Heaviside


Heaviside
Oliver Heaviside

Oliver Heaviside (* 18. Mai 1850 in London; † 3. Februar 1925 in Homefield bei Torquay) war ein britischer Mathematiker und Physiker, der wesentliche Beiträge zur Entwicklung des Elektromagnetismus lieferte.

Inhaltsverzeichnis

Leben

Heaviside wuchs in London auf. Sein Vater stellte Holzschnitte und Aquarelle her. In früher Jugend erkrankte Heaviside an Scharlach, und die nachgebliebene Schwerhörigkeit machte den kleingewachsenen, rothaarigen Heaviside bei seinen Mitschülern zum Außenseiter. Trotz guter schulischer Leistungen verließ er mit 16 Jahren die Schule um Telegraphist zu werden, wobei ihn sein Onkel Charles Wheatstone (ein Physiker und einer der Erfinder der Telegraphie) unterstützte. Heaviside lernte Deutsch und Dänisch und erlernte ab 1868 in Dänemark den Beruf des Telegraphen. 1871 war er wieder in England, wo er es in Newcastle schnell zum Chef-Telegraphisten der Great Northern Telegraphe Company brachte. Ab 1872 publizierte er Aufsätze auch über Elektrizitätslehre, die sogar die Aufmerksamkeit von James Clerk Maxwell hervorriefen, der sie in der zweiten Auflage seines Hauptwerks Treatise on Electricity and Magnetism erwähnte.

Heaviside war von Maxwells Werk fasziniert. 1874 gab er seinen Beruf auf, um sich ganz dem Studium der Elektrizitätslehre zu widmen. Seine mathematischen Kenntnisse musste er sich dabei autodidaktisch aneignen[1], und er brauchte Jahre, um tiefer in Maxwells Werk einzudringen. Dabei ging er letztendlich dazu über, seine eigenen mathematischen Methoden zu entwickeln, die seiner Zeit weit voraus waren, die elektromagnetische Theorie und die Behandlung von Schwingkreisen aber stark vereinfachten. Finanziell wurde er von seinem Bruder unterstützt, aber auch führende Wissenschaftler unterstützten ihn. Der berühmte Physiker Lord Kelvin erkannte ihn als Autorität auf seinem Gebiet an und 1891 wurde er in die Royal Society gewählt (1905 erhielt er auch einen Ehrendoktor der Universität Göttingen). Heaviside selbst, der 1909 nach Torquay zog und nie geheiratet hat, wurde jedoch ein immer skurrilerer Einsiedler. Er litt an Verfolgungswahn, gefördert durch eine zunehmende Taubheit. Er begann die Worte „WORM“ seiner Unterschrift hinzuzufügen. Äußerlich verwahrloste er bis auf die sorgfältig gepflegten, rosa lackierten Fingernägel. Besucher sahen in eine mit Granitblöcken verstellte Wohnung. Er liegt in Paignton begraben.

Werk

Heaviside war maßgeblich an der Einführung der Vektoren und der Vektoranalysis beteiligt[2], mit denen er die für die Elektrodynamik grundlegenden Maxwellgleichungen 1884 stark vereinfachte und auf die uns heute bekannte Form brachte. Heaviside entdeckte auch unabhängig den Poyntingvektor. Die Vektormethoden setzten sich ab etwa 1910 ganz durch und verdrängten auch die in England in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts sehr beliebten Quaternionen von William Rowan Hamilton und dessen schottischen Protagonisten Peter Guthrie Tait.

Auch für die Analyse elektrischer Schwingkreise und Schaltungen führte er die heute weit verbreiteten Methoden ein und prägte viele Begriffe wie Impedanz oder Induktivität. Er war einer der ersten, die dazu komplexe Zahlen verwendeten. Für die Lösung der dabei vorkommenden Differentialgleichungen entwickelte er sein Operatorkalkül (operational calculus), der aus der Differentialgleichung eine algebraische Gleichung machte und die Laplace-Transformation vorwegnahm, wie Mathematiker später erkannten. Sein Operatorkalkül, den er von 1880 bis 1887 entwickelte, stieß bei zeitgenössischen Mathematikern auf Misstrauen[3], wurde aber später durch die Arbeiten von Bromwich und Norbert Wiener gerechtfertigt. Erst gut 65 Jahre später konnte sein Operatorkalkül von Jan Mikusiński mathematisch exakt begründet werden.

Die nach ihm benannte Heavisidesche Sprungfunktion verwendete er zur Untersuchung von Pulsen in elektrischen Leitungen und auch die für die Ausbreitung von Signalen in Telegraphenleitungen maßgebliche Telegraphengleichung wurde von ihm aufgestellt. Heaviside erkannte auch als erster die Wichtigkeit, für eine verzerrungsfreie Übertragung in regelmäßigen Abständen Induktionsspulen an den Telegraphenleitungen anzuordnen. In England konnte er sich damit nicht durchsetzen, da er mit dem technischen Leiter des Postamtes verfeindet war. In den USA hingegen studierten ATT-Ingenieure seine Arbeiten genau und meldeten sie unter eigenem Namen zum Patent an (Michael Pupin 1904). Ihm wurde zwar ein finanzieller Ausgleich angeboten, den Heaviside aber trotz seiner Armut ablehnte: er wollte die volle Anerkennung. 1880 erhielt Heaviside in England ein Patent auf das Koaxialkabel.

1902 sagte er die Existenz der Kennelly-Heaviside-Schicht in der Ionosphäre vorher, an der sich Radiowellen reflektieren lassen und die so eine weltweite Ausbreitung ermöglicht (experimentell wurde sie erst 1923 nachgewiesen).

1888/9 untersuchte er das Feld bewegter Ladungen, was Fitzgerald zu seinen Arbeiten im Vorfeld der speziellen Relativitätstheorie anregte (Fitzgerald- Lorentz-Kontraktion). Dabei untersuchte er auch den Übergang in dichtere Medien, wobei er die Cerenkov-Strahlung vorwegnahm. Heaviside untersuchte um dieselbe Zeit auch die „elektromagnetische Masse“, die er für ebenso real hielt wie die der gewöhnlichen Materie.

Für das elektrische Analogon zum Permanentmagneten führte er den Begriff Elektret ein.

Zitate

Die Mathematik ist eine experimentelle Wissenschaft, und Definitionen waren nicht zuerst da, sondern entstanden erst später[4]

Veröffentlichungen

  • Electromagnetic induction and its propagation. The Electrician, 1885, 1886 and 1887.
  • Electrical Papers, 1887.
  • The Electro-magnetic Effects of a Moving charge, Electrician, 1888.
  • On the Electro-magnetic Effects due to the Motion of Electrification through a Dielectric, Phil.Mag.S.5 vol.27, 1889 p.324, 1889.
  • On the Forces, Stresses, and Fluxes of Energy in the Electromagnetic Field, Philosophical Transactions of the Royal Society, London, 1892.
  • A gravitational and electromagnetic analogy, The Electrician, 1893.
  • Electromagnetic theory: The complete & unabridged edition, 1951. ISBN B0000CI0WA
  • Electromagnetic Theory, American Mathematical Society, 1970. ISBN 0-8284-0237-X
  • Electrical Papers, American Mathematical Society, 1999. ISBN 0-8284-0235-3
  • Electrical Papers, American Mathematical Society, 2003. ISBN 0-8218-2840-1

Literatur

  • H. Josephs Oliver Heaviside: a biography, London 1963
  • P. J. Nahin Oliver Heaviside: Sage in solitude - the life, work, and times of an electrical genius of the Victorian age, New York, 1988, 2002
  • G. Searle Oliver Heaviside, the man, St. Albans, 1987
  • I. Yavetz From Obscurity to Enigma: The Work of Oliver Heaviside, 1872-1889, Basel, 1995

Weblinks

Quellen

  1. auf der Schule war ihm die Mathematik durch den damals vielfach üblichen pedantischen Euklid-Unterricht verleidet worden
  2. wie gleichzeitig in den USA Josiah Willard Gibbs, der Heavisides Methoden aber ablehnte und ihn mehrfach in Nature angriff
  3. wie im 20. Jahrhundert die Methoden seines Landsmanns Paul Dirac
  4. Mathematics is an experimental science, and definitions do not come first, but later on, Heaviside On operators in physical mathematics II, Proceedings of the Royal Society of London, Bd. 54, 1893, S. 121

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