимо природных способностей. Его тетя вышла замуж за Чарльза Уитстоуна, профессора физики в Королевском колледже Лондона и одного из изобретателей электрического телеграфа.
Оливер и его братья обратились к Уитстоуну за помощью в выборе профессии, и он согласился. Старший брат Оливера, Чарльз, стал специалистом по игре на концертино (еще одно изобретение Уитстоуна) и впоследствии открыл музыкальные магазины в Торки и Пейгнтоне в Девоншире. Другой брат, Артур, присоединился к телеграфному бизнесу Уитстоуна в Ньюкасле и впоследствии стал инженером в телеграфной системе Британского почтамта. После окончания школы Оливера отправили на север, где в 1868 году он получил работу на англо-датском телеграфном кабеле, который недавно проложили через Северное море из Ньюкасла в Данию.
В конце 1860-х годов кабельное телеграфирование переживало бум. После нескольких первых неудач отрасль встала на ноги, когда в 1866 году удалось успешно преодолеть Атлантический океан, и подводная сеть быстро распространилась в Индию, Южную Америку, Австралию и Китай.
Почти все кабели были построены, проложены, принадлежали и эксплуатировались британскими фирмами. Будучи ведущей отраслью того времени, кабельное телеграфирование повлияло на развитие британской электротехники во второй половине XIX века. Даже англо-датский кабель, который принадлежал датской фирме, был построен, проложен и первоначально эксплуатировался британскими инженерами и техниками, такими как Хевисайд.
В 1860-1870-х годах лаборатории по испытанию кабелей были одними из самых передовых в мире, и Хевисайд вскоре увлекся проблемами электрических измерений и передачи сигналов. В 1873 году он опубликовал в «Философском журнале» статью о наиболее чувствительном устройстве моста Уитстона, которая привлекла внимание Уильяма Томсона (впоследствии лорда Кельвина), самого известного ученого-электрика того времени.
Когда после выхода статьи Томсон проезжал через Ньюкасл, он разыскал Хевисайда, чтобы поздравить его с этим событием, что, несомненно, повысило и без того высокую самооценку молодого телеграфиста. Хевисайд послал копию своей работы Джеймсу Клерку Максвеллу, который процитировал ее во втором издании своего великого труда «Трактат об электричестве и магнетизме».
Хевисайд был ценным работником на англо-датском кабеле, но он был вспыльчив и отказывался выполнять задания, которые считал ниже своего достоинства. Кроме того, у него были проблемы со здоровьем. Всю жизнь он был подвержен тому, что он называл «болезнью жары и холода», которая приводила к нервным расстройствам и, как он опасался, могла закончиться эпилепсией.
Из-за плохого самочувствия, неудовлетворенности рутинной работой на кабеле или желания сосредоточиться на собственных исследованиях в мае 1874 года Хевисайд в возрасте 24 лет уволился из кабельной компании и вернулся в Лондон, чтобы жить с родителями. С этого времени у него больше никогда не было постоянной работы, и он постоянно занимался проблемами электричества. Брат Артур помогал Оливеру финансово и сотрудничал с ним в проектах, связанных с его инженерной деятельностью. Но следующее десятилетие Хевисайд работал практически в полной изоляции в свободной комнате родителей.
Во время учебы в Ньюкасле Хевисайд занялся теорией телеграфной передачи, разработанной Томсоном в 1855 году. Сосредоточив внимание на сопротивлении и емкости, влияние которых преобладает в длинных кабелях, Томсон вывел уравнения, которые рассматривали прохождение напряжения и тока по кабелю как случай простой диффузии. В серии работ, опубликованных в 1874-1881 годах в Philosophical Magazine и Journal of the Society of Telegraph Engineers, Хевисайд расширил теорию Томсона, приняв во внимание утечку тока и самоиндукцию. Он показал, что в зависимости от относительных значений сопротивления, емкости, утечки и индуктивности сигналы не просто плавно распространяются по кабелю, а колеблются, перекатываясь туда-сюда в виде волн.
Переработка уравнений теории Максвелла
Примерно в 1882 году Хевисайд обратился от уравнений теории линейных цепей к физике электромагнитных волн. Он прочитал книгу Максвелла «Трактат», когда она только вышла в свет, но позже говорил, что по-настоящему понял теорию ученого только после того, как переписал ее.
Максвелл написал большинство своих уравнений в декартовых координатах, что давало длинные и сложные выражения для таких величин, как завиток потока. Однако некоторые результаты он привел в компактной форме кватернионов — системы счисления, разработанной ирландским математиком Уильямом Роуэном Гамильтоном в 1843 году. Кватернион состоит из четырех частей: трех компонентов, образующих вектор, и скаляра. Гамильтон сосредоточился на алгебраических свойствах кватернионов, но его ученик Питер Гатри Тейт подчеркнул, что они могут быть использованы для представления движений и сил в пространстве, и именно по настоянию Тейта Максвелл ввел их в свой «Трактат».
Когда Хевисайд встретил в книге кватернионы, он попытался использовать их сам, но скоро пришел к выводу, что они «антифизичны и неестественны». В итоге он полностью отказался от них и остановился на чистых скалярах и векторах, используя простую векторную алгебру в своих работах. С помощью скалярных и векторных произведений и операторов grad, div и curl он собрал простой и мощный набор математических инструментов, с помощью которых мог решать электромагнитные задачи.
Американский физик Дж.Уиллард Гиббс пошел по аналогичному пути несколькими годами ранее, хотя описание своей системы векторов он опубликовал только после Хевисайда. Их обозначения несколько различались (именно Гиббс ввел понятия «точка» и «крест» для скалярного и векторного произведений), но основные идеи были, по сути, одинаковыми. Гиббс и Хевисайд стали сильными союзниками в битве, которая развернулась в начале 1890-х годов между «вектористами» и «кватернионистами».
Одновременно с тем, как Хевисайд занялся теорией Максвелла, он нашел новое место для публикации. Еженедельный журнал Electrician принадлежал кабельным компаниям. Он был переполнен рекламой и коммерческими объявлениями, но содержал довольно передовые статьи по теории и практике электротехники. Хевисайд написал для журнала несколько небольших статей, и в 1882 году редактор Чарльз Биггс пригласил Оливера стать постоянным автором.
В течение последующих 20 лет, за исключением трехлетнего перерыва, в Electrician каждые несколько недель выходили материалы Хевисайда, что в общей сложности позволило заполнить 1700 страниц в его собрании сочинений. Журнал Electrician платил Хевисайду за его статьи около 40 фунтов стерлингов в год. Это было не так много. Впоследствии Хевисайд говорил, что в течение многих лет он «зарабатывал меньше, чем грузчик», но его потребности были скромными, а деньги были для него менее важны, чем возможность публиковать свои статьи на постоянной основе.
Наибольшего успеха Хевисайд добился летом 1884 года, когда стал исследовать, как энергия перемещается в электромагнитном поле. Максвелл вывел формулы, основанные на электрическом и магнитном полях E и H, для распределения энергии в поле, но он так и не объяснил, как она попадает из одного места в другое. По мнению Хевисайда, телеграфия заключается в передаче энергии по проводу в чистом виде, без искажений, поэтому он погрузился в уравнения из «Трактата», чтобы найти, как будет двигаться электромагнитная энергия.
После кропотливых преобразований он получил результат: S=E×H. То есть поток энергии в точке пространства является простым векторным произведением электрического и магнитного полей в этой точке. Из этого уравнения следовало, что энергия электрического тока не течет внутри провода, как вода в трубе, а проходит через окружающее поле и входит в провод через его стороны. Однако Хевисайд воспринял эту идею спокойно, поскольку давно был убежден, что реальное действие происходит не внутри проводника, а в его окружающем поле.
Хевисайд считал свою формулу потока энергии краеугольным камнем теории Максвелла. По его мнению, ее можно вывести не окольными путями, как это было вначале, а непосредственно из основных уравнений поля, если начать с правильных основных уравнений.
В «Трактате» Максвелл построил свою теорию на основе векторного и скалярного потенциалов A и Ψ. Однако они не давали правильного определения энергии, и Хевисайд считал их весьма далекими от реальной работы поля. Отталкиваясь от формулы потока энергии, он нашел новый набор основных уравнений, эквивалентных уравнениям из «Трактата» Максвелла, но основанных непосредственно на уравнениях E и H и поэтому лучше подходящих для учета потока энергии. Оливер объединил два выражения Максвелла, связывающие векторный потенциал A с полями E и H, и вывел «второй циркулярный закон», который связывал скручивание E непосредственно со скоростью изменения H. По его мнению, это подходящий партнер для «первого закона циркуляции» Максвелла, связывающего скручивание H с E и скоростью его изменения. Объединив их с выражениями Максвелла для дивергенции электрического смещения D и магнитной индукции B, Хевисайд пришел к компактному набору из четырех векторных соотношений, которые сегодня называют максвелловскими соотношениями.
Переработав уравнения теории Максвелла, Хевисайд обнаружил, что многие вещи встали на свои места. Позже он заявил: «После этого я сделал за неделю больше работы, чем за все предыдущие годы, фактически я набросал все свои последующие работы». Он впервые кратко изложил свою теорему о потоке энергии в журнале Electrician в июне 1884 года и сделал ее центральным элементом длинной серии работ по электромагнитной индукции, которую начал в январе 1885 года. Помимо обсуждения вопроса о том, как энергия попадает в проводник, Хевисайд использовал свою теорему и новый набор уравнений, чтобы прояснить различные проблемы распространения и объяснить такие явления, как скин-эффект, при котором высокочастотные переменные токи ограничиваются внешними слоями проводника.
У Хевисайда не было широкого доступа к научным журналам, и только в конце 1885 года он узнал, что незадолго до него теорему о потоке энергии сформулировал физик Джон Генри Пойнтинг, получивший образование в Кембридже. Королевское общество опубликовало реферат результатов Пойнтинга в январе 1884 года, а полный текст — в конце того же года. Поэтому сегодня вектор потока энергии называют именем Пойнтинга, а не Хевисайда.
Статьи Хевисайда по теории Максвелла, написанные в середине 1880-х годов, в то время не привлекли особого внимания, потому что большинство читателей журнала Electrician просто пропустили их, запутавшись в незнакомых символах. Однако Хевисайда это не беспокоило. Много лет спустя он написал ирландскому физику Джозефу Лармору:
«Действительно в моей жизни было время, когда я был чем-то похож на старика Тейфельсдрекха в его мансарде [ссылка на немецкого "философа одежды" из романа Томаса Карлайла "Сартор Резартус"] и в какой-то мере был доволен или довольствовался простым пропитанием. Но это было тогда, когда я делал открытия. Неважно, что думают об их важности другие. Для меня они были мясом, питьем и компанией».
Индуктивная нагрузка и отказ в публикации статьи
В 1886 году брат Хевисайда, Артур, к тому времени ведущий инженер почтового ведомства, проводил эксперименты с телефонными линиями, в которых приемники были расположены в «мостовых» или параллельных цепях. Он обнаружил, что добавление в цепь большего числа телефонных аппаратов действительно улучшает четкость передачи. За объяснением он обратился к Оливеру, который вскоре показал, что утечка тока через каждый телефон уменьшает искажения, но при этом ослабляет сигнал.
Когда Хевисайд более глубоко изучил теорию цепей, то обнаружил, что добавление в цепь дополнительной индуктивности, например, путем установки катушек через равные промежутки вдоль передающего кабеля, еще больше снижает искажения. Дополнительная индуктивность будет способствовать распространению волн примерно так же, как если нагрузить бельевую веревку дробью, то она будет лучше передавать поперечные волны. Позже он шутил, что его имя и индуктивная нагрузка «связаны естественным и провиденциальным образом. Вы утяжеляете линию процессом утяжеления». Как бы ни называли эту технологию, индуктивная нагрузка предлагала относительно дешевый и простой способ улучшения телефонной передачи, и впоследствии AT&T и другие компании с успехом ее использовали.
Хевисайд так и не запатентовал свою идею и не заработал на ней ни копейки. Деньги достались американскому физику сербского происхождения Майклу Пупину, который в 1899 году получил патент на индуктивную нагрузку и при несколько сомнительных обстоятельствах продал права на нее компании AT&T за 500 000 долларов. Хевисайд стал презирать Пупина и AT&T, но у него было мало юридических возможностей. Впоследствии за дело Хевисайда взялся математик Норберт Винер из Массачусетского технологического института. Он осудил AT&T и Пупина как воров и сделал Хевисайда героем довольно затянутого романа «Соблазнитель» (1959 г.). Винер даже пытался заинтересовать Орсона Уэллса в создании фильма о Хевисайде, но из этого ничего не вышло.
Хотя впоследствии идея индуктивной нагрузки имела успех, вначале она столкнулась с большим сопротивлением. Известно, что включение в цепь одной катушки с высокой индуктивностью смертельно опасно для четкой передачи сигнала, что заставило руководителя инженеров почтового телеграфа Уильяма Приса объявить самоиндукцию «бестией», которую необходимо выследить и исключить из всех телефонных цепей. Прис призвал почтовое ведомство перейти с железных на медные провода. Это был дорогостоящий шаг, который он оправдывал в публичных заявлениях в 1886 и начале 1887 года, ссылаясь на необходимость снижения индуктивности.
Таким образом, братья Хевисайд вряд ли могли выбрать более подходящий момент для призыва добавить индуктивность в телефонные линии. В апреле 1887 года они закончили работу над совместной статьей на эту тему и подготовили ее к отправке в Журнал Общества инженеров-телеграфистов и электриков. Однако Артуру, как служащему почтового отделения, пришлось сначала получить разрешение от своего начальника в инженерном звене Приса, который сразу же объявил статью бесполезной и заблокировал ее. Артур вскоре согласился с его мнением, но Оливер категорически не хотел этого делать. В течение всего лета 1887 года он посылал в Electrician едкие письма с нападками на «выдающегося ученого», как он называл Приса. Но Биггс, хотя и сочувствовал ему, опасался иска о клевете и отказывался публиковать их. В октябре Биггса неожиданно сняли с поста редактора журнала Electrician, что было вызвано его поддержкой Хевисайда. Новый редактор отменил серию статей Хевисайда и заявил, что он опросил всех и не нашел никого, кто бы их читал.
Хевисайд был в ярости. Он считал индуктивную нагрузку одной из своих лучших идей и наиболее важной с практической точки зрения. Лишиться возможности публиковаться по этой теме было просто недопустимо. Это «было для меня серьезным вопросом в октябре прошлого года», — писал он в 1888 году, и если бы он не смог найти выход для своей работы, «я был бы вынужден принять некоторые очень решительные меры, а я человек решительный».
Признание научным сообществом
В ноябре 1887 года Хевисайд с помощью Томсона убедил «Философский журнал» принять серию статей об электромагнитных волнах. Эта серия выходила в течение всего 1888 года. В марте этого же года физик Оливер Лодж прочитал серию лекций, в которых показал, что разряд большого лейденского шнура приводит к молниезащите, а разрядка большой лейденской банки в длинный провод приводит к возникновению колебательных бросков тока.
В поисках теории таких волн Лодж наткнулся на первую из статей Хевисайда в «Философском журнале», и во второй лекции Лодж отметил: «какое необыкновенное понимание тонкостей предмета и какое мастерское владение сложнейшей теорией можно найти в эксцентричных и в некоторых отношениях отталкивающих трудах г-на Оливера Хевисайда». Хевисайд жаждал внимания общественности, и, если отбросить замечание о его «отталкивающем» стиле, он был очень рад. Позже он сказал Лоджу: «Когда я читал вашу вторую лекцию, я смотрел на нее как на некое особое Провидение!». Хевисайд написал письмо, чтобы поблагодарить Лоджа (и рассказать ему о беззакониях Приса), и вскоре они стали друзьями и союзниками.
Лодж надеялся, что его эксперименты по изучению волн в проводах станут хитом заседания Британской ассоциации содействия развитию науки в сентябре 1888 года в Бате. Но их затмили сообщения из Германии о еще более впечатляющих экспериментах Генриха Герца по изучению электромагнитных волн в воздухе. Фицджеральд в своей президентской речи приветствовал эксперименты Герца как долгожданное подтверждение теории поля Максвелла. Дискуссия на встрече между Лоджем и Присом о методах молниезащиты также была посвящена вопросам электромагнитной теории, в частности, самоиндукции и скин-эффекту. Прочитав отчет об этой встрече — сам он никогда не присутствовал на подобных мероприятиях — Хевисайд разразился стихами, явно имея в виду Приса:
Self-induction’s «in the air,»
Everywhere, everywhere;
Waves are running to and fro,
Here they are, there they go.
Try to stop ’em if you can
You British Engineering man!
Встреча в Бате также стала местом проведения «убийства Ψ» — дискуссии о том, какое место должны занимать потенциалы в теории Максвелла. Дискуссию вели Фицджеральд, Лодж, Томсон и американский физик Генри Роуланд, а Хевисайд присутствовал за кадром. В один из моментов встречи Фицджеральд записал в блокнот новое критическое уравнение, которое было, по сути, условием калибровки, и нацарапал рядом с ним: «Очень важно… Должно быть, все в руках О. Хевисайда». Дискуссии были оживленными, но не совсем окончательными, и в опубликованном отчете говорится, что «все выразили сожаление по поводу отсутствия г-на Хевисайда и держались настороже».
За несколько месяцев 1888 года Хевисайд превратился из ничтожества, которого легко заставил замолчать мелкий чиновник, в научного авторитета, к которому с уважением и почтением относились ведущие физики того времени. В январе 1889 года Томсон посвятил большую часть своей президентской речи в недавно переименованном Институте инженеров-электриков восхвалению теории распространения Хевисайда. В следующем месяце Фицджеральд посетил Хевисайда в его доме в Кэмден-Тауне, а в марте это сделал Лодж.
Хевисайд начал регулярно переписываться не только с Лоджем, но и с Фицджеральдом, Герцем и многими другими. В 1891 году его избрали членом Лондонского королевского общества. В январе того же года журнал Electrician, снова публикуя его работы, начал серию статей по теории электромагнитов, которая продлилась до 1902 года и была переиздана в трех томах. Работы Хевисайда попали в учебники, в частности, в книгу Августа Фёппла 1894 года Einführung in die Maxwellsche Theorie der Electricität (Введение в максвелловскую теорию электричества), по которой электромагнитную теорию изучал Альберт Эйнштейн.
Осенью 1889 года Хевисайд и его пожилые родители переехали из Лондона в приморский городок Пейгнтон в Девоншире, где поселились над одним из музыкальных магазинов его брата Чарльза. Одним из немногих его научных посетителей был Серл, который впервые приехал в 1892 году, чтобы обсудить работу Хевисайда по движущимся зарядам, и впоследствии неоднократно посещал его. В первые годы жизни в Девоншире Хевисайд постоянно работал, публикуя работы не только по электромагнитной теории, но и по векторному анализу и своим «операторным» методам решения дифференциальных уравнений.
В те времена Королевское общество публиковало в своих трудах практически все, что представлял один из его членов. В 1893 г. Хевисайд прислал две первые части работы «Об операторах в физической математике». Но математики возразили против бесцеремонного обращения с расходящимися рядами, а когда Оливер представил третью часть, ее отправили рецензенту и отклонили. Хевисайд был в ярости. По его словам, при правильном подходе его методы давали очевидно правильные ответы, и это должно было быть достаточным оправданием. «Должен ли я отказываться от обеда, — говорил он, — потому что не до конца понимаю процесс пищеварения?». Несмотря на возражения «ригористов», операторные методы Хевисайда впоследствии получили широкое распространение, особенно среди инженеров, и повлияли на мышление Поля Дирака, который познакомился с ними во время своего обучения на инженера-электрика.
В 1894 году группа научных друзей Хевисайда попыталась организовать для него грант из фонда помощи Королевского общества, но Хевисайд отказался. Через два года они убедили правительство предложить ему пенсию в размере 120 фунтов стерлингов в год (позднее она была увеличена до 220 фунтов). Выплату оформили как честь, а не благотворительность, поэтому Хевисайд ее принял. Пенсия была основным источником его дохода до конца жизни. После смерти матери в 1894 году и отца в 1896 году Хевисайд еще несколько месяцев жил в Пейгнтоне, а затем снял дом в окрестностях Ньютон-Эббота. «Вот это преображение!», — писал он Фицджеральду. «Человек "Олли" из Пейгнтона, живущий в мансарде музыкального магазина, превратился в мистера Хевисайда, джентльмена, который поселился в Брэдли-Вью».
Позже Хевисайд стал жаловаться, что местные мальчишки обзывают его, засоряют канализацию и даже бросают камни в его окна. Некоторые из этих преследований были реальными, но некоторые, вероятно, просто приходили ему в голову. В сентябре 1898 года Хевисайд написал Лоджу о «дьявольской возне» в Ньютон-Абботе, где против него настраивают людей.
Хевисайд был подвержен периодам легкой паранойи и жаловался на то, что за ним шпионят. Кроме того, в Ньютон-Абботе он страдал от серьезных физических недугов, в основном от «болезни жары и холода», из-за которой в 1905 году он практически полностью остановил свою научную работу. Через три года, после особенно тяжелой зимы, его брат Чарльз организовал переезд Оливера в Торки, где с 1908 года он жил в одном большом доме с незамужней сестрой жены Чарльза, Мэри Вэй, и помогал ей выплачивать ипотеку. Фактически Хевисайд стал владельцем дома «Хоумфилд» в 1911 году. Его здоровье улучшилось, но он так безжалостно командовал Вэй, что она съехала в 1916 году, оставив Хевисайда проводить последние годы в изоляции.
В начале 1925 года здоровье Хевисайда ухудшилось, и Серл помог перевезти его в дом престарелых, где он умер 3 февраля. Его похоронили на кладбище Пейгнтона, на том же участке, что и его родителей. Со временем могила пришла в запустение, и имя Хевисайда часто затенялось сорняками. В 2005 году анонимный благотворитель очистил камень и установил его в вертикальном положении. После смерти Хевисайда дом Хоумфилда сначала сделали туристической гостиницей, позже она стала бесхозная, и ее снесли.
В отрывке, который он когда-то написал о Максвелле, но который в равной степени может относиться и к нему самому, Хевисайд размышлял о том, что он называл истинным учением о бессмертии души и продолжительного влияния, которое каждый человек оказывает на мир и которое продолжается после его смерти. Некоторые души, по его словам, в этом смысле очень велики:
«Шекспир или Ньютон — это просто потрясающе. Такие люди проживают лучшую часть своей жизни после того, как сходят с земного шара и падают в могилу. Максвелл был одним из таких людей. Его душа еще долго будет жить и развиваться, и через тысячи лет она будет сиять, как одна из ярких звезд прошлого, чей свет не сразу доходит до нас среди множества других, не менее ярких».
