[物理史] 黑维塞 (Oliver Heaviside) 辞

2020-06-10  阅读 230 次



(译自APS News,2010年2月)

[物理史] 黑维塞 (Oliver Heaviside) 辞

黑维塞(Oliver Heaviside)

物理学家例行地使用一种很方便的数学工具叫做黑维塞阶跃函数 (Heaviside step function),尤其在控制理论和信号处理方面,它可在一个特定时间开启一个讯号,然后一直开着。此工具以英国的博学之士黑维塞 (Oliver Heaviside) 命名。虽然黑维塞阶跃函数在科学界非常有名,然而此函数却可能是黑维塞这位一生都在辛苦研究中度过,却相对没没无闻又得不到肯定的科学家对19世纪数学和科学最没创意的贡献之一。

黑维塞和有名的狄更斯(Charles Dickens)一样都出生于英国伦敦的贫民区康登镇,他有着一头红髮,个子矮小,家有四兄弟,他排行最小,父亲汤姆士是一位木头雕刻师也是水彩艺术家。黑维塞童年时感染了猩红热,导致他半聋,这似乎影响了他的社交能力,在康登镇就学期间,他无法和其他学童相处,但他除了几何学外,每一学科都是成绩最好的。也许传统的教育就是无法包容这位古怪的天才,因此他在16岁时退学在家自学。

黑维塞的姨丈惠司同爵士(Sir Charles Wheatstone)在1830年代和库克(William Cooke)共同发明了电报,被公认是电报与当时相对新兴领域电磁学的专家。在两年中,年轻的黑维塞先在丹麦,之后在泰恩河(Tyne)畔纽塞(Newcastle)当电报操作员。他很快地晋升为丹麦北大方电报公司的作业主任,这是他唯一经历过的全职工作。

黑维塞于1873年读到马克士威(James Clerk Maxwell)开创性的《电磁学导论》(Treatise on Electricity and Magnetism),对此巨作身感兴趣,因此他隔年即辞去工作,倾全力专心研读,并搬回他父母在伦敦的老家。虽然他缺乏代数和三角函数以外的知识,但他很快地抓到了重点。后来回忆说:「我将马克士威摆一边,按照我自己的方法,这样我的进展快速多了。」最后,他将马克士威的方程式从20个变数的20个方程式减为只有2个变数的四个向量方程式。那4个方程式,正如每一个物理学家所知道的,描述了静态和流动电荷,磁偶极和电磁感应的本质。

除了阶跃函数和在向量微积分方面的重要贡献外,在1880-1887年间,黑维塞还发展运算微积分,这样他可以将不同的方程式转换为代数方程式来解。他的方法是用变数(p)取代传统的为分算子,一经解出,代数的解答即可透过换算表将其转回去原来的微分方程式的解。

这个特定的突破在当时是有争议性的,一方面是因为黑维塞并未说明它的推演过程,他对此题材向皇家学会地出的一篇论文也因此理由而被拒绝。黑维塞不喜欢铺陈严谨的数学证明,他有具名言:「数学是一门实验的科学,定义不是一开始就出现,而是之后才到来。」在另一场合,他也曾表示:「我不会因为我不了解消化的过程而拒绝吃晚餐。」黑维塞早期当电报研究员也开拓了他的研究範围,例如他帮忙发展传输线理论(所谓的电报方程式),以数学说明若可以在传输线上均匀地分布电感的话,就可以将地信号的衰减与失真。实际上,假如电阻不是太大的话,信号在电路上根本就不会失真,各种频率的电流就都能以相同的速度传播。

基于此研究,在1887年时,黑维塞提议沿着电话线在固定间距使用感应线圈,如此可以产生均匀的电感,大大降低信号在电线中传输的失真量。但黑维塞在论文发表于《电学家》(The Electrician)期刊后从未申请此概念的专利。几年后,哥伦比亚大学浦品(Michael Pupin)与AT&T 坎贝耳(George Campbell)的理论即是建构在黑维塞早期的研究基础上,浦品于1904年取得了专利,他提议和黑维塞分享此专利的收益,但黑维塞拒绝了。虽然黑维塞当时已几乎穷困潦倒,但他要求AT&T也要完全认同他的创意才愿意接受。

除了阶跃函数外,也许他最有名的成就应该是预测大气有离子化的反射层,会将无线信号反射回地球,这样无线信号会随着地球而弯曲。他的预感后来证明无误,垂直发射无线电波,在接收从反射层回来信号的实验于1923年完成,这就是现在所知,以他名字命名的肯乃利—黑维塞层 (Kennelly-Heaviside Layer)。音乐剧作曲家韦柏(Andrew Lloyd Webber)在他创作自艾略特(T. S. Eliot)的诗之音乐剧《猫》(Cats)中将此发现化为不朽:「Up, up, up past the Russel hotel/ Up, up, up to the Heaviside layer…」(往上,上,上,经过鲁赛旅馆/往上,上,上,上到黑维塞层…)。

虽然黑维塞于1891年被选为皇家学会的会士,并于1905年获得哥廷根大学(University of Göttingen)的荣誉博士学位,但他一生从未因他许多的成就而获得应有的肯定,对此他当然很痛苦。他后来变得十分古怪,人生的最后20年他实际隐居在英格兰西南部德文郡(Devon)附近的托基镇(Torquay),深受不时发作的黄疸病所折磨,并为邻近孩童对着他家玻璃扔掷石块,及在前门胡乱涂鸦而苦恼。

据邻居说,他家主要都用巨大的花岗石块来装修,他儘管髒乱邋遢,却喜欢将他完美、修剪整齐的指甲涂上明亮的粉红色,签名时会在他名字之后签上神秘的字首「W.O.R.M.」。黑维塞于1925年2月3日在托基镇的家中辞世,下葬于英格兰佩登镇墓园—没有被歌功颂德,但也并未完全被遗忘。


原文刊载于物理双月刊2012年2月号34卷第1期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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