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オリバー・ヘヴィサイド（ / ˈhɛvisaɪd / HEV - ee -syde ; [ 2 ] 1850年5月18日 - 1925年2月3日）は、イギリスの数学者、物理学者で、微分方程式を解くための新しい手法（ラプラス変換に相当）を発明し、独自にベクトル解析を開発し、マクスウェル方程式を今日一般的に使用されている形式に書き直しました。彼は、マクスウェルの死後数十年にわたってマクスウェル方程式の理解と応用方法を大きく形作りました。また、1893年には重力電磁気学に拡張し、これは2005年にグラビティ・プローブBによって確認されました。彼の電信方程式の定式化は、当時彼の斬新な方法論に精通している人が少なかったため、その重要性が長い間注目されませんでしたが、彼の生前に商業的に重要なものとなりました。[ 3 ]生涯のほとんどにおいて科学界と対立していたにもかかわらず、ヘヴィサイドは電気通信、数学、科学の様相を一変させた。[ 3 ]
オリバー・ヘヴィサイドは、1850年5月18日、イングランドのカムデン・タウンのキングス・ストリート55番地（現在のプレンダー・ストリート）で、製図家兼木版画家のトーマス・ヘヴィサイドとレイチェル・エリザベス・ウェストの3人兄弟の末っ子として生まれた。 [ 4 ] : 13彼は背が低く赤毛の子供で、幼い頃に猩紅熱にかかり、聴覚障害が残った。そのため、他の子供たちとコミュニケーションをとるのが難しくなり、子供の頃は友達を作るのが困難だったと感じていた。キングス・ストリートでの生活を惨めだったと述べ、職人を嫌うようになったと主張し、父親のアルコール体験を見て生涯禁酒するようになった。[ 5 ] : 59–61少額の遺産のおかげで、彼が13歳の時に家族はカムデンのより良い地域に引っ越し、カムデン・ハウス・グラマー・スクールに入学した。彼は優秀な生徒で、1865年には500人中5位の成績を収めたが、16歳以降は両親が学校に通わせ続けることができなかったため、1年間独学で勉強を続け、それ以上の正式な教育は受けなかった。[ 5 ]： 51
ヘヴィサイドの義理の叔父は、国際的に名高い電信と電磁気学の専門家であり、1830年代半ばに商業的に成功した最初の電信機の共同発明者であったチャールズ・ホイートストン卿（1802年～1875年）であった。ホイートストンは甥の教育に強い関心を持ち[ 6 ] 、1867年に彼を北部に送り、ニューカッスル・アポン・タインでチャールズの電信会社の1つを経営していた兄のアーサー・ホイートストンのもとで働かせた[ 5 ]。: 53
2年後、彼はデンマークのグレート・ノーザン電信会社で電信技師として働き、イギリスの請負業者を使ってニューカッスルからデンマークまでケーブルを敷設した。彼はすぐに電気技師になった。ヘヴィサイドは働きながら勉強を続け、22歳までに権威あるフィロソフィカル・マガジンに「与えられた検流計と電池で与えられた抵抗を測定するためのホイートストンブリッジの最良の配置」 [ 7 ]という記事を発表した。この論文は、この代数問題を解こうとして失敗した物理学者たちから好意的なコメントを受けた。その中には、彼が論文のコピーを贈ったウィリアム・トムソン卿やジェームズ・クラーク・マクスウェルも含まれていた。電信ケーブルのデュプレックス方式に関する記事を発表したとき[ 8 ]、彼は郵便局電信システムの主任技師であるRSカリーをからかった。カリーはデュプレックス方式を非実用的だと一蹴していた。その後1873年、彼は電信技術者協会への入会を申請したが、「電信事務員はいらない」という理由で却下された。これに憤慨したヘヴィサイドはトムソンに推薦を依頼し、協会の会長の支援もあって「郵便局の鼻持ちならない連中にもかかわらず」入会を認められた。[ 5 ]： 60
1873年、ヘヴィサイドはマクスウェルが新たに発表した、後に有名になる2巻からなる『電気と磁気に関する論文』に出会った。晩年、ヘヴィサイドは次のように回想している。
私が若い頃、マックスウェルの偉大な論文を初めて目にした時のことを覚えています…私はそれが偉大で、さらに偉大で、最も偉大であり、その力には計り知れない可能性が秘められていることを悟りました…私はその本をマスターしようと決意し、取り組み始めました。私は非常に無知でした。数学解析の知識は全くなく（学校で学んだ代数と三角法はほぼ忘れていました）、そのため私の仕事は最初から決まっていました。私が可能な限り理解できるようになるまでには数年かかりました。それから私はマックスウェルを脇に置き、自分の道を歩みました。そして私ははるかに速く進歩しました…私がマックスウェルの解釈に基づいて福音を説いていることは理解していただけるでしょう。[ 9 ]
自宅で研究を行った彼は、伝送線路理論（「電信方程式」としても知られる）の開発に貢献した。ヘヴィサイドは、電信線路に均一に分布したインダクタンスが減衰と歪みの両方を減少させ、インダクタンスが十分に大きく、絶縁抵抗が高すぎなければ、すべての周波数の電流が等しい伝搬速度を持つため、回路は歪みのないものになることを数学的に示した。[ 10 ]ヘヴィサイドの方程式は、電信の実用化をさらに促進するのに役立った。
1882年から1902年まで、3年間を除いて、ヘヴィサイドは業界紙『ジ・エレクトリシャン』に定期的に記事を寄稿した。同紙は地位向上を目指しており、ヘヴィサイドは年間40ポンドの報酬を受け取っていた。これは生活するには到底足りない額だったが、彼の要求はごくわずかで、彼は自分が最もやりたいことをしていた。1883年から1887年の間、彼は平均して月に2～3本の記事を執筆し、これらの記事は後に彼の著書『電磁気理論と電気論文集』の大部分を構成することになった。[ 5 ]： 71
1880年、ヘヴィサイドは電信送電線における表皮効果を研究した。同年、彼はイギリスで同軸ケーブルの特許を取得した。1884年、彼はマクスウェルの数学的解析を、元の扱いにくい形式（すでに四元数として再定式化されていた）から現代のベクトル用語に書き換え、それによって、20個の未知数を含む元の20個の方程式のうち12個を、現在マクスウェル方程式として知られる2個の未知数を含む4個の微分方程式に簡略化した。これらの再定式化された4つの方程式は、電荷（静止電荷と運動電荷の両方）、磁場、および両者の関係、すなわち電磁場の性質を記述する。
1880年から1887年の間に、ヘヴィサイドは演算計算を開発した。微分演算子については、（ブールは以前これを次のように表していた）[ 11 ] ) 微分方程式を代数方程式として直接解く方法を示した厳密さに欠けるため、大きな論争を引き起こした。彼は有名な言葉で「数学は実験科学であり、定義は最初に来るのではなく、後から来る。主題の本質が発展したときに、定義は自然にできる」と述べた。 [ 12 ]また別の機会には、「消化の過程を完全に理解していないからといって、夕食を拒否すべきだろうか？」と尋ねた。 [ 13 ]
1887年、ヘヴィサイドは弟のアーサーと共に「電話のブリッジシステム」という論文に取り組んだ。しかし、この論文はアーサーの上司である郵便局のウィリアム・ヘンリー・プリースによって阻止された。提案の一部に、電話線と電信線に負荷コイル（インダクタ）を追加して自己誘導を増やし、それによって生じる歪みを補正するという内容が含まれていたためである。プリースは最近、自己誘導がクリアな伝送の最大の敵であると宣言していた。ヘヴィサイドはまた、プリースが『ジ・エレクトリシャン』の編集者の解雇の背後にいると確信しており、その解雇によって彼の長年にわたる連載記事が中断された（1891年まで）。[ 14 ]プリースとヘヴィサイドの間には長い敵意の歴史があった。ヘヴィサイドはプリースを数学的に無能だと考えており、伝記作家のポール・J・ナヒンもこの評価を支持している。「プリースは権力のある政府高官で、非常に野心的だったが、驚くべきことに、まったくの愚か者だった。」プリースがヘヴィサイドの作品を抑圧した動機は、ヘヴィサイドの作品に何らかの欠陥があったというよりも、プリース自身の評判を守り、誤りを認めざるを得ない状況を避けるためであった。[ 4 ]： xi–xvii、162–183
ヘヴィサイドの研究の重要性は、『エレクトリシャン』誌に掲載されてからしばらくの間、認識されずにいた。1897年、AT&Tは自社の科学者であるジョージ・A・キャンベルと外部調査員のマイケル・I・プーピンを雇い、ヘヴィサイドの研究に不完全な点や誤りがないかを探させた。キャンベルとプーピンはヘヴィサイドの研究を拡張し、AT&Tは彼らの研究だけでなく、ヘヴィサイドが以前発明したコイルの製造技術についても特許を申請した。AT&Tは後にヘヴィサイドに権利と引き換えに金銭を提示したが、ベル研究所の技術者たちがヘヴィサイドを高く評価していたことがこの申し出に影響を与えた可能性もある。しかし、ヘヴィサイドはこの申し出を拒否し、会社が彼に十分な功績を認めない限り金銭を受け取らないと断った。ヘヴィサイドは慢性的に貧しかったため、この申し出を拒否したことはさらに印象的だった。 1959年、ノーバート・ウィーナーは小説『誘惑者』を出版し、AT&T（ウィリアムズ・コントロールズ・カンパニーという名前）とマイケル・I・プーピン（ディエゴ・ドミンゲスという名前）がヘヴィサイドの発明を盗用したと非難した。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
しかし、この挫折によってヘヴィサイドの関心は電磁放射へと向けられ、[ 18 ] 1888年と1889年の2つの論文で、彼は移動する電荷の周囲の電場と磁場の変形、およびそれがより密度の高い媒質に入ったときの影響を計算した。これには、現在チェレンコフ放射として知られる現象の予測が含まれており、彼の友人ジョージ・フィッツジェラルドが現在ローレンツ・フィッツジェラルド収縮として知られる現象を提唱するきっかけとなった。
1889年、ヘヴィサイドは、運動する荷電粒子に働く磁力の正しい導出を初めて発表した[ 19 ]。これは、現在ローレンツ力と呼ばれているものの磁気成分である。
1880年代後半から1890年代初頭にかけて、ヘヴィサイドは電磁質量の概念に取り組んだ。ヘヴィサイドはこれを物質質量として扱い、同じ効果を生み出すことができるとした。後にヴィルヘルム・ウィーンがヘヴィサイドの式（低速の場合）を検証した。
1891年、英国王立協会は、ヘヴィサイドの電磁現象の数学的記述への貢献を認め、彼を王立協会のフェローに任命し、翌年には、同協会の『哲学的トランザクション』の50ページ以上を彼のベクトル法と電磁理論に割いた。彼は1894年にマンチェスター文学哲学協会の名誉会員に選出された。[ 20 ] 1905年、ヘヴィサイドはゲッティンゲン大学 から名誉博士号を授与された。
1896年、フィッツジェラルドとジョン・ペリーは、当時デヴォンに住んでいたヘヴィサイドのために年間120ポンドの市民年金を取得し 、王立協会からの他の慈善の申し出を断った後、彼にそれを受け入れるよう説得した。[ 18 ]
1902年、ヘヴィサイドは現在ケネリー・ヘヴィサイド層として知られる電離層の存在を提唱した。ヘヴィサイドの提唱には、地球の曲率に沿って無線信号が伝送される方法が含まれていた。[ 4 ]： 279-280、300電離層の存在は1923年に確認された。ヘヴィサイドの予測は、プランクの放射理論と相まって、太陽やその他の天体からの電波を検出する試みを阻害したと考えられる。理由はともあれ、1932年にジャンスキーが電波天文学を開発する まで、30年間試みはなかったようだ。
ヘヴィサイドはアルバート・アインシュタインの相対性理論の反対者であった。[ 21 ]数学者のハワード・イーブスは、ヘヴィサイドは「当時アインシュタインを批判した唯一の一流物理学者であり、相対性理論に対する彼の非難はしばしば不条理に近いものであった」と述べている。[ 21 ]
後年、彼の行動はかなり風変わりになった。同僚のBAベーレンドによると、彼は人と会うことを非常に嫌がる隠遁者となり、電気技師の論文の原稿を食料品店に届け、編集者がそれを受け取ったという。[ 22 ] 若い頃は活発なサイクリストだったが、60代になると健康状態が著しく悪化した。この間、ヘヴィサイドは手紙に自分の名前の後に「WORM」というイニシャルを署名していた。また、ヘヴィサイドは爪をピンク色に塗り始め、花崗岩のブロックを家具として家に運び込んだとも伝えられている。[ 4 ] : xx 1922年、彼はその年に設立されたファラデー・メダルの最初の受賞者となった。
ヘヴィサイドの宗教観について言えば、彼はユニテリアンではあったが、宗教的ではなかった。彼は最高存在を信じる人々を嘲笑していたとも言われている。[ 23 ]
ヘヴィサイドは1925年2月3日、トーキーで梯子から落ちて74歳で亡くなった。[ 24 ]彼はペイントン墓地の南東隅近くの建物のすぐ後ろ右側に埋葬されている。父トーマスと母レイチェルと共に埋葬されている。墓石は2005年のある時期に匿名の寄付者のおかげで清掃された。[ 25 ]彼は、特にケルビンの送電線解析に対する彼の修正が正当であることが証明されて以来、ほとんどの電気技師から常に高く評価されていたが、彼のより広い認知は死後に得られた。
2014 年 7 月、英国ニューカッスル大学の研究者とニューカッスル電磁気学研究会は、一般からの寄付によって記念碑を完全に修復することを目指して、ヘヴィサイド記念プロジェクト[ 26 ]を設立しました。 [ 27 ] [ 28 ]修復された記念碑は、ヘヴィサイドの遠い親戚であるアラン・ヘザーによって 2014 年 8 月 30 日に正式に除幕されました。除幕式には、トーベイ市長、トーベイ選出の国会議員、科学博物館の元学芸員 (英国工学技術協会を代表)、トーベイ市民協会の会長、ニューカッスル大学の代表者が出席しました。[ 29 ]
ヘヴィサイドの論文集は、英国工学技術学会（IET）アーカイブセンターに所蔵されている。[ 30 ] このコレクションは、数式や計算を含むノート、主に電信に関する注釈付きパンフレット、手書きのメモ、論文の草稿、書簡、「電磁気理論」の記事の草稿などから構成されている。1950年にベル電話研究所所長のオリバー・E・バックリーがオリバー・ヘヴィサイドに捧げた音声による賛辞はデジタル化され、IETアーカイブのオリバー・ヘヴィサイドの伝記で閲覧できる。[ 31 ]
1908年、ヘヴィサイドは電気学会（IEE）の名誉会員に選ばれた。彼の記録は、IEE名誉会員およびファラデー・メダリスト名簿1871-1921に「1908年 オリバー・ヘヴィサイド FRS」と記されている[ 32 ] [ 33 ]。 1922年、彼はその年に設立されたファラデー・メダル の最初の受賞者となった。その後、1950年に電気学会評議会はヘヴィサイド・プレミアム賞を設立した。「委員会はオリバー・ヘヴィサイドの永続的な記念の何らかの形を設立することを検討し、その結果、毎年、受理された最高の数学論文に対して10ポンド相当のヘヴィサイド・プレミアムを授与することを推奨する。」[ 34 ]
ヘヴィサイドはベクトル法とベクトル解析の開発と普及に大きく貢献した。[ 35 ]マクスウェルの電磁気学の定式化は20個の変数を持つ20個の方程式から構成されていた。ヘヴィサイドはベクトル解析の回転演算子と発散演算子を用いて、これら20個の方程式のうち12個を4個の変数を持つ4個の方程式に再定式化した（）以来知られている形式（マクスウェル方程式を参照）。あまり知られていないのは、ヘヴィサイド方程式とマクスウェル方程式は厳密には同じではなく、実際には前者を修正して量子物理学と互換性を持たせる方が容易であるということである。[ 36 ]重力波の可能性についても、ヘヴィサイドは重力と電気の逆二乗法則の類似性を用いて議論した。[ 37 ]四元数の乗算では、ベクトルの二乗は負の値となり、ヘヴィサイドはそれを非常に不快に思った。彼はこの負性をなくすことを提唱したため、CJ ジョリー[ 38 ]は彼が双曲四元数を開発したと評価しているが、実際にはその数学的構造は主にアレクサンダー・マクファーレンの業績である。
彼はヘヴィサイド階段関数を発明し、それを使って電気回路のスイッチを入れたときの電流を計算した。彼は現在ディラックのデルタ関数として知られている単位インパルス関数を最初に使った人物である。[ 39 ]彼は線形微分方程式を解くための演算法を発明した。これは、ヘヴィサイドの演算子法を経路積分を用いて厳密に数学的に正当化したブロムウィッチにちなんで名付けられた「ブロムウィッチ積分」に基づく、現在使用されているラプラス変換法に似ている。[ 40 ]ヘヴィサイドはラプラス変換法に精通していたが、自分の方法の方が直接的だと考えていた。[ 41 ] [ 42 ]
ヘヴィサイドは伝送線路理論（「電信方程式」とも呼ばれる）を開発し、大西洋横断ケーブルの伝送速度を10倍に向上させた。当初は1文字の伝送に10分かかっていたが、この理論によって1分に1文字にまで伝送速度が向上した。これと密接に関連しているのが、ケーブルに直列に電気インダクタンスを配置することで電話伝送を大幅に改善できることを発見したことである。 [ 43 ]ヘヴィサイドはまた、ポインティングベクトルも独自に発見した。[ 4 ] : 116–118
ヘヴィサイドは、地球の最上層大気には電離層と呼ばれる電離層が存在するという考えを提唱し、後にケネリー＝ヘヴィサイド層と呼ばれることになる層の存在を予言した。1947年、エドワード・アップルトンはこの層が実際に存在することを証明した功績により、ノーベル物理学賞を受賞した。
ヘヴィサイドは電磁気理論において、以下の専門用語を考案した。
ヘヴィサイドは、サセプタンス（アドミタンスの虚数部）とリアクタンス（インピーダンスの虚数部）を造語したと誤って伝えられることがある。前者はチャールズ・プロテウス・スタインメッツ（1894年）によって造語された。[ 45 ]後者はエドゥアール・ホスピタリエ（1893年）によって造語された。[ 46 ]
宗教：ユニテリアンだが、宗教的ではない。至高の存在を信じる人々を揶揄していた。
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