奥利弗·海维赛德：自学成才的电磁学和向量微积分先驱

在工程师自学并通过书信通信分享工作成果的时代并不少见的时候，Oliver Heaviside（1850-1925 年）这位白手起家的数学家、物理学家和电气工程师继续激励其他工程师去冒险人迹罕至的地方。

奥利弗·海维赛德的肖像。图片由史密森尼图书馆提供 [CC 公共领域]

赫维赛德因将复数引入电路分析、创造了一种求解微分方程的新技术、单枪匹马设计了向量微积分以及将詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的方程式改写为今天使用的形式而受到赞誉。

赫维赛德对运算的贡献与他对几何学的厌恶形成鲜明对比，根据一些说法，这门学科导致他 16 岁辍学并开始独立学习。其他历史学家推测，海维赛德在十几岁时就辍学了，因为他的父母没有办法让他继续接受教育。

Heaviside 自学了摩尔斯电码、丹麦语和德语后，前往丹麦，成为一名电报员。一位家庭成员查尔斯·惠斯通爵士 ( Sir Charles Wheatstone ) 帮助 Heaviside 获得了第一份电报员的工作。他被誉为学得很快，在班上 500 名学生中经常排在前五名。他在电报方面的天赋使他回到了英国，在大北方电报公司工作。

当时，跨大西洋电报正处于电气工程界兴趣的顶峰，但它却屡屡失败。多位科学家致力于解决海底线路的信号传输和电缆着陆问题。Heaviside 因其许多成功的改进而受到赞誉，包括他在“电报员方程式”方面的工作。

海维赛德小时候曾患过猩红热，因此听力受损，由于耳聋，他离开了电报，转而研究电学。

赫维赛德的重心转移也很大程度上受到他对“麦克斯韦电磁学新论”的迷恋的影响。读完之后，Heaviside 对电学产生了浓厚的兴趣，并深入研究了麦克斯韦理论背后的数学原理。他将麦克斯韦的 20 个方程式 20 个变量简化为 4 个两个变量的方程式。他还开发了步进功能和掩盖方法。

由 Heaviside 简化的四个麦克斯韦方程浮雕在爱丁堡乔治街的尽头。图片由维基共享资源提供

他使用的不同寻常的推导方法后来被托马斯·布罗姆维奇证明了。在那之前，它们的存在没有严格的传统数学证明。赫维赛认为数学不应该受到如此严格的约束。这种缺乏科学严谨性的行为给他在学术界带来了很多问题。（他的《电磁理论》一书第 5 章的一个副标题叫做“严密的数学是狭窄的，物理数学是大胆的和广泛的。”）在他的同事中，赫维赛德被认为是一个不怕锁角的讽刺人并捍卫他的立场。

Heaviside 创建了基于拉普拉斯变换的运算法则，用于简化线性微分方程，这些方程后来可以作为代数方程求解。

他最初是通过与另一位科学家J. Willard Gibbs合作而对矢量分析产生兴趣的，但负责应用于电路的运算微积分的是 Heaviside。

这种运算演算在当今的电气工程中有很多用途：

• 分析电子电路

• 系统建模

• 数字信号处理

• 核物理学（分析放射性衰变）

• 过程控制（分析改变变量的影响）

拉普拉斯变换还用于分析由于突然的电磁干扰而在电路中产生的临时振荡电流。瞬态电流可能由雷击、故障、未过滤的电气设备、电磁耦合、EMI/RFI 噪声以及开关的打开或关闭引起。Heaviside 在这一领域的大部分工作已实现长距离清晰的信号传输，而不会出现信号干扰和数据丢失。

Heaviside 获得了同轴电缆的专利，其核心铜层包裹在塑料绝缘体中，随后的铜网层用于传输家庭有线电视。他在电感方面的工作后来被应用于感应线圈，并由 ATT 的 Michael (Mihajlo) Pupin 和 George Campbell 申请了专利。

1910-1930 年间英国的感应线圈。图片由英国科学博物馆提供

他是第一个将电离层的存在理论化的人，电离层是能够将无线电波返回地球圆形表面而不是向前传播到太空的导电大气层。与此同时，美国电气工程师阿瑟·E·肯尼利 (Arthur E. Kennelly) 也对电离层做出了类似的预测。因此，它最初的名字多年来一直被称为肯尼利-海维赛德层。

在最初于 1922 年全文出版的“电磁理论”（1893 年至 1912 年分几卷出版）中，Heaviside 暗示了爱因斯坦的狭义相对论。他假设电荷的质量会随着其速度的增加而增加。

并不是每个人都怀疑他对科学发现的古怪方法。 奥利弗洛奇爵士，另一位几乎没有受过正规训练的先驱，认识到海维赛德关于电磁波的假设的强大理论含义。

托基市民协会为纪念奥利弗·海维赛德而放置的牌匾。图片由Linda Hall 图书馆提供

In 1891, Heaviside was elected a Fellow of the Royal Society . 这是他获得的最高官方荣誉之一。安德鲁·洛伊德 (Andrew Loyd) 的韦伯 (Andrew Loyd) 的韦伯音乐剧《猫》(Cats) 提到了一种流行文化对 Heaviside 作品的认可，歌曲“Journey to the Heaviside Layer”中使用他对电离层的预测作为天堂的隐喻。