Хевисайд Оливер

Одна из самых самобытных и ярких индивидуальностей в науке конца 19 и начала 20 века, Оливер Хевисайд, часто не находивший понимания и достойной оценки при жизни, родился в семье художника и был младшим из четырех его сыновей. По немногочисленным сохранившимся его детским рисункам можно судить, что он унаследовал способности отца, но стать художником ему суждено не было. Закончив к 16 годам обучение в школе, Оливер еще два года посвятил самостоятельному, более глубокому знакомству с естественными науками и изучению иностранных языков. Возможно, планировалось продолжение учебы, но материальные затруднения семьи не позволили осуществиться этим планам, и восемнадцатилетний Хевисайд начинает работать телеграфистом (вначале в Дании, в Фредерике, а затем в Англии, в Ньюкасл-он-Тайн). Есть основание полагать, что работа на телеграфе его (а также и его брата) заинтересовала, возможно, не без влияния их дальнего родственника, видного английского физика Чарлза Уитстона. Телеграфия делала тогда только первые шаги, и многие проблемы оставались еще нерешенными. То, что Оливер столкнулся с ними, оказало заметное влияния на его дальнейшие работы. Но, может быть, он на долгие годы так и продолжал бы быть телеграфным оператором, если бы на него не начала надвигаться глухота, которая заставила его через шесть лет оставить эту работу.

Для самого Оливера, да и для всей его семьи это, надо полагать, было большим огорчением, но для науки — великим благом. Оставшись без работы, Оливер смог последовать своему истинному призванию — отдаться науке.

О том, что послужило решающим толчком, определившим на все последующие годы жизнь Хевисайда, ходит такое (нужно признать, правдоподобное) предание. Оливер, чей интерес к науке проявлялся все отчетливей, еще работая на телеграфе, часто заходил в магазин и просматривал книги по физике. Так в его руки попал изданный недавно «Трактат об электричестве» Джеймса Клерка Максвелла. Где-то в первой половине книги ее предыдущий владелец написал на полях «дальше понять ничего нельзя» — и отнес ее букинисту.

Понять и по достоинству оценить великое творение Максвелла тогда действительно могли немногие. До этого наука об электрических и магнитных явлениях как бы распадалась на ряд независимых наук: о постоянных электрических и постоянных магнитных полях, об электрических токах в проводниках и о взаимодействии этих токов и т. д., и только Максвелл сумел подойти ко всему множеству этих, казалось, разрозненных проблем с единой точки зрения.

Квинтэссенцией его гениальной теории были знаменитые Уравнения Максвелла, которыми мы пользуемся и сегодня, в которых в предельно концентрированном виде обобщены результаты экспериментов. Но Максвелл не только опирался на уже известные явления — он предсказывал и новые. В числе таких принципиально новых положений был вывод о существовании электромагнитных волн, в частности, вывод об электромагнитной природе света — до Максвелла оптика и учение об электрических и магнитных явлениях представлялись абсолютно независимыми разделами физики. Экспериментальное подтверждение в 1886-1888 годах Генрихом Герцем выводов Максвелла об электромагнитных волнах стало важным доказательством правильности его теории, но она оставалась трудной для понимания многих физиков.

Почему Хевисайд почувствовал непреодолимый интерес к научному труду, понять которого он не мог хотя бы уже из-за незнания даже основ высшей математики — он не был знаком даже с дифференцированием и с интегрированием, — остается загадкой. Но он в 1873 году купил том Максвелла, и это оказалось переломным моментом во всей его жизни.

Поняв, что для изучения труда Максвелла нужно овладеть обширным математическим аппаратом (об отношении многих техников того времени к математике дает представление такой отрывок: "...хотя использование формул может в некоторых случаях представлять удобство, все же для всех практических целей можно без них обойтись...»), Хевисайд энергично приступил к делу. Но неповторимое своеобразие этого человека сказалось и здесь. Он не только и не столько изучал математику, как «создавал ее для себя», в соответствии с тем, какая математика, по его представлениям, была ему нужна. Это была «физическая математика», не перегруженная аксиоматикой и логическими тонкостями, а наглядная и удобная. Даже геометрию — классический пример аксиоматически-логического построения, с точки зрения Хевисайда, следовало понимать (и преподавать!) как экспериментальную науку. Он считал, например, что знакомство учеников с числом p следует начинать с их измерений отношения длины окружности к ее диаметру.

Хевисайд нередко нарушал «правила хорошего тона» традиционной математики: он оперировал с расходящимися рядами, дифференцировал разрывные функции и интегрировал функцию, равную нулю во всех точках, кроме одной, где она обращалась в бесконечность, делил на операторы и возводил их в степени, как если бы они были обычными числами, — и все это не могло не шокировать рецензентов его работ и редакторов научных журналов (но было понято и высоко оценено в будущем). А для самого Хевисайда математика была не целью, а средством, и он использовал то, что было нагляднее и эффективнее. Так, кватернионам, которыми пользовался Максвелл, он предпочел векторы (векторная запись уравнений Максвелла используется и теперь).

В 1874 году Хевисайд навсегда оставляет работу телеграфиста, чтобы полностью переключиться на научную работу. Но первоначально тематика его исследований не отходила от круга его прежних профессиональных интересов. Оборудовав в одной из комнат лондонского дома родителей небольшую лабораторию, он вместе с одним из старших братьев начинает заниматься проблемой дуплексной (т. е. позволяющей одновременно передавать сигналы во встречных направлениях) связи.

Хотя эта работа принесла некоторые успехи и привела к появлению нескольких публикаций, в которых обосновывалась возможность такой связи, интересы Оливера быстро переместились в область теории.

В научных журналах появляется серия его статей, в которых излагается теория Максвелла и оригинальные математические методы, упрощающие ее применение к решению многочисленных задач, имеющих большое как прикладное, так и общенаучное значение. Так, получают принципиально новое решение задачи о роли индуктивности, важные в связи с проблемой дальней связи.

Впервые он разработал операционное исчисление, которое впоследствии широко применяется в физике и других науках.

Для Хевисайда было типично, что в его исследованиях прикладные и принципиальные аспекты переплетались органично и неразрывно. Некоторые из его результатов входят теперь во все учебники по электродинамике. Вот всего хотя бы два примера: Хевисайд был первым, кто начал рассмотрение потоков энергии электромагнитного поля и описал вытеснение переменных полей и токов из толщи проводников, то, что теперь стали называть скин-эффектом.

Или еще один пример: то, что принято называть силой Лоренца (сила, действующая на движущуюся в магнитном поле заряженную частицу), Хевисайд нашел за несколько лет до Лоренца.

Работы Хевисайда были замечены, и ему даже предложили в компании «Вестерн Юнион» довольно хорошо оплачивавшуюся должность, но он не принял этого предложения.

В 1887 году Хевисайд вместе с престарелыми родителями и всей семьей переезжает из Лондона в маленький городок Пейнтон в Южной Англии. И здесь, в новом доме, Оливеру предоставляется комната, где он почти безвыездно работает в полном уединении, плотно закрыв окна и двери, жарко натапливая камин, вдобавок зажигая керосиновую лампу и, помимо этого, наполняя воздух табачным дымом.

Он не женился, чтобы ничто не отвлекало его от науки, хотя любил порой весело играть с детьми своих братьев.

Поступлений денег от публикации статей почти не было, ни от кого помощи он принимать не соглашался, и, хотя с 1891 года Хевисайд, в значительной мере благодаря авторитетной поддержке Уильяма Томсона (лорда Кельвина), становится членом Королевского общества, его материальное положение остается трудным даже после того, как в 1896 году ему была назначена небольшая пенсия.

Хевисайд жил отшельником, почти нигде не бывая и никого не принимая, но он вел оживленную переписку. Писали ему многие, и он обычно очень обстоятельно отвечал на письма, если там затрагивались интересовавшие его вопросы. Может быть, переписка хотя бы частично компенсировала то огорчительное обстоятельство, что редакторы некоторых журналов отказались печатать его статьи, сочтя их слишком сложными и непонятными читателям.

Но были и ученые, понимавшие и высоко оценивавшие труды Хевисайда. Уже в 1890 году ими очень заинтересовался Генрих Герц. Большое знчение для Хевисайда имело общение с ирландским физиком Джорджем Фрэнсисом Фицджеральдом (1851-1901), чей яркий талант был недостаточно оценен современниками. Имя этого человека теперь ассоциируется, в основном, с его гипотезой о сокращении размеров тел в направлении их движения («сокращением Фицжеральда—Лоренца»), сыгравшей заметную роль в истории становления теории относительности. Хевисайд, занимаясь проблемой электромагнитного поля равномерно и прямолинейно движущейся заряженной частицы, также близко подошел к важным положениям этой теории.

То, насколько порой Хевисайд обгонял науку своего времени, можно проиллюстрировать хотя бы примером задачи о поле «сверхсветовой» частицы.

Постановка этой задачи кажется весьма простой: какова напряженность электрического и магнитного полей, порождаемых равномерно и прямолинейно движущейся заряженной частицей, если ее скорость больше скорости света?

Хевисайд нашел полное решение этой задачи, и это решение было опубликовано, но прошло незамеченным. Более того, после появления теории относительности физики привыкли считать, что скорости, превышающие световую, не существуют. Но в 1936 году было экспериментально обнаружено явление, названное эффектом Черенкова—Вавилова, или сверх-световым излучением, возникающем, когда частица движется в среде быстрее, чем порождаемые ею электромагнитные волны. Это открытие, как и его теоретическое истолкование в работах И. Е. Тамма и И. М. Франка, были в 1958 году отмечены Нобелевской премией. Конечно, ни Нобелевские лауреаты, ни члены Нобелевского комитета даже не подозревали, что на полках многих библиотек стоят (часто даже не разрезанные!) тома сочинений Оливера Хевисайда, в которых можно найти все самые существенные формулы, полученные им еще в начале века.

Вообще можно отметить важную черту работ Хевисайда: он предпочитал заниматься конкретными проблемами, решение которых было связано с четко поставленными экспериментальными, а часто и техническими задачами. Еще один тому пример: Хевисайд предсказал существование на значительной высоте над Землей слоя ионизированной плазмы («Слой Хевисайда» или «Слой Хевисайда—Кеннелли), хорошо отражающего короткие радиоволны и поэтому весьма важного для радиосвязи (1902).

Через 20 лет после начала научных исследований, приведших к появлению обильных и важных результатов, Хевисайд решил издать том своих сочинений. Он связывал с этим изданием и некоторые финансовые надежды. Увы, они не оправдались, издатель известил автора, что не удалось продать и половины тиража «Работ по электричеству».

Через два года после первой книги Хевисайда, вышел первый том «Электромагнитной теории», а в 1899 году — и второй том.

Для появления третьего тома понадобилось еще 12 лет. Хевисайд напряженно трудится до конца жизни, продолжая исследования и занимаясь подготовкой к изданию четвертого тома. Дожить до выхода этого тома Хевисайду не довелось. В 1925 году после месячного пребывания в больнице Хевисайд ушел из жизни.

Последние его годы были отмечены (правда, не очень многочисленными) знаками его признания. В 1899 году он был избран почетным членом Американской академии искусств, в 1905 году — почетным доктором философии Геттингенского университета, в 1908 году — почетным членом Института инженеров-электриков в Англии, а в 1919 году — в Америке.

И только через полтораста лет после дня его рождения пришло понимание масштабов и заслуг этого великого ученого.

Автор: В.И. Григорьев