連通世界的遁世天才：奧利弗·亥維賽

許林玉/編譯

連通世界的遁世天才：奧利弗·亥維賽

許林玉/編譯

當(dāng)你遇到身穿印有四個(gè)微分方程的T恤的學(xué)生時(shí)，你會(huì)知道自己已經(jīng)進(jìn)入電氣工程系。他們會(huì)告訴你，這些方程式是以19世紀(jì)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）的名字命名的。這位物理學(xué)家用這些方程式構(gòu)建了將光、電和磁統(tǒng)一起來(lái)的理論。

今天，麥克斯韋方程組被用于解決電子和電訊領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。但是為什么它們看起來(lái)是這樣？在他于1865年發(fā)表的論文《電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)理論》中，麥克斯韋用被稱為四元數(shù)的深?yuàn)W數(shù)學(xué)表達(dá)式列出了20個(gè)方程。這 20個(gè)方程如何變成了4個(gè)，而且是用更簡(jiǎn)單的矢量術(shù)語(yǔ)來(lái)表示？是誰(shuí)將麥克斯韋的理論轉(zhuǎn)化成了實(shí)用性方程？在《被遺忘的天才奧利弗·亥維賽》（The Forgotten Genius of O-liver Heaviside）一書中，電氣工程師巴茲爾·馬洪（Basil Mahon）給出了答案。

正如馬洪所描述的那樣，奧利弗·亥維賽（Oliver Heaviside，1850—1925）是一位自學(xué)成才的隱士，他發(fā)明了屬于自己的數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)。他的工作涉及工程實(shí)踐、學(xué)術(shù)物理和抽象數(shù)學(xué)，撰寫的論文令這3個(gè)領(lǐng)域的讀者感到困惑。在他的一生中，他拒絕加入科學(xué)界，但到了1910年，工程師們開(kāi)始運(yùn)用他的方法解決棘手的通訊問(wèn)題。亥維賽的想法成為現(xiàn)代電氣工程的核心，其成果至今仍然為電氣工程師們所用。

亥維賽出生在倫敦的卡姆登鎮(zhèn)。就像與他同時(shí)代的美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生一樣，他在孩童時(shí)期感染過(guò)猩紅熱，并因此部分失聰。他的父親是一位雕刻師，在印刷技術(shù)迅速發(fā)展的年代努力地維持著自己的中產(chǎn)階級(jí)地位。因此，盡管亥維賽成績(jī)優(yōu)異，仍然不得不離開(kāi)文法學(xué)校，在16歲時(shí)就出去工作。

機(jī)緣巧合，亥維賽的姑姑嫁給了查爾斯·惠斯通（Charles Wheatstone）?；菟雇ㄊ且幻姶艑W(xué)專家，也是一個(gè)成功的電報(bào)系統(tǒng)的聯(lián)合發(fā)明者。1868年，惠斯通為其內(nèi)侄謀得了丹麥-挪威-英國(guó)電報(bào)公司 （Danish–Norwegian–English Telegraph Com pany）的一個(gè)職位。當(dāng)時(shí)，該公司剛剛在英國(guó)和丹麥之間鋪設(shè)了一條電纜，而亥維賽從一開(kāi)始就學(xué)會(huì)了如何應(yīng)對(duì)新線路及其運(yùn)營(yíng)的挑戰(zhàn)。令亥維賽感到困惑的是，這條電纜在一個(gè)方向傳輸信息時(shí)比另一個(gè)方向更高效。于是，他利用數(shù)學(xué)來(lái)理解信號(hào)的傳播方式。

為了發(fā)展一套完整的輸電線路理論，亥維賽辭去了工作，搬去和他兄弟一家住在一起。他很快發(fā)現(xiàn)，通過(guò)均勻分布線路的電磁感應(yīng)，可以減小信號(hào)的衰減和失真。為了引起人們對(duì)其工作的關(guān)注，亥維賽大膽地向著名物理學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson）寄送了一篇早期發(fā)表的論文，并得到他的大加贊賞。然而，同樣的工作也令一些有影響力的工程師大為光火，例如威廉·潑里斯（William Preece）。這些工程師排斥他，并試圖剝奪他的電報(bào)工程師協(xié)會(huì)會(huì)員資格。

他干脆將自己置身于專業(yè)圈之外，但仍然堅(jiān)持研究，并在19世紀(jì)80年代和90年代發(fā)表了大量論文，其中很多都是發(fā)表在雜志《電工》（The Electrician）上，該雜志每年向他支付40英鎊。（他也曾在《自然》雜志上發(fā)表文章。）盡管收入微薄，但他還是通過(guò)引入矢量來(lái)表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大小和方向，成功地修改了麥克斯韋方程。為了能夠用代數(shù)來(lái)解決與向量有關(guān)的微分方程，他還運(yùn)用了運(yùn)算微積分。盡管他的論文深?yuàn)W難懂，但卻受到了奧利弗·洛奇（Oliver Lodge）、喬治·菲茨杰拉德（George FitzGerald）和海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）等科學(xué)家的贊賞，他們都與他保持著緊密聯(lián)系。

在19世紀(jì)90年代末，當(dāng)古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）和尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）正在探索無(wú)線電報(bào)時(shí)，理論家們對(duì)無(wú)線電波的傳播感到困惑。對(duì)麥克斯韋來(lái)說(shuō)，無(wú)線電波和光波是一樣的，都是直線運(yùn)動(dòng)。然而，無(wú)線電波并沒(méi)有跑到太空，而是似乎遵循地球曲率。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？1902年，亥維賽和美國(guó)工程師亞瑟·科諾爾里（Arthur Kennelly）在同一時(shí)間從理論上證明了無(wú)線電波之所以在世界范圍內(nèi)傳播，是因?yàn)樗鼈冊(cè)陔婋x層中反彈起了一層帶電的氣體粒子。20世紀(jì)20年代，這一反射層通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)，如今被稱為“科諾爾里-亥維賽層”。

亥維賽所做工作的重要性得到了認(rèn)可，但是他并沒(méi)有從實(shí)際應(yīng)用中得到任何報(bào)酬。一個(gè)明顯的例子是美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）建立的長(zhǎng)途電話網(wǎng)絡(luò)。AT&T要求工程師喬治·坎貝爾（George Campbell）和邁克爾·蒲平（Michael Pupin）研究亥維賽關(guān)于輸電線路的論文。他們利用他創(chuàng)立的數(shù)學(xué)原理，設(shè)計(jì)出感應(yīng)式負(fù)載線圈，并在1915年實(shí)現(xiàn)了紐約至加州舊金山的通話。他們憑借自己的專利獲得了財(cái)富。AT&T愿意為亥維賽的早期貢獻(xiàn)支付費(fèi)用，但他堅(jiān)持認(rèn)為，在傳輸線路上使用感應(yīng)線圈完全是他的功勞。當(dāng)AT&T不愿意承認(rèn)這一點(diǎn)時(shí)，他拒絕接受那筆報(bào)酬。

他的科學(xué)同行們最終認(rèn)可了他的貢獻(xiàn)，他因此成為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的一員；電氣工程師協(xié)會(huì)授予他一枚法拉第獎(jiǎng)?wù)?。由于亥維賽仍然因在電報(bào)工程師協(xié)會(huì)的經(jīng)歷而飽受痛苦，所以他拒絕了這一切。在生命中的最后幾年，他在德文郡深居簡(jiǎn)出，并于1925年去世。

在他之前的著作中，比如麥克斯韋的傳記《改變?nèi)f物的人》（The Man Who Changed Everything，威利出版社，2003），馬洪詳細(xì)地解釋了亥維賽的思想，以及他們?nèi)绾味x電氣工程。他根據(jù)信件和筆記，巧妙地將關(guān)于亥維賽私人生活為數(shù)不多的細(xì)節(jié)整合在一起。在馬洪的筆下，這個(gè)故事就像亨里克·易卜生（Henrik Ibsen）創(chuàng)作的劇本，里面有一個(gè)憤懣不平、復(fù)雜多變的主角，他在艱難的家庭關(guān)系中展現(xiàn)自己的生活。然而，馬洪最終努力刻畫出了亥維賽的內(nèi)心。這讓我陷入了思考：是什么激勵(lì)著這位非凡的工程師如此用心地探索電力的數(shù)學(xué)表現(xiàn)？又是什么促使這位年輕的電報(bào)員深入挖掘深?yuàn)W的理論和數(shù)學(xué)，并將自己與世隔絕？

今天的電子技術(shù)，以及它為全球通信和公司財(cái)富方面帶來(lái)的一切，很大程度上歸功于亥維賽的卓越工作。馬洪提醒我們，這種杰出成就往往是孤立、犧牲和頑強(qiáng)堅(jiān)持的結(jié)果。

被遺忘的天才奧利弗·亥維賽，電氣科學(xué)領(lǐng)域的特立獨(dú)行者

● 讓伯納德·卡爾森津津樂(lè)道的是一位自學(xué)成才并引發(fā)電訊革命的工程師的傳記。

本文作者伯納德·卡爾森（W.Bernard Carlson）是美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)人文學(xué)教授，也是《特斯拉：電氣時(shí)代締造者》一書的作者。

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：田 心]