奧利弗·黑維塞

奧利弗·黑維塞（Oliver Heaviside，1850年5月18日－1925年2月3日）是一名英國物理學家和電子工程師。他沒有接受過正規的高等教育，作風古怪，不太重視嚴格的數學論證，善以直覺進行論述和演算，在數學和工程上做出了眾多原創性成就。他通過數年時間自學微積分和麥克斯韋的《電磁通論》，創立向量分析學，並將電磁學中最著名的麥克斯韋方程組改寫為今天人們所熟知的形式。

## 生平

1850年5月18日，黑維塞出生於米德塞克斯郡卡姆登鎮（現屬倫敦），是家中排行最小的老四。他父親名叫托馬斯·黑維塞（Thomas Heaviside），是一名木匠；母親名叫瑞切爾·韋斯特（Rachel West），是一名保姆；姨父是著名電學專家與電報發明人查爾斯·惠斯通。母親瑞切爾曾在斯坡提伍德一家任職，帶大過後來成為英國皇家學會主席的威廉·斯坡提伍德（William Spottiswoode）。早年的家貧對黑維塞的一生都產生了影響。他小時候曾就讀於母親任職的一所女校。後來他轉到Camden House School，由F. R. Cheshire教導。他患過猩紅熱，令他耳朵聽不清楚。

雖然他的學業成績不俗（1865年，他在五百多個學生中排第五），但他沒有去讀大學。他16歲離校，學習摩氏密碼和電磁學。他在1868年去位於泰恩河畔紐卡斯爾的Anglo Danish Telegraph Company（後成為Great Northern Telegraph Company）當了一名電報員。1872年，他成為主電報員，開始研究電力。他一直工作到1874年，最終因為聽力下降而不得不辭去工作。

他之後在父母家中孤獨地進行研究。他開始一個人通過實驗和學習，研究電報學中的一系列問題。這段期間他提出了電報員方程。他指出，傳輸線上平均分布的電感會減少衰減和雜訊，若電感夠大且電阻夠小，所有頻率的電流會同等地衰減，電路便會無雜訊。

1880年，他研究電報傳輸上的集膚效應。他將在電磁學上舉足輕重的麥克斯韋方程組重新表述，將表述的符號系統由四元數改為向量，將原來的20條方程精簡到4條微分方程。

1880年至1887年間，他提出了算子微積分，並用字母「p」表示微分算子。但他當時給出的微分算子定義模糊，並不容易理解，適用範圍有多大也不清楚。這是一套將微分方程轉換為普通代數方程的方法，但是當時的數學家們批評這個方法不夠嚴謹。但黑維塞並不理會別人的批評。

1887年，他提出以電感器來消除雜訊。可惜這因政治原因而無法實行。後來AT&T的喬治·阿什利·坎貝爾和一位外部的研究者米海洛·卜平研究過黑維塞的方法，並繼續發展。AT&T申請了有關的專利，但這不止包括坎貝爾和卜平的工作，也包括黑維塞製作卷線的方法。AT&T之後提出向黑維塞買下他的工作，但黑維塞拒絕了，他要求AT&T承認那一部分完全是他的工作。

1888年和1889年，他計算了電場和磁場受移動中的電荷而產生的改變，和電荷進入更密的媒質時的影響。這跟後來的契忍可夫輻射和洛倫茲-費茲傑羅收縮理論有關。1889年左右，受到約瑟夫·湯姆森提出的電子的影響，黑維塞鑽研了電磁質量。他將電磁質量計算成真實的物質質量般。威廉·維恩後來證實黑維塞的方程在速度遠低於光速時無誤。

1902年，為了解釋無線電波的反射，黑維塞和亞瑟·艾德文·肯內利同時猜想大氣有一層導電物質，這層大氣現在稱為肯內利-黑維塞層，也即大氣電離層。1924年，愛德華·阿普爾頓因證實了這層的存在而獲得1947年諾貝爾物理學獎。

1891年，他成為英國皇家學會會員。1905年，德國哥廷根大學授予他一個名譽博士頭銜。他晚年性格變得越來越古怪，最後在德文郡托基逝世，葬於佩恩頓。

## 成就

- 獨自創立了專門的向量微積分學，簡化了場論的符號表述
- 利用新發明的向量微積分符號，將原來用繁雜的四元數描述的麥克斯韋方程組精簡至4個，並明確給出麥克斯韋方程組的正式公式表述（麥克斯韋本人並沒有明確地寫出所有方程的數學形式，後來將此方程組寫出的人還有海因里希·赫茲）。這項成就大舉簡化了這一19世紀最為重要的科學成就，使它更容易被學習者們掌握。
- 黑維塞單位階躍函數
- 在早期算子微積分的發展中做出主要貢獻。但因為缺乏嚴格的數學理論作基礎，他的「微分算子方法」一度遭到數學家排斥。（和傅立葉展開方法在數學史上的遭遇比較相似。）
- 黑維塞條件
- 肯內利-黑維塞層
- 黑維塞分式拆解法/黑維塞部分分式展開定理（Heaviside Partial-Fraction Expansion Theorems）簡化了分式型積分(2個多項式相除後的積分)和分式型函數的拉普拉斯變換的計算
- 術語「阻抗」、「電感」、「電導」、「導納」、「磁阻」、「磁導率」、「電容率」的提出
- 電報員方程
- 黑維賽電橋（Heaviside bridge）

## 風格

黑維塞習慣從事孤獨的研究，他對自己發明的方法有著異乎常人的熱情和偏執，不怕別人潑冷水，根本不在乎其他同行對他的微分算子理論的輕視。後來的科技發展也證明他發明的微分算子的確具有重要的價值。

黑維塞的寫作風格通俗幽默，善於以辯論的形式展開問題討論。他不僅研究麥克斯韋方程組本身，還是第一個在著作中將麥克斯韋方程組應用到許多具體問題的人。A. Foppl寫於1897年的《渦旋場的幾何學》對黑維塞所講的內容進行了補充。之後，Abraham以他們的著作為基礎，創作了2卷本的《電學理論》，並成為流行的教材。向量分析學由此在物理學家中得以快速傳播。

## 名言

- 「邏輯分析可以慢慢來，反正它是永恆的。」（Logic can be patient for it is eternal.）
- 「數學分2種，嚴格的和物理直觀化的。前者的範圍窄；後者粗獷而廣泛。拘泥於公式的嚴格證明只會令絕大多數的數學物理探究止步不前。難道我要在完全理解消化反應的所有機理以前，拒絕進食嗎？」（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?）
- 常見變體：「僅僅是因為我不理解消化的過程，我就應該要拒絕一頓美餐嗎？」（Should I refuse a good dinner simply because I do not understand the process of digestion?）
- 「如果說讓這個世界運轉的是愛，那麼讓電磁波傳遍世界的就是自感。」（If it is love that makes the world go round, it is self-induction that makes electromagnetic waves go round the world.）
- 「...自然界沒有絕對的衡量尺度，小尺度也可能是重要的研究範圍，甚至有可能具有偉大的重要性。」（...there is no absolute scale of size in nature, and the small may be as important, or more so than the great.）

## 基本資料

- 原文名：Oliver Heaviside
- 出生日期：1850年5月18日
- 出生地：英國英格蘭米德塞克斯康登鎮
- 逝世日期：1925年2月3日
- 逝世地：英國英格蘭德文郡托基
- 研究領域：電機工程學、數學、物理學
- 機構：大北公司
- 知名於：黑維塞分式拆解法、肯內利-黑維塞層、電抗、單位階躍函數、微分算子、向量分析、黑維塞條件、同軸電纜
- 獲獎：法拉第獎 (1922)、皇家學會會士