2026年4月4日 IT频道最新文章 IT频道最新文章

科学界最强的工程师,麦克斯韦方程组的隐形功臣,实力远远大于名气的典例,特立独行的怪杰,向量分析开创者:奥利弗-赫维赛德

奥利弗-赫维赛德(1850-1925),英国工程师,物理学家,数学家,提出向量积和数量积梯度,散度,旋度等基本概念,独立于吉布斯建立向量分析,应用向量分析将麦克斯韦方程组简化为我们如今看到的形式,提出算子法,独立提出坡印廷矢量,预言大气当中存在电离层,提出阻抗的概念,给出长距离线路当中信号传输的电报方程并且给出了减少信号失真与衰减的方法,为如今通信当中的失真补偿技术奠基,后期研究开始触碰到相对论当中的某些思想。

1850年出生在伦敦卡姆登镇,年轻的时候得过猩红热,导致听力受损,16岁时就辍学离校,自学电磁学和摩斯密码,后来成为一名电报员,24岁的时候就辞职,在家里过上了专门研究科学的生活。

他终身未婚,晚年和家族其他成员爆发分歧,隐居在德文郡,有段时间甚至把楼梯拆了,以谢绝访客,没有大学学位,从来没有担任过任何教职,性格比较孤僻,嘴比较臭,批评起当时的学术权威来毫不留情。和当时许多学界知名人物(哈代,开尔文)都合不来,有实验会做一些比较古怪的事,例如有一回他把自己家里的篱笆全部涂成粉色,声称粉色是夕阳的颜色,可以带来灵感,又有一回拿电感线圈制造人工闪电给附近的邻居都吓坏了

我们来盘一盘他的贡献

①向量分析的开创(与吉布斯各自独立且几乎同时完成)

这是他这一辈子最大也是对后世影响最为深远的成就。向量概念乃至平行四边形法则等基本运算规律早在古代就已经为人所知,最早应用于物理,1799年,挪威-丹麦数学家,测绘学家韦塞尔将负数与平面向量一一对应,并且给出了负数的加减乘除运算法则的几何意义,建立复平面的概念,他的原始论文由于是用丹麦语写成的,因此,在当时没有立刻得到反响,后来阿尔冈和高斯出书对他的成果进行讨论,由此奠定了如今复平面乃至复变函数理论基础。这是向量在数学界上的第一次亮眼表现。1834年,英国数学家哈密顿和德国数学家格拉斯曼各自独立的提出四元数与外代数的概念,格拉斯曼的“外代数"囊括了现在所说的向量,张量,外积等概念,理论极其一般化和超前,但由于他的著作过于晦涩难懂,因此,在当时没有产生什么直接影响,而哈密顿的四元数则在这一阶段中胜出(q=a+bi+cj+dk),但数学形式上相当于是一个标量和一个三维向量的结合,运算的时候,同时包含了现在所说的数量积和向量积两种运算,由于他本身不满足乘法交换律,因此成为了后世非交换代数的先驱,但问题在于,这套形式过于复杂,并且向量和标量部分混在一块,对物理学家来说,应用起来比较吃力,但在当时确实没有更好的办法,因此,在哈密顿人生后期乃至之后相当长一段时间内,四元数成为了向量分析的主导,麦克斯韦和开尔文勋爵都是这套体系的使用者。

1870至1880年代,本期主角赫维赛德乃至美国物理学家吉布斯完成了一个美妙的操作,他们将四元素的向量和标量部分拆开,单独把三维向量作为整体进行研究,明确了向量是和标量不同的量,定义了数量积和向量积两种基本运算,然后在此基础上给出了旋度,散度和梯度的定义,引入并系统化使用微分算子(▽),随后,吉布斯在耶鲁大学传播自己精心撰写的向量分析的讲义,赫维赛德凭借自己在论文当中的表述乃至实际应用,通过与四元数追随者们(开尔文勋爵等人)的长达数十年的论战,最终成功让向量分析/向量微积分成为数学乃至物理学,工程学的主流。

开尔文在赫维赛德使用向量分析重构麦克斯韦方程组时,曾经说赫维赛德亵渎了麦克斯韦方程组的原始形式(因为麦克斯韦方程组的原始表述就是用四元数的,而开尔文是四元数的追随者),后来他也承认了赫维赛德的成果确实是天才之作

PS:开尔文本人和数学还真有点渊源,我们现在高数下册学的格林公式,他的提出者乔治格林的原论文在当时并没有受到很大的重视,是开尔文勋爵挖掘出来这篇文章向数学界推荐并最终实现推广使用的。而斯托克斯定理的第一个书面形式,最早也是出现在他和斯托克斯的通信之中。

②麦克斯韦方程组的简化

麦克斯韦为经典电磁学书写了“圣经",赫维赛德撰写了它的“钦定译本"

麦克斯韦方程组的原版形式用四元数表述,足足包含20条方程,在建立完向量分析之后,他立刻拿着自己的成果去小试牛刀了,他删除了磁矢势A,认为这是毫无意义的概念,直接使用电场强度E和磁感应强度B进行描述。将麦克斯韦方程组简化我们今天看到的版本。这是向量分析在物理学上最辉煌的应用范例。

③算子法/运算微积分

为了处理求解微分方程的问题,他发明了算子法(例如用D代替d/dt),这种方法因为缺少严格的数学基础在当时遭到了哈代等著名数学家的抨击,被称为野蛮的符号滥用,导致当时声誉受损,但是在工程学上显示出强大的生命力,后来经过严格的数学论证之后保留至今

④其他

他给出了长距离电报[em]e169[/em]话线之中的电报方程,并且给出了减少信号失真和衰减的实用方法,他将电阻的概念进行推广和发散,给出了阻抗的概念,为了解释意大利发明家马可尼跨大西洋无线电实验的成功,他和肯涅利各自独立的预言大气中应该存在一个可以反射电磁波的带电层(即电离层,后被实验证实)

他把麦克斯韦方程简化之后也得到了电磁波速的公式,指出能量在电场和磁场当中流动,独立意识到了坡印廷矢量。

他在后期的研究当中模模糊糊的意识到了经典电磁学可能蕴含着某种不一样的特性(协变性),甚至做出了一个惊人的论断,引力可以影响光速,但是,他和当时众多先驱/天才一样,没有向相对论迈出更深的一步。

他在研究微积分时使用了“冲击函数”,是后世狄拉克δ函数的雏形。返回搜狐,查看更多

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