Oliver Heaviside

Oliver Heaviside
Heaviside rundt 1900
Født		18. mai 1850[1][2][3][4] Camden Town i London i England
Død		3. februar 1925 (74 år) Torquay i Devon i England
Beskjeftigelse		Matematiker, fysiker, ingeniør, telegrafist (1868–1874)
Nasjonalitet		Storbritannia
Gravlagt		Paignton Cemetery (1925)[5]
Medlem av		Royal Society (1891–)[5] Maxwellians[5] American Academy of Arts and Sciences
Utmerkelser		Faraday Medal (1922) Fellow of the Royal Society Æresdoktor ved Universitetet i Göttingen
Arbeidssted		Great Northern Telegraph Company
Fagfelt		Elektromagnetisme,[6] vektoralgebra[6]
Forskning		Elektroteknikk, telefoni, elektromagnetisme og matematikk
Utdannelse		Grammar school
Kjent for		Elektrotekniske begreper Kennelly–Heaviside laget (E-laget) Unit-step funksjonen Differensialoperatorer Vektor analyse Koaksialkabelen
Oliver Heaviside på Commons

Oliver Heaviside (1850–1925) var en autodidakt engelsk elektroingeniør, matematiker og fysiker som hadde stor påvirkning innenfor utviklingen av teorien rund elektromagnetisme og teknologiutvikling i siste halvdel av 1800-tallet. Han utviklet matematiske teknikker for løsning av differensiallikninger (senere funnet å være lik Laplacetransformasjon), reformulerte Maxwells ligninger på formen for elektriske- og magnetiske krefter og energifluks, samt reformulerte teknikker for vektoranalyse. Selv om han var i opposisjon til det vitenskapelige etablissement gjennom det meste av sitt liv, hadde han stor innflytelse innenfor så vel praktiske som teoretiske felter, spesielt innenfor elektromagnetisme og matematikk. Han gjorde også viktige bidrag innenfor utviklingen av telefoni.

Heaviside ble født i Kings Gate 55^[7] (nå Plender Street) i bydelen Camden Town i London, som den yngste av fire sønner til Thomas Heaviside og Rachel West. Faren Thomas Heaviside var treskjærer, mens moren Rachel West var guvernante, blant annet hos familien Spottiswoode. William Spottiswoode, som senere ble president i Royal Society, var en av hennes elever. Familien Heaviside var svært dårlig stilt, og fattigdommen i de tidlige årene hadde varig innflytelse på sønnen Oliver.^[8]

Heaviside var kortvokst og rødhåret, og som barn fikk han skarlagensfeber noe som førte til hørselshemming. Dette gjorde at han som gutt hørte så dårlig at han ikke kunne leke sammen med de andre barna i nabolaget. Livet i Camden Town var hardt med mange mennesker som kjempet for levebrødet. Heaviside observerte tuskhandlernes sjofle triks som han foraktet. Han så også de voksnes fyll på vertshusene, noe som han selv ga som forklaring på at han ble totalavholdsmann for resten av livet.^[9]

En liten arv tillot familien å flytte til en bedre del av Camden da han var 13 år. Der ble han sendt til Camden House Grammar School. Han var en flink elev (for eksempel ble han rangert som nummer 15 av 500 studenter i 1865), men til tross for dette kunne ikke foreldrene holde ham på skolen etter at han var fylt 16 år. Dermed ble det til at han fortsatte å studere på egen hånd det neste året. Ut over dette hadde han ingen videre formell utdanning.^[10]

Heavisides filleonkel var professor Charles Wheatstone (1802-1875), en av de opprinnelige oppfinnerne av den første kommersielt vellykkede telegrafen i 1830-årene, og en internasjonalt anerkjent ekspert på telegrafi og elektromagnetisme. Wheatstone fikk tidlig interesse for sin nevøs utdanning^[11] og i 1867 ble han sendt nordover for å arbeide sammen med sin eldre bror Arthur som administrerte ett av Wheatstones telegrafselskaper i Newcastle upon Tyne.^[12]

To år senere tok Heavisides jobb som telegrafist ved det danske Store Nordiske Telegraf-Selskab. Dette selskapet arbeidet med å legge en kabel fra Newcastle til Danmark med britiske entreprenører, og Heaviside ble snart tekniker i selskapet. Han fortsatte å studere mens han var i arbeid, og i en alder av 22 år publiserte han en artikkel i det prestisjetunge Philosophical Magazine. Tittelen på denne var «Den beste ordningen for å bruke Wheatstone-broen for å måle en gitt resistans med et gitt batteri».^[13] Artikkelen fikk positive mottagelser fra fysikere som uten hell hadde forsøkt å løse dette algebraiske problemet, blant annet William Thomson og James Clerk Maxwell.

Han publiserte også en artikkel om dupleksmetoden for en telegraflinje, og gjorde narr av R. S. Culley som var sjefingeniør for Post Office-telegrafen. Culley hadde nemlig tidligere forkastet dupleks som en umulig og upraktisk løsning på et problem for telegrafoverføring. Senere i 1873 søkte Heaviside om å bli medlem av Society of Telegraph Engineers, men ble avvist med kommentaren at «de ikke ønsker telegrafbetjenter som medlemmer». Dette opphisset Heaviside som spurte sin venn Thomson om støtte, og dermed ble han innvalgt, «på tross av P.O.-snobbene».^[14]

I 1873, da Heaviside var 23 år, hadde han støtt på James Clerk Maxwells nylig publiserte og berømte tobindsverk A Treatise on Electricity and Magnetism. I sin alderdom fortalte Heaviside om denne hendelsen: «Jeg husker min første titt på den store avhandlingen til Maxwell da jeg var en ung mann... Jeg så at den var stor, større og størst, med uhyre muligheter i sin kraft... Jeg var fast bestemt på å mestre boken og satt i gang å arbeide med den. Jeg var veldig uvitende. Jeg hadde ingen kunnskap om matematisk analyse ( jeg hadde bare lært skolealgebra og trigonometri som jeg stort sett hadde glemt) og med dette var arbeid lagt ut for meg. Det tok meg flere år før jeg kunne forstå så mye som jeg muligens kunne. Så jeg satte Maxwell til side og fulgte min egen kurs. Og da kom mine fremskritt mye raskere... Det skal være klart at jeg forkynner evangeliet ifølge min tolkning av Maxwell.»^[15]

Heaviside drev sin egen forskning på fritiden og bidrog til å utvikle en teori for overføringslinjer (bedre kjent som telegrafligningene). Han viste blant annet matematisk at jevnt fordelt induktans i en telegraflinje vil redusere både demping og forvrengning av signalet. Dersom induktansen var stor nok og motstanden i isolasjonen ikke er for høy, ville transmisjonen kunne bli uten forstyrrelser, samt at strømmer av alle frekvenser ville ha lik hastighet. Heavisides ligninger ble dermed viktig for den videre utviklingen av telefoni.^[9][16]

Fra 1882 til 1902, med unntak av tre år, bidrog han jevnlig med artikler til tidsskriftet The Electrician. Dette tidsskriftet ville forbedre sitt faglige nivå og han ble derfor betalt 40 pund per år for sitt bidrag. Beløpet var neppe nok til å leve av, men hans krav til tilværelsen var små og han likte å gjøre det han selv ville. Mellom 1883 og 1887 var hans bidrag i gjennomsnitt to til tre artikler per måned og disse dannet senere størsteparten av hans Electromagnetic Theory og Electrical Papers.^[17]

I 1880 forsket Heaviside på skinneffekt i telegraflinjer. Samme år patenterte han koaksialkabelen i England.^[18]

I 1884 forandret han på arbeidet til Maxwells om elektromagnetisme som opprinnelig hadde en tungvint form (Maxwells analyse hadde på dette tidspunktet blitt omgjort til kvaternioner.) Heaviside omformet på sin side Maxwells ligninger til moderne vektorterminologi som i dag er vanlig. Han introduserte de matematiske begrepene curl og divergens som er operatorer i vektoranalysen. I tillegg introduserte han begrepene magnetisk flukstetthet B, Elektrisk felt E, elektrisk strømtetthet J og elektrisk ladningstetthet ρ i forbindelse med Maxwells likninger. Dermed kunne tolv av de opprinnelige tjue ligningene med tjue ukjente kortes ned til de fire differensialligninger med to ukjente.

Denne formen er i dag kjent som Maxwells ligninger. De fire reformulerte maxwellske ligninger beskriver statiske og bevegelige elektriske ladninger og magnetiske dipoler, samt forholdet mellom de to som er elektromagnetisk induksjon. Mindre kjent er at Heavisides bearbeidelse av ligningene og Maxwells opprinnelige form, ikke er akkurat den samme. En fordel med Heavisides form er at det er lettere å gjøre dem kompatible med kvantefysikken.^[19]

Mellom 1880 og 1887 utviklet Heaviside operatoralgebraen som en metode for å løse differensialligninger ved å forvandle dem til ordinære algebraiske likninger. Dette forårsaket store kontroverser da konseptet ble introdusert på grunn av mangel på stringens i utledningene.^[18] Han ble berømt for sin kommentar til kritikken: «Matematikk er en eksperimentell vitenskap og definisjoner kommer ikke først, men senere.» Ved en annen anledning uttalte han noe mer defensivt: «Jeg nekter ikke å spise middag selv om jeg ikke forstår prosessen med fordøyelsen.»

I 1887 arbeidet Heaviside sammen med broren Arthur på en artikkel med tittel «The Bridge System of Telephon». Publisering av artikkelen ble imidlertid blokkert av Heavisides overordnede William Henry Preece, sjefen for Post Office, fordi en del av forslaget var at seriekoblede spoler ble foreslått å skulle settes inn i telefon- og telegraflinjer for å øke selvinduktansen. Dette for å korrigere forvrengningen som da var et problem. Preece hadde nemlig på denne tiden erklært at selvinduktans var den store fiende til støyfri overføring. Heaviside var også overbevist om at Preece stod bak oppsigelsen av redaktøren av tidsskriftet The Electrician, noe som førte til at Heaviside fikk et opphold i sin langvarige artikkelproduksjon (helt til 1891)^[20] Dette var én av flere episoder i det langvarige fiendskapet mellom Preece og Heaviside. Heaviside anså Preece å være matematisk inkompetent, en vurdering som også ble støttet av hans biograf Paul J. Nahin: «Preece var en mektig embetsmann, enormt ambisiøs, og i noen bemerkelsesverdige måter, absolutt dum.» Preece motivasjon i å undertrykke Heavisides arbeid var å beskytte sitt eget omdømme, samt unngå å måtte innrømme egne feil.^[21]

Betydningen av Heavisides arbeid forble uoppdaget en tid etter publisering i The Electrician. I 1897 tok American Telephone and Telegraph Companys (AT & T) forsker George Campbell og den eksterne vitenskapsmannen Michael Pupin initiativ til å undersøke om Heavisides arbeid var ufullstendig eller uriktig. Campbell og Pupin utvidet Heavisides arbeid som førte til at AT & T tok ut patenter, ikke bare basert på sin egen forskning, men også prinsippet for å sette inn seriespolene tidligere oppfunnet av Heaviside. Senere tilbød AT & T Heaviside penger i bytte for hans rettigheter. Det er mulig at respekten ingeniørene i AT & T hadde for Heaviside påvirket dette tilbudet. Heaviside avslo imidlertid tilbudet, han ville ikke akseptere penger med mindre selskapet var villige til å gi ham full anerkjennelse for ideene. Heaviside var da kronisk fattig noe som gjorde hans avslag av tilbudet enda mer spesielt.^[22]

Dette tilbakeslaget fikk Heaviside til å snu oppmerksomhet mot elektromagnetisk stråling.^[23] I to artikler i 1888 og 1889 beregnet han deformasjonene av elektriske og magnetiske felt rundt en ladning i bevegelse, samt effekter som skjer når disse feltene forplanter seg fra et medium til ett annet. Dette innebar en prediksjon av det som nå er kjent som Tsjerenkov-stråling, og inspirerte hans venn George FitzGerald til å foreslå det som i relativistisk fysikk er kjent som lengdekontraksjon eller Lorentz–FitzGerald kontraksjon.

I 1889 var Heaviside den første til å publisere en riktig avledning av den magnetiske kraften som virker på en bevegelig ladet partikkel,^[24] det som i dag er kjent som lorentzkraften.

På slutten av 1880-årene og begynnelsen av 1890-årene arbeidet Heaviside med konseptet om elektromagnetisk masse. Heaviside behandlet dette som materiale med masse som er i stand til å produsere de samme effektene. Wilhelm Wien verifiserte senere Heavisides uttrykk (for lave hastigheter).

I 1891 anerkjente Royal Society Heavisides bidrag til den matematiske beskrivelsen av elektromagnetiske fenomener ved å gi ham tittelen Fellow av Royal Society. Året etter viet Philosophical Transactions of the Society (norsk: Vitenskapelige transaksjoner fra Royal Society) mer enn femti sider til hans vektormetoder og teorier om elektromagnetisme. I 1905 ble Heaviside gitt en æresdoktortittel ved Universitetet i Göttingen.

Heaviside er en førsteklasses merkverdighet ...aldri, ved noe tidspunkt... mentalt tilbakestående ^[a][9]

George Frederick Charles Searle

I 1896 oppnådde FitzGerald og den irske ingeniøren John Perry at Heaviside fikk en pensjon på 120 pund per år. De overtalte han til å godta dette tilbudet, etter at han tidligere hadde avvist et annet veldedig tilbud fra Royal Society. På denne tiden bodde Heaviside i Devon.^[23]

I 1902 foreslo Heaviside at det måtte eksistere et eget lag av ionisert gass i ionosfæren. Dette er i dag er kjent som Kennelly-Heaviside laget eller E-laget.^[25][26][27] Hans hypotese gir en forklaring på at radiosignaler overføres omkring jordens krumning. Eksistensen av ionosfæren ble bekreftet i 1923.

På sine eldre dager ble Heavisides oppførsel mer eksentrisk. Ifølge kollegaen Bernard Arthur Behrend ble han en eneboer. Han utviklet uvilje mot å møte folk og den ble så sterk at han leverte sine manuskripter til The Electrician i en butikk hvor redaktørene kunne plukke dem opp senere.^[28] Selv om han hadde vært aktiv syklist i sin ungdom, ble helsen svært mye dårligere etter at han passerte 60 år. I løpet av denne tiden begynte han å signere brev med initialene «W.O.R.M.» etter sitt navnetrekk. Angivelig skal han også ha begynt å male neglene rosa, og flyttet granittblokker inn i huset sitt for å bruke disse som møbler.^[29] I 1922 ble han den første mottakeren av Faradaymedaljen, som ble etablert samme år.

Heavisides var han unitarist, om enn ikke religiøs. Det sies at han selv skulle ha gjort narr av folk som tror på et høyeste vesen.^[30]

Heaviside døde i Torquay i Devon, og er begravd nær det østlige hjørnet av kirkegården i Paignton. Han er gravlagt sammen med sine foreldre Thomas og Rachel Elizabeth Heaviside.

Selv om Heaviside var i opposisjon til det vitenskapelige etablissement gjennom det meste av sitt liv, hadde han stor innflytelse over utviklingen av telekommunikasjon, elektroteknikk, elektromagnetisme, fysikk og matematikk.^[9] Han innførte blant annet disse termene og begrepene innenfor disse fagene:

• Konduktans, elektrisk ledningsevne i et materiale^[18] (september 1885)
• Permeabilitet, evne til et stoff til å lede magnetiske felter (september 1885)
• Elektret, en elektrisk analog til en permanentmagnet. Enhver substans som oppviser en kvasi-permanent elektrisk polarisasjon^[18]
• Impedans,^[18] eller vekselstrømsmotstand (juli 1886)
• Induktans,^[18] at det oppstår en indre indusert spenning i ledere om strømmen endres (februar 1886)
• Permeans, magnetisk ledningsevne (juni 1887)
• Admitans, eller vekselstrøms ledningsevne^[18] (desember 1887)
• Reluktans, eller magnetisk motstand^[18] (mai 1888)
• Telegraflikningene, ligninger for karakteristiske størrelser i overføringslinjer^[31]
• Unit-step funksjonen et spesielt tilfelle av enhetssprangfunksjonen^[18]
• Heaviside cover-up method^[18]
• E-laget, et spesielt lag i ionosfæren^[18]
• Viktige bidrag til utviklingen av vektoranalyse og differensialoperatorer mellom 1880 og 1887^[31]

• «Electromagnetic induction and its propagation» i journalen The Electrician (1885, 1886, og 1887).
• Electrical Papers (1887).
• «Electromagnetic waves, the propagation of potential, and the electromagnetic effects of a moving charge» i journalen The Electrician (1888/89).
• «On the Electromagnetic Effects due to the Motion of Electrification through a Dielectric», Philosophical Magazine.5 27: 324 (1889).
• «On the Forces, Stresses, and Fluxes of Energy in the Electromagnetic Field», Philosophical Transaction of the Royal Society A 183:423–80 (1892).
• Electrical Papers. Volume 1. Macmillan Co, London and New York. 1892. 
• Electrical Papers. Volume 2. Macmillan Co, London and New York. 1894. 
• «A gravitational and electromagnetic analogy,» i journalen The Electrician (1893)
• Electromagnetic Theory. Volume 1. The Electrician Printing and Publishing Co, London. 1893. 
• Electromagnetic Theory. Volume 2. The Electrician Printing and Publishing Co, London. 1899. 
• Electromagnetic Theory. Volume 3. The Electrician Printing and Publishing Co, London. 1912. 
• Electromagnetic theory: The complete & unabridged edition (1951) ASIN [1]
• Electromagnetic theory: Including an account of Heaviside's unpublished notes for a fourth volume. Chelsea Publishing Company, Incorporated. 1971. ISBN 0-8284-0237-X. 
• Electrical Papers. Chelsea Publishing Company, Incorporated. 1970. ISBN 978-0-8284-0235-4. 
• Electrical Papers. 1. desember 2001. ISBN 978-0-8218-2840-3. 

• Magnetisk krets

• Lee, G. (1947). Oliver Heaviside. London. 
• The Heaviside Centenary Volume. The Institution of Electrical Engineers, London. 1950. 
• Josephs, H. J. (1963). Oliver Heaviside : a biography. London. 
• Moore, Douglas H.; Whittaker, Edmund Taylor (1928). Heaviside operational calculus: an elementary foundation. ISBN 0-444-00090-9. 
• Buchwald, Jed Z. (1985). From Maxwell to Microphysics: Aspects of Electromagnetic Theory in the Last Quarter of the Nineteenth Century. University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-07882-3. 
• Searle, G. F. C. (1987). Oliver Heaviside, the man. ISBN 0-906340-05-5. 
• Nahin, Paul J. (1987). Oliver Heaviside, sage in solitude: the life, work, and times of an electrical genius of the Victorian age. IEEE. ISBN 978-0-87942-238-7. 
• Laithwaite, E. R., "Oliver Heaviside – establishment shaker". Electrical Review, 12 November 1982.
• Hunt, Bruce J. (1991). The Maxwellians (paperback 2005 utg.). Cornell University Press. ISBN 978-0-8014-8234-2. 
• Lynch, A. C. (1991). G. Hollister-Short, red. «The Sources for a Biography of Oliver Heaviside». History of Technology, London & New York. Vol. 13. 
• Yavetz, I. (1995). From Obscurity to Enigma: The Work of Oliver Heaviside, 1872–1889. Birkhauser. ISBN 978-3-7643-5180-9. 
• James B. Calvert (2002) Heaviside, Laplace, and the Inversion Integral, from University of Denver.
• Mahon, Basil (11. mai 2009). Oliver Heaviside: Maverick Mastermind of Electricity. Institution of Engineering and Technology. ISBN 978-0-86341-965-2. 

• (en) Oliver Heaviside – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• Bexte, Peter: «Kabel im Denkraum»
• The MacTutor History of Mathematics archive: «Oliver Heaviside», School of Mathematics and Statistics. University of St Andrews, Skottland
• Heather, Alan: «Oliver Heaviside», Torbay Amateur Radio Society.
• Katz, Eugenii: «Oliver Heaviside» hos Wayback Machine (arkivert 27. oktober 2009). Hebrew University of Jerusalem.
• Lienhard, John H.: «Oliver Heaviside», The Engines of Our Ingenuity. NPR. KUHF-FM Houston. 1990. Nr. 426.
• Ghigo, F.: «Pre-History of Radio Astronomy, Oliver Heaviside (1850–1925)», National Radio Astronomy Observatory, Green Bank, West Virginia.
• Naughton, Russell: «Oliver W. Heaviside 1850 – 1925», Adventures in CyberSound.
• McGinty, Phil: «Oliver Heaviside», Devon Life, Torbay Library Services.
• Gustafson, Grant: «Heaviside's Methods» (PDF), Math.Utah.edu.
• Heaviside's Operator Calculus
• Weisstein, Eric W.: «Heaviside, Oliver (1850–1925)», Eric Weisstein’s World of Scientific Biography. Wolfram Media, Inc.