连通世界的遁世天才：奥利弗·亥维赛

2017-11-10许林玉编译

世界科学 2017年11期

许林玉/编译

连通世界的遁世天才：奥利弗·亥维赛

许林玉/编译

当你遇到身穿印有四个微分方程的T恤的学生时，你会知道自己已经进入电气工程系。他们会告诉你，这些方程式是以19世纪物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的名字命名的。这位物理学家用这些方程式构建了将光、电和磁统一起来的理论。

今天，麦克斯韦方程组被用于解决电子和电讯领域的实际问题。但是为什么它们看起来是这样？在他于1865年发表的论文《电磁场动力学理论》中，麦克斯韦用被称为四元数的深奥数学表达式列出了20个方程。这 20个方程如何变成了4个，而且是用更简单的矢量术语来表示？是谁将麦克斯韦的理论转化成了实用性方程？在《被遗忘的天才奥利弗·亥维赛》（The Forgotten Genius of O-liver Heaviside）一书中，电气工程师巴兹尔·马洪（Basil Mahon）给出了答案。

正如马洪所描述的那样，奥利弗·亥维赛（Oliver Heaviside，1850—1925）是一位自学成才的隐士，他发明了属于自己的数学术语。他的工作涉及工程实践、学术物理和抽象数学，撰写的论文令这3个领域的读者感到困惑。在他的一生中，他拒绝加入科学界，但到了1910年，工程师们开始运用他的方法解决棘手的通讯问题。亥维赛的想法成为现代电气工程的核心，其成果至今仍然为电气工程师们所用。

亥维赛出生在伦敦的卡姆登镇。就像与他同时代的美国发明家爱迪生一样，他在孩童时期感染过猩红热，并因此部分失聪。他的父亲是一位雕刻师，在印刷技术迅速发展的年代努力地维持着自己的中产阶级地位。因此，尽管亥维赛成绩优异，仍然不得不离开文法学校，在16岁时就出去工作。

机缘巧合，亥维赛的姑姑嫁给了查尔斯·惠斯通（Charles Wheatstone）。惠斯通是一名电磁学专家，也是一个成功的电报系统的联合发明者。1868年，惠斯通为其内侄谋得了丹麦-挪威-英国电报公司（Danish–Norwegian–English Telegraph Com pany）的一个职位。当时，该公司刚刚在英国和丹麦之间铺设了一条电缆，而亥维赛从一开始就学会了如何应对新线路及其运营的挑战。令亥维赛感到困惑的是，这条电缆在一个方向传输信息时比另一个方向更高效。于是，他利用数学来理解信号的传播方式。

为了发展一套完整的输电线路理论，亥维赛辞去了工作，搬去和他兄弟一家住在一起。他很快发现，通过均匀分布线路的电磁感应，可以减小信号的衰减和失真。为了引起人们对其工作的关注，亥维赛大胆地向著名物理学家威廉·汤姆森（William Thomson）寄送了一篇早期发表的论文，并得到他的大加赞赏。然而，同样的工作也令一些有影响力的工程师大为光火，例如威廉·泼里斯（William Preece）。这些工程师排斥他，并试图剥夺他的电报工程师协会会员资格。

他干脆将自己置身于专业圈之外，但仍然坚持研究，并在19世纪80年代和90年代发表了大量论文，其中很多都是发表在杂志《电工》（The Electrician）上，该杂志每年向他支付40英镑。（他也曾在《自然》杂志上发表文章。）尽管收入微薄，但他还是通过引入矢量来表示电场和磁场的大小和方向，成功地修改了麦克斯韦方程。为了能够用代数来解决与向量有关的微分方程，他还运用了运算微积分。尽管他的论文深奥难懂，但却受到了奥利弗·洛奇（Oliver Lodge）、乔治·菲茨杰拉德（George FitzGerald）和海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）等科学家的赞赏，他们都与他保持着紧密联系。

在19世纪90年代末，当古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）和尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）正在探索无线电报时，理论家们对无线电波的传播感到困惑。对麦克斯韦来说，无线电波和光波是一样的，都是直线运动。然而，无线电波并没有跑到太空，而是似乎遵循地球曲率。为什么会出现这种情况？1902年，亥维赛和美国工程师亚瑟·科诺尔里（Arthur Kennelly）在同一时间从理论上证明了无线电波之所以在世界范围内传播，是因为它们在电离层中反弹起了一层带电的气体粒子。20世纪20年代，这一反射层通过实验得到证实，如今被称为“科诺尔里-亥维赛层”。

亥维赛所做工作的重要性得到了认可，但是他并没有从实际应用中得到任何报酬。一个明显的例子是美国电话电报公司（AT&T）建立的长途电话网络。AT&T要求工程师乔治·坎贝尔（George Campbell）和迈克尔·蒲平（Michael Pupin）研究亥维赛关于输电线路的论文。他们利用他创立的数学原理，设计出感应式负载线圈，并在1915年实现了纽约至加州旧金山的通话。他们凭借自己的专利获得了财富。AT&T愿意为亥维赛的早期贡献支付费用，但他坚持认为，在传输线路上使用感应线圈完全是他的功劳。当AT&T不愿意承认这一点时，他拒绝接受那笔报酬。

他的科学同行们最终认可了他的贡献，他因此成为英国皇家学会的一员；电气工程师协会授予他一枚法拉第奖章。由于亥维赛仍然因在电报工程师协会的经历而饱受痛苦，所以他拒绝了这一切。在生命中的最后几年，他在德文郡深居简出，并于1925年去世。

在他之前的著作中，比如麦克斯韦的传记《改变万物的人》（The Man Who Changed Everything，威利出版社，2003），马洪详细地解释了亥维赛的思想，以及他们如何定义电气工程。他根据信件和笔记，巧妙地将关于亥维赛私人生活为数不多的细节整合在一起。在马洪的笔下，这个故事就像亨里克·易卜生（Henrik Ibsen）创作的剧本，里面有一个愤懑不平、复杂多变的主角，他在艰难的家庭关系中展现自己的生活。然而，马洪最终努力刻画出了亥维赛的内心。这让我陷入了思考：是什么激励着这位非凡的工程师如此用心地探索电力的数学表现？又是什么促使这位年轻的电报员深入挖掘深奥的理论和数学，并将自己与世隔绝？

今天的电子技术，以及它为全球通信和公司财富方面带来的一切，很大程度上归功于亥维赛的卓越工作。马洪提醒我们，这种杰出成就往往是孤立、牺牲和顽强坚持的结果。