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

當你遇到身穿印有四個微分方程的T恤的學生時，你會知道自己已經進入電氣工程系。他們會告訴你，這些方程式是以19世紀物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）的名字命名的。這位物理學家用這些方程式構建了將光、電和磁統一起來的理論。

今天，麥克斯韋方程組被用于解決電子和電訊領域的實際問題。但是為什么它們看起來是這樣？在他于1865年發表的論文《電磁場動力學理論》中，麥克斯韋用被稱為四元數的深奧數學表達式列出了20個方程。這 20個方程如何變成了4個，而且是用更簡單的矢量術語來表示？是誰將麥克斯韋的理論轉化成了實用性方程？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）是一位自學成才的隱士，他發明了屬于自己的數學術語。他的工作涉及工程實踐、學術物理和抽象數學，撰寫的論文令這3個領域的讀者感到困惑。在他的一生中，他拒絕加入科學界，但到了1910年，工程師們開始運用他的方法解決棘手的通訊問題。亥維賽的想法成為現代電氣工程的核心，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。就像與他同時代的美國發明家愛迪生一樣，他在孩童時期感染過猩紅熱，并因此部分失聰。他的父親是一位雕刻師，在印刷技術迅速發展的年代努力地維持著自己的中產階級地位。因此，盡管亥維賽成績優異，仍然不得不離開文法學校，在16歲時就出去工作。

機緣巧合，亥維賽的姑姑嫁給了查爾斯·惠斯通（Charles Wheatstone）。惠斯通是一名電磁學專家，也是一個成功的電報系統的聯合發明者。1868年，惠斯通為其內侄謀得了丹麥-挪威-英國電報公司 （Danish–Norwegian–English Telegraph Com pany）的一個職位。當時，該公司剛剛在英國和丹麥之間鋪設了一條電纜，而亥維賽從一開始就學會了如何應對新線路及其運營的挑戰。令亥維賽感到困惑的是，這條電纜在一個方向傳輸信息時比另一個方向更高效。于是，他利用數學來理解信號的傳播方式。

為了發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。他很快發現，通過均勻分布線路的電磁感應，可以減小信號的衰減和失真。為了引起人們對其工作的關注，亥維賽大膽地向著名物理學家威廉·湯姆森（William Thomson）寄送了一篇早期發表的論文，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工程師協會會員資格。

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

在19世紀90年代末，當古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）和尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）正在探索無線電報時，理論家們對無線電波的傳播感到困惑。對麥克斯韋來說，無線電波和光波是一樣的，都是直線運動。然而，無線電波并沒有跑到太空，而是似乎遵循地球曲率。為什么會出現這種情況？1902年，亥維賽和美國工程師亞瑟·科諾爾里（Arthur Kennelly）在同一時間從理論上證明了無線電波之所以在世界范圍內傳播，是因為它們在電離層中反彈起了一層帶電的氣體粒子。20世紀20年代，這一反射層通過實驗得到證實，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可，但是他并沒有從實際應用中得到任何報酬。一個明顯的例子是美國電話電報公司（AT&T）建立的長途電話網絡。AT&T要求工程師喬治·坎貝爾（George Campbell）和邁克爾·蒲平（Michael Pupin）研究亥維賽關于輸電線路的論文。他們利用他創立的數學原理，設計出感應式負載線圈，并在1915年實現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富。AT&T愿意為亥維賽的早期貢獻支付費用，但他堅持認為，在傳輸線路上使用感應線圈完全是他的功勞。當AT&T不愿意承認這一點時，他拒絕接受那筆報酬。

他的科學同行們最終認可了他的貢獻，他因此成為英國皇家學會的一員；電氣工程師協會授予他一枚法拉第獎章。由于亥維賽仍然因在電報工程師協會的經歷而飽受痛苦，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《改變萬物的人》（The Man Who Changed Everything，威利出版社，2003），馬洪詳細地解釋了亥維賽的思想，以及他們如何定義電氣工程。他根據信件和筆記，巧妙地將關于亥維賽私人生活為數不多的細節整合在一起。在馬洪的筆下，這個故事就像亨里克·易卜生（Henrik Ibsen）創作的劇本，里面有一個憤懣不平、復雜多變的主角，他在艱難的家庭關系中展現自己的生活。然而，馬洪最終努力刻畫出了亥維賽的內心。這讓我陷入了思考：是什么激勵著這位非凡的工程師如此用心地探索電力的數學表現？又是什么促使這位年輕的電報員深入挖掘深奧的理論和數學，并將自己與世隔絕？

今天的電子技術，以及它為全球通信和公司財富方面帶來的一切，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、犧牲和頑強堅持的結果。

被遺忘的天才奧利弗·亥維賽，電氣科學領域的特立獨行者

● 讓伯納德·卡爾森津津樂道的是一位自學成才并引發電訊革命的工程師的傳記。

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

[資料來源：Nature][責任編輯：田 心]