奥利弗·黑维塞

奥利弗·黑维塞（Oliver Heaviside，1850年5月18日－1925年2月3日）是一名英国物理学家和电子工程师。他没有接受过正规的高等教育，作风古怪，不太重视严格的数学论证，善以直觉进行论述和演算，在数学和工程上做出了众多原创性成就。他通过数年时间自学微积分和麦克斯韦的《电磁通论》，创立向量分析学，并将电磁学中最著名的麦克斯韦方程组改写为今天人们所熟知的形式。

## 生平

1850年5月18日，黑维塞出生于米德塞克斯郡卡姆登镇（现属伦敦），是家中排行最小的老四。他父亲名叫托马斯·黑维塞（Thomas Heaviside），是一名木匠；母亲名叫瑞切尔·韦斯特（Rachel West），是一名保姆；姨父是著名电学专家与电报发明人查尔斯·惠斯通。母亲瑞切尔曾在斯坡提伍德一家任职，带大过后来成为英国皇家学会主席的威廉·斯坡提伍德（William Spottiswoode）。早年的家贫对黑维塞的一生都产生了影响。他小时候曾就读于母亲任职的一所女校。后来他转到Camden House School，由F. R. Cheshire教导。他患过猩红热，令他耳朵听不清楚。

虽然他的学业成绩不俗（1865年，他在五百多个学生中排第五），但他没有去读大学。他16岁离校，学习摩氏密码和电磁学。他在1868年去位于泰恩河畔纽卡斯尔的Anglo Danish Telegraph Company（后成为Great Northern Telegraph Company）当了一名电报员。1872年，他成为主电报员，开始研究电力。他一直工作到1874年，最终因为听力下降而不得不辞去工作。

他之后在父母家中孤独地进行研究。他开始一个人通过实验和学习，研究电报学中的一系列问题。这段期间他提出了电报员方程。他指出，传输线上平均分布的电感会减少衰减和噪声，若电感够大且电阻够小，所有频率的电流会同等地衰减，电路便会无噪声。

1880年，他研究电报传输上的集肤效应。他将在电磁学上举足轻重的麦克斯韦方程组重新表述，将表述的符号系统由四元数改为向量，将原来的20条方程精简到4条微分方程。

1880年至1887年间，他提出了算子微积分，并用字母“p”表示微分算子。但他当时给出的微分算子定义模糊，并不容易理解，适用范围有多大也不清楚。这是一套将微分方程转换为普通代数方程的方法，但是当时的数学家们批评这个方法不够严谨。但黑维塞并不理会别人的批评。

1887年，他提出以电感器来消除噪声。可惜这因政治原因而无法实行。后来AT&T的乔治·阿什利·坎贝尔和一位外部的研究者米海洛·卜平研究过黑维塞的方法，并继续发展。AT&T申请了有关的专利，但这不止包括坎贝尔和卜平的工作，也包括黑维塞制作卷线的方法。AT&T之后提出向黑维塞买下他的工作，但黑维塞拒绝了，他要求AT&T承认那一部分完全是他的工作。

1888年和1889年，他计算了电场和磁场受移动中的电荷而产生的改变，和电荷进入更密的媒质时的影响。这跟后来的契忍可夫辐射和洛伦兹-费兹杰罗收缩理论有关。1889年左右，受到约瑟夫·汤姆森提出的电子的影响，黑维塞钻研了电磁质量。他将电磁质量计算成真实的物质质量般。威廉·维恩后来证实黑维塞的方程在速度远低于光速时无误。

1902年，为了解释无线电波的反射，黑维塞和亚瑟·艾德文·肯内利同时猜想大气有一层导电物质，这层大气现在称为肯内利-黑维塞层，也即大气电离层。1924年，爱德华·阿普尔顿因证实了这层的存在而获得1947年诺贝尔物理学奖。

1891年，他成为英国皇家学会会员。1905年，德国哥廷根大学授予他一个名誉博士头衔。他晚年性格变得越来越古怪，最后在德文郡托基逝世，葬于佩恩顿。

## 成就

- 独自创立了专门的向量微积分学，简化了场论的符号表述
- 利用新发明的向量微积分符号，将原来用繁杂的四元数描述的麦克斯韦方程组精简至4个，并明确给出麦克斯韦方程组的正式公式表述（麦克斯韦本人并没有明确地写出所有方程的数学形式，后来将此方程组写出的人还有海因里希·赫兹）。这项成就大举简化了这一19世纪最为重要的科学成就，使它更容易被学习者们掌握。
- 黑维塞单位阶跃函数
- 在早期算子微积分的发展中做出主要贡献。但因为缺乏严格的数学理论作基础，他的“微分算子方法”一度遭到数学家排斥。（和傅里叶展开方法在数学史上的遭遇比较相似。）
- 黑维塞条件
- 肯内利-黑维塞层
- 黑维塞分式拆解法/黑维塞部分分式展开定理（Heaviside Partial-Fraction Expansion Theorems）简化了分式型积分(2个多项式相除后的积分)和分式型函数的拉普拉斯变换的计算
- 术语“阻抗”、“电感”、“电导”、“导纳”、“磁阻”、“磁导率”、“电容率”的提出
- 电报员方程
- 黑维赛电桥（Heaviside bridge）

## 风格

黑维塞习惯从事孤独的研究，他对自己发明的方法有着异乎常人的热情和偏执，不怕别人泼冷水，根本不在乎其他同行对他的微分算子理论的轻视。后来的科技发展也证明他发明的微分算子的确具有重要的价值。

黑维塞的写作风格通俗幽默，善于以辩论的形式展开问题讨论。他不仅研究麦克斯韦方程组本身，还是第一个在著作中将麦克斯韦方程组应用到许多具体问题的人。A. Foppl写于1897年的《涡旋场的几何学》对黑维塞所讲的内容进行了补充。之后，Abraham以他们的著作为基础，创作了2卷本的《电学理论》，并成为流行的教材。向量分析学由此在物理学家中得以快速传播。

## 名言

- “逻辑分析可以慢慢来，反正它是永恒的。”（Logic can be patient for it is eternal.）
- “数学分2种，严格的和物理直观化的。前者的范围窄；后者粗犷而广泛。拘泥于公式的严格证明只会令绝大多数的数学物理探究止步不前。难道我要在完全理解消化反应的所有机理以前，拒绝进食吗？”（Mathematics is of two kinds, Rigorous and Physical. The former is Narrow: the latter Bold and Broad. To have to stop to formulate rigorous demonstrations would put a stop to most physico-mathematical inquiries. Am I to refuse to eat because I do not fully understand the mechanism of digestion?）
- 常见变体：“仅仅是因为我不理解消化的过程，我就应该要拒绝一顿美餐吗？”（Should I refuse a good dinner simply because I do not understand the process of digestion?）
- “如果说让这个世界运转的是爱，那么让电磁波传遍世界的就是自感。”（If it is love that makes the world go round, it is self-induction that makes electromagnetic waves go round the world.）
- “...自然界没有绝对的衡量尺度，小尺度也可能是重要的研究范围，甚至有可能具有伟大的重要性。”（...there is no absolute scale of size in nature, and the small may be as important, or more so than the great.）

## 基本资料

- 原文名：Oliver Heaviside
- 出生日期：1850年5月18日
- 出生地：英国英格兰米德塞克斯康登镇
- 逝世日期：1925年2月3日
- 逝世地：英国英格兰德文郡托基
- 研究领域：电机工程学、数学、物理学
- 机构：大北公司
- 知名于：黑维塞分式拆解法、肯内利-黑维塞层、电抗、单位阶跃函数、微分算子、向量分析、黑维塞条件、同轴电缆
- 获奖：法拉第奖 (1922)、皇家学会会士