Оливер Хевисайд (18.05.1850–03.02.1925)

Если Бог существует и у него есть имя, то его точно зовут Джеймс Клерк Максвелл. И тогда его первый апостол — Оливер Хевисайд. Никто после него не сделал так много в области теории электромагнитных колебаний. Вот его краткое жизнеописание и очень небольшой перечень научных достижений.

Оливер Хевисайд родился в Лондоне 18 мая 1850 года в семье Томаса Хевисайда и Рейчел Элизабет Вест и был самым младшим среди четырёх сыновей.

Хевисайд предсказал эффект Вавилова – Черенкова. Черенковское излучение было теоретически обосновано Оливером Хевисайдом в работах, опубликованных между 1888 и 1889 годами. В 1958 году П. Черенков, И. Тамм и И. Франк были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой: «За открытие и истолкование эффекта Черенкова». Первенство Хевисайда было обнаружено при прочтении его работ лишь в 1970 году. Вкратце суть эффекта Черенкова состоит в следующем. Если частица, например электрон, движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, то её движение сопровождается электромагнитным излучением. В этом нет противоречия с общей теорией относительности, поскольку скорость света в вакууме превышает скорость частицы в этой среде. Практически это явление можно наблюдать во время работы водо-водяного атомного реактора. Вода в реакторе светится, так как сквозь неё пролетают релятивистские электроны.

Открытие скин-эффекта (skin effect). Впервые это явление было описано в статье Горация Лэмба в 1883 году для частного случая сферических проводников и было обобщено на проводники любой формы Оливером Хевисайдом в 1885 году. Сущность скин-эффекта состоит в том, что при прохождении переменного тока через проводник следует учитывать то, что ток распространяется преимущественно в поверхностном слое последнего. Чтобы снизить сопротивление, проводники покрывают слоем серебра, делают плоскими, в виде трубок или многожильными специальной конструкции (литцендрат). Также скин-эффект используют в металлообработке, чтобы закалить поверхностной слой металла деталей токами высокой частоты.

Изобретение коаксиального кабеля. В 1880 году Оливер Хевисайд получает британский патент на коаксиальный кабель. Благодаря этому изобретению по специальной двухпроводной линии стало возможно передавать не только телеграфные, но и телефонные сигналы, а впоследствии — и телевизионные передачи. Коаксиальный кабель соединяет радиопередатчик с передающей антенной, а также радиоприёмник — с приёмной антенной.

Он предсказал существование в ионосфере Земли слоя Кеннелли – Хевисайда в 1902 году. Экспериментальное подтверждение было получено в 1924-м. На высоте 90–120 километров от поверхности Земли находится слой ионосферы, называемый слоем Е. Он имеет важное значение для дальней и сверхдальней радиосвязи. От него отражаются средние и короткие радиоволны, что даёт возможность слушать радиостанции, расположенные на другой стороне Земного шара, без спутников связи и ретрансляторов. Вся ионосфера простирается на высоту от 60 до 1000 километров над поверхностью Земли.

Хевисайд ввёл в физику понятия: проводимость, проницаемость, индуктивность, импеданс, электрет.

Стоит отметить, что все эти многочисленные успехи в области теоретической и прикладной физики принадлежат человеку без учёных степеней. Он закончил только начальную школу (elementary school), после которой занимался наукой путём самообразования. Хевисайд не имел законченного университетского образования и никаких учёных степеней.

Из-за того, что он вёл исследования в одиночку, не участвовал в научных семинарах, симпозиумах и конференциях, не имел практики преподавания, современникам было трудно понять ход его рассуждений. К тому же он пользовался для доказательства своих гипотез весьма специфическим математическим аппаратом, сильно отличавшимся от общепринятого в то время. Не все физики и математики могли адекватно воспринимать его научные работы.

Хевисайд работал весьма непродолжительное время сотрудником в телеграфной компании, которая прокладывала, а затем и эксплуатировала кабель связи из Англии в Данию. Начать научные изыскания в области электричества его подтолкнул парадокс: скорость передачи данных из Англии в Данию была на 40% выше, чем в противоположном направлении. В 1887 году Хевисайд предложил подключить катушки индуктивности к трансатлантическому телеграфному кабелю (увеличив тем самым собственную индуктивность), чтобы скорректировать искажения сигнала.

Хевисайд вёл переписку с такими выдающимися учёными, как Генрих Герц, Оливер Лодж, Уильям Томсон (лорд Кельвин), Джон Перри и лорд Рэлей. Кроме того, он нажил себе немало врагов среди оппонентов, как среди физиков, так и среди математиков (Питер Тейт, Уильям Прис, Уильям Бернсайд). Хевисайд после того, как уволился из телеграфной компании, стал писать научные статьи для журналов. На эти весьма скромные гонорары от публикаций он и жил, то есть всю оставшуюся жизнь был безработным и не имел стабильного заработка.

Первая научная статья Хевисайда называлась «О дуплексной телеграфии». До его исследования считалось, что телеграфирование одновременно в обе стороны по одной линии хоть и возможно теоретически, но трудно осуществимо на практике, из-за малой пропускной способности телеграфного кабеля. Это было вызвано его большой электрической ёмкостью. Хевисайд показал, как можно обойти это ограничение. Только одно это предложение имело колоссальную коммерческую выгоду для телеграфных компаний и могло бы обеспечить Хевисайду финансовую независимость. Но всё пошло совсем по-другому. Хевисайд всю свою жизнь жил весьма скромно и был крайне стеснён материально.

Знаменитая формула E = mc², приписываемая Эйнштейну, на самом деле впервые была выведена Хевисайдом.

В 1874 году он оставил работу телеграфиста и вернулся в Лондон. Там начал заниматься наукой. По-видимому, этому способствовало то, что у него стал резко ухудшаться слух. Дала о себе знать перенесённая в детстве скарлатина.

В 1873 году вышла из печати фундаментальная двухтомная работа Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Хевисайд купил эту книгу. Она его поразила и определила весь дальнейший ход его жизни. До Хевисайда физики считали, что это очень сложная математически, отвлечённая, сугубо теоретическая и тяжёлая для понимания книга.

Максвелл записал уравнения электромагнитного поля не в той форме, в которой мы сейчас их знаем и используем, а применив гамильтоновы кватернионы. Тогда было популярно это делать. Для того, чтобы пользоваться уравнениями Максвелла в повседневной практике, Хевисайд не только записал их в удобной векторной форме, но ещё и разработал методы решения этих уравнений для определённых простейших случаев и решил их. Для этого ему пришлось создать два новых специальных раздела математики — операционное и векторное исчисление. Многие сейчас считают, что четыре столетия тому назад Ньютон использовал векторы для описания сил; на самом же деле первым, кто применил векторы в физике, был Хевисайд.

В 1888 году Генрих Герц и Оливер Лодж, опираясь на теорию Максвелла, экспериментально обнаружили существование электромагнитных колебаний, то есть радиоволн.

В 1891 году Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе признало вклад Хевисайда в математическое описание электромагнитных явлений, присвоив звание члена этого общества.

В 1893 году он предложил электромагнитное описание гравитации.

В 1896 году Оливеру Хевисайду была установлена Королевская пенсия в размере 120 фунтов стерлингов в год.

В 1905 году он стал почётным доктором Гёттингенского университета.

Оливер Хевисайд умер и был похоронен в городе Торки, где жил и работал в последние годы. После его смерти 3 февраля 1925 года странным образом исчез четвёртый том его итоговой научной работы «Теория электромагнетизма». Его удалось частично восстановить только по черновым записям и последним письмам автора.

В 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Хевисайда кратеру на обратной стороне Луны.

Литература

1. Муслин Е. Отшельник из Торки. Техника молодёжи. — 1965. — № 10. — С. 18–19.

2. Нахин П. Дж. Оливер Хевисайд // В мире науки. — №8. — 1990.

3. Болотовский Б. М. Оливер Хевисайд, 1850–1925 / Отв. ред. В. Л. Гинзбург. — М.: Наука, 1985. — 256 с.