开云(中国)Kaiyun·体育官方网站-登录入口他对电磁学、通讯和电气工程畛域作念出了卓绝孝敬-开云(中国)Kaiyun·体育官方网站-登录入口
发布日期：2024-07-21 05:22 点击次数：199
亥维赛（Oliver Heaviside，1850-1925）是一位自学成才的工程师、数学家和物理学家，他对电磁学、通讯和电气工程畛域作念出了卓绝孝敬。恰是他将原始的20个麦克斯韦方程变成了如今东说念主们熟谙的4个开云(中国)Kaiyun·体育官方网站-登录入口，况且由此发展出的矢量分析在物理学和工程畛域得到了平日应用。
撰文 | 张东和
“Up, up, up past the Russel Hotel, Up, up, up, up to Heaviside Layer!”。这是海外上闻明的音乐剧“Cats”在收尾高潮阶段的一段歌词，歌咏一个天选之猫将过问天堂得到腾达。该剧从1982年运行在好意思国纽约的百老汇大街上公演，到2000年夏天停演，冲破了百老汇辘集公演最久而且次数最多的记载。问题来了，“Heaviside Layer” 是什么层？谁是Heaviside？
歌词中提到的Heaviside，便是十九世纪后半叶到二十世纪初自学成才的英国物理学家、数学家和电气工程师Oliver Heaviside。他特性乖癖，早期终年处在科学商议团体的旯旮，晚年被一个少量的要好并熟谙他的物理学家描绘成“一个头号怪东说念主(A first-rate oddity)”，但他在他如故涉猎的不同畛域皆取得了十分有风趣和有影响的效果，由于闻明度不够，其商议效果被严重低估。
Heaviside 1850年5月15号生于英国伦敦北部一个小镇的繁难家庭，由于一场疾病严重影响了他的听力，使他很少与东说念主疏通，酿成了他孤介、清高的特性。他16岁时，贬抑了在当地的一所文法学校的“清雅”栽培，随后通过家庭关系在英国北部找到一个沟通电报电缆公司的电报之类的职责。他职责出色，在1873年，也便是Maxwell发表所谓的麦克斯韦方程的那一年，他在一个专科杂志上发表了一篇沟通电桥方面的职责。这一职责得到了闻明物理学家William Thomson（Kelvin 男爵）的关切，并在途经他的职责地的时刻顺道见了他并予以祈福，这极地面饱读吹了他。天然职责出色，可是Heaviside不肯意作念他觉得无风趣的事情，更但愿专注于他感兴趣兴趣的商议职责，再加上他身体的原因，在1874年辞去了这份职责，回到了父母身边。当场，借助于职责在英国邮局和电报系统的哥哥的资助，运行了他多年的沟通电器方面的寥寂商议，以一己之力鼓舞和处分其时沟通电气工程、电磁波传播等方面的前沿问题，并创造出了咱们沿用于今的的沟通电路的一些术语，如阻抗（impedance）、电感（inductance）、趋肤效应（skin effect），此外还发明了同轴电缆和感应负载（Inductive loading）。这技艺其最有风趣的一项职责是通过对麦克斯韦原始方程组的意会，专揽他私有的数学描绘花式对该方程的重塑，变为一种对称花式，被关系教科书沿用于今。Heaviside还专揽他重塑的麦克斯韦方程组开展了大批的电磁波传播方面的职责。
文后的公式（1-7）是麦克斯韦于1873年发表的著述中给出的麦克斯韦方程组的原始相貌，内部包含了20个方程，20个未知量。很难遐想麦克斯韦是怎样从这一堆方程中预言到电磁波的存在的。Heaviside通过永久对这些方程的钻研和意会，在1884年寥寂得到了电磁场能量知道公式，也便是波印廷定理。由于隔离科学团体，他对外界的关系职责并不了解，到了1885年才了解到具有剑桥学术配景的物理学家波印廷的职责。意志到电场和磁场在处分电磁场能量传播的伏击性，Heaviside对原始麦克斯韦方程组进行了如凤凰涅槃般的重塑，在1890年控制将这些方程整合成现时的包含电场和磁场、梯度和旋度的十分对称的模范麦克斯韦方程组，并在后期的职责中专揽这一花式的方程组开展了电路电波能量在导体内和导体外的传播方式等方面的职责。也许是由于太过无名，许多教科书在提到麦克斯韦方程组时将Heaviside职责归因于赫兹。其实，在早期，当代花式的麦克斯韦方程组还被叫作念Hertz-Heaviside and Maxwell方程组，爱因斯坦在一篇沟通表面物理基本问题的想考的著述中，将这一方程升迁为Maxwell方程组。无论怎样，全寰宇学物理的和商议物理的东说念主皆应该感谢Heaviside先生，是他使麦克斯韦方程组变得粗浅实用。
1888年之前，Heaviside沉默无名，在对于Inductive loading在远距离电话知道的作用方面被一些巨擘压制，致使永久发表他的商议职责的杂志皆终止他延续在杂志上发表著述。但很快一系列的考检考证了Inductive loading的作用，1889年，以Kelvin男爵为首的几位电磁方面的科学家在不同场地宣传Heaviside的传播表面，使他很快过问了科学团体的视线，并于1891年被选为英国皇家学会会员。
1889年之后，Heaviside随他父母搬到了英国南部的德文郡，在那处延续开展他感兴趣兴趣的商议职责，但他把关切的重心放到了处分物理问题的数学花式方面，如矢量分析、算符花式处分微分方程等，以Heaviside的名字定名的函数大要花式有H阶跃函数（Heavisidestep function）和处分积分函数的Heaviside cover-up花式。但由于Heaviside商议的数学花式主要针对物理当用，后期遭到了一些商议纯数学的数学家的抵制。
现时回到本文开始的Heaviside Layer，确信许多熟谙音乐剧“Cats”的东说念主也不可意会“Heaviside Layer”是什么层。1901年12月12日，马可尼（Marconi）在英国与加拿大之间生效完成了无线电波的跨大欧好意思传播。由于电波在大气中的绕射表面不可解说这种几千公里的沿着地球名义的无线电传播得意，1902年在好意思国的电气工程师Kennelly和在英国的Heaviside先后寥寂建议了在100多公里高度上存在着一个导电层，这一导电层酿成无线电信号的反射，从而完成了无线电波的远距离传播经过，东说念主们把这一导电层定名为”Kennelly-Heaviside Layer”，也便是电离层的E层。
过问二十世纪后，Heaviside的身体和精神景况变得十分厄运，1905年后确凿住手了总计的科研活动，1908年被选为无线电工程师协会的荣誉会员，1922年被无线电工程师协会授予首度法拉第奖章，Heaviside于1925年2月死字。Heaviside一世确立无数，对于一个自学成才的寥寂商议东说念主员来说，这些成便是卓绝的。Heaviside是一个有寥寂个性的东说念主，一个具有卓绝数学才能和物理洞死力的伟大科学家。
图1 Oliver Heaviside（图片来自集聚）
作家简介
张东和，北京大学地球与空间科学学院陶冶，终年开展电离层物理与电波传播的辅导和科研职责，在电离层物理，GNSS，空间天气过甚效应发表著述百余篇。
参考文件
[1] Donaghy-SpargoC,Yakovlev A. 2018 Oliver Heaviside’s electromagnetic theory. Phil. Trans. R. Soc. A 376: 20180229. http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2018.0229
[2] Maxwell JC. 1873 A Treatise on Electricity and Magnetism, vols. I & II. Oxford, Clarendon Press
[3] Nahin PJ. 1988 Oliver Heaviside: Sage in Solitude: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age. New York: IEEE Press
本文经授权转载自微信公众号“中国科学院国度天文台”，主编：马冠一；审查：何嘉；审核：田斌；审批：陆烨。
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