Oliver Heaviside

physicien britannique
Oliver Heaviside
Description de cette image, également commentée ci-après
Portrait d'Oliver Heaviside réalisé par Frances Hodge
(année inconnue).
Naissance
Camden Town (Angleterre)
Décès (à 74 ans)
Torquay (Angleterre)
Domicile Angleterre
Nationalité Drapeau d'Angleterre Anglais
Domaines Électrotechnique, Physique et Mathématiques
Renommé pour Fonction de Heaviside
Calcul opérationnel
Distinctions Médaille Faraday (1922)

Oliver Heaviside ( - ) est un physicien britannique autodidacte. Il a formulé à nouveau et simplifié les équations de Maxwell sous leur forme actuelle utilisée en calcul vectoriel. Il est également connu pour avoir posé l’équation des télégraphistes et développé une méthode de résolution des équations différentielles équivalente à l’emploi de la transformation de Laplace. Enfin, on lui doit l’usage des nombres complexes pour l’étude des circuits électriques.[1]

BiographieModifier

Enfance et JeunesseModifier

Heaviside est né au 55 Kings Street[2] à Camden Town Londres. Enfant chétif et roux, il a souffert de la scarlatine et son audition en a été affectée. Un modeste héritage a permis à sa famille de déménager dans un meilleur secteur de Camden lorsqu'il avait treize ans, et il a été scolarisé à la Camden House Grammar School. Bon élève, il en sort cinquième sur cinq-cents étudiants en 1865. Mais ses parents ne pouvant pas poursuivre sa scolarisation après l'âge de 16 ans, il a quitté l'école définitivement et a continué à étudier en autodidacte pendant une année.[3]

Son oncle, Sir Charles Wheatstone (1802–-1875), expert renommé des télégraphes et de l'électromagnétisme, avait co-inventé dans les années 1830 le premier télégraphe commercialisable. Charles Wheatstone s'est penché sur l'éducation de son neveu avec attention[4] ; il l'a envoyé à Newcastle-upon-Tyne pour travailler dans l'une de ses entreprises de télégraphe, sous la direction du frère de Charles, Arthur.

Âge adulteModifier

Deux ans plus tard, Heaviside a commencé à travailler comme opérateur de télégraphe pour le compte de la Great Northern Telegraph Company danoise qui établissait alors une liaison entre Newcastle et le Danemark. Il devient alors électricien et continue d'étudier en autodidacte, si bien qu'à 22 ans il publie un article dans le Philosophical Magazine sur l'utilisation optimale d'un pont de Wheatstone[5]. Cet article provoque des réactions enthousiastes de la part de Sir William Thomson ainsi que de James Clerk Maxwell, ces derniers ayant échoué à résoudre eux-même le problème. Il publie ensuite un article sur les communications en duplex via le télégraphe, et ironise sur le fait que l'ingénieur en chef de la General Post Office, R. S. Culley, avait rejeté la possibilité d'établir de telles communications. Malgré cela, sa candidature à la Society of Telegraph Engineers est rejetée au 1873 au prétexte qu'ils "n'acceptaient pas d'opérateurs de télégraphes". Vexé par ce refus, il a fini par être admis avec le soutien de Thomson et du président de la société[3].

C'est aussi en 1873 qu'il découvre le récent et bientôt célèbre Treatise on Electricity and Magnetism (en) de Maxwell. Il en dira plus tard:

« Je me rappelle de ma découverte de ce superbe traité de Maxwell, lorsque j'étais encore un jeune homme... J'ai mesuré à quel point il était immense, encore plus grand si ce n'est le plus grand de tous, et les possibilités prodigieuses qu'il offrait... J'étais déterminé à en maîtriser le contenu et me mis au travail. J'étais vraiment ignorant. Je ne connaissais pas l'analyse mathématique (ayant seulement appris l'algèbre et la trigonométrie à l'école, que j'avais en grande partie oubliées) et il a fallu organiser mon travail moi-même. Plusieurs années ont été nécessaires pour comprendre le contenu autant que possible. J'ai ensuite mis Maxwell de côté pour suivre mon propre chemin. J'ai alors progressé plus vite... Il faut bien comprendre que je prêche l'Evangile selon ma propre interprétation de Maxwell. »[4]

Poursuivant ses recherches à la maison, il participe au développement de la théorie des lignes de transmission (et de l'équation des télégraphistes). Ses travaux ont beaucoup aidé à la mise en œuvre pratique des télégraphes ; il a en effet prouvé qu’en distribuant l’inductance de façon uniforme le long du télégraphe, et en lui donnant une valeur suffisamment élevée, on pouvait diminuer les pertes et supprimer le phénomène de dispersion - c’est à dire le fait que les différentes fréquences composant un signal ne se propagent pas à la même vitesse[6]

Années les plus importantesModifier

Entre 1882 et 1902, il contribue régulièrement au magazine The Electrician (en) -à l'exception de trois années- qui souhaitait améliorer la qualité de ses publications; il est rémunéré à hauteur de 40£ par an. C'était une somme faible pour vivre, mais il avait beaucoup de liberté dans le choix de ses sujets de recherches. Entre 1883 et 1887 il publie au rythme de deux à trois articles par mois, ce qui constituera l'ossature de sa théorie électromagnétique[3].

En 1880, il étudie l'effet de peau dans les lignes de télégraphe, et dépose un brevet pour le câble coaxial la même année. En 1884 il reformule les équations de Maxwell sous leur forme actuelle (elles avaient déjà été reformulées à l'aide de quaternions), ce qui permet de réduire douze d'entre elles au nombre de quatre, et avec seulement deux inconnues.

Les années 1880 à 1887 sont consacrées au développement du calcul opérationnel qui permet de ramener les équations différentielles à des équations polynomiales. Sa méthode déclenche une controverse du fait de son manque de rigueur, et il y répond avec un mot resté célèbre "Les Mathématiques sont une science expérimentale, les définitions ne sont pas posées dès le départ, mais progressivement. Elles s'imposent d'elles-même, dès que le sujet d'étude est suffisamment mûr."[7] Il a également défendu son point de vue par l'analogie suivante "Devrais-je renoncer à mon dîner au prétexte que je ne comprends pas totalement le fonctionnement de la digestion?".

En 1887, Heaviside travaille avec son frère Arthur sur un article intitulé "The Bridge System of Telephony". Ce papier est bloqué par le supérieur d'Arthur, William Henry Preece du General Post Office. L'article propose en effet d'ajouter une inductance grâce à des bobines d'induction aux téléphones et aux télégraphes, notamment aux câbles télégraphiques transatlantiques pour corriger la distorsion qui affectait les signaux. Preece s'était opposé à l'usage d'inductances dans ce contexte, et il semblerait qu'il cherchait à préserver sa réputation en entravant les publications de Heaviside. Ce dernier est d'ailleurs convaincu que Preece se trouve derrière le renvoi de l'éditeur de "The Electrician" qui a eu pour conséquence le rejet de tous ses articles jusqu'en 1891[8]. Les deux hommes se détestaient de longue date; Heaviside considérait Preece comme incompétent en Mathématiques, une accusation appuyée par Paul J. Nahin (en) : "Preece était fonctionnaire puissant et très ambitieux, tout en étant un remarquable imbécile". Il s'attaquait aux publications de Heaviside pour ne pas avoir à admettre ses propres erreurs[2].

L'importance des publications effectuées dans "The Electrician" n'a pas été comprise avant de nombreuses années, et les trésors qu'elles renfermaient se trouvaient dans le domaine public. En 1897, AT&T a demandé à George A. Campbell et Michael I. Pupin d'étudier les travaux de Heaviside pour tenter de les mettre en défaut, ou d'en étendre la portée. Ces efforts ont débouché sur une série de brevets, notamment concernant la fabrication des bobines d'inductance inventées par Heaviside. Le respect d'AT&T pour Heaviside a poussé l'entreprise à lui proposer de l'argent en échange des "droits" sur ses inventions, mais il a refusé la somme qui lui était proposée si elle n'était pas accompagnée d'une reconnaissance complète de sa paternité sur ces inventions. Heaviside vivait pourtant dans la pauvreté, rendant ce refus de l'offre encore plus frappant[9].

Toutefois ce contretemps pousse Heaviside à s'intéresser à un autre sujet, celui du rayonnement électromagnétique[8], dans deux publications de 1888 et 1889. Il y calcule les déformations des champs électrique et magnétique au voisinage d'une charge en mouvement, et ce qu'il se passe lorsqu'elle pénètre un milieu plus dense. On y trouve en germes une prédiction de l'effet Tcherenkov, et des éléments qui ont inspiré à son ami George FitzGerald l'idée de la contraction des longueurs.

En 1889, Heaviside établit pour la première fois l'expression de la force magnétique appliquée sur une charge en mouvement[10], à savoir la composante magnétique de la force de Lorentz.

Dans les années 1880 et 1890, il s'intéresse au concept de masse électromagétique (en). Il la considère comme une masse matériel classique qui produirait les mêmes effets. Dans le cas de vitesses faibles, Wilhelm Wien a été en mesure de confirmer sa théorie.

En 1891, les contributions de Heaviside à la description mathématique des phénomènes électromagnétiques sont reconnues par la Royal Society qui l'accueille comme "Fellow". L'année suivante, la Royal Society consacre une cinquantaine de pages dans ses Philosophical Transactions à ses méthodes de calcul vectorielles appliquées la théorie électromagnétique. En 1905, il reçoit un doctorat honorifique de l'Université de Göttingen.

Dernières annéesModifier

En 1896, FitzGerald and John Perry obtiennent via la liste civile une rente de 120£ annuelles pour Heaviside, qui vivait alors à Devon. Ils le persuadent de l'accepter, sachant qu'il avait déjà rejeté d'autres offres de la part de la Royal Society.

En 1902, il prédit l'existence de couches conductrices pour les ondes radio qui leur permettent de suivre la courbure de la Terre. Ces couches, situées dans l'ionosphère, sont appelées couches de Kennelly-Heaviside, du nom de Arthur Kennelly, physicien américain qui eut la même intuition que lui. Elles ont finalement été détectées en 1925 par Edward Appleton. Il a développé aussi la fonction de Heaviside (aussi appelée échelon ou marche), utilisée communément dans l'étude de systèmes en automatique et il a étudié la propagation des courants électriques dans les conducteurs (théorie des lignes de transmission et équations des télégraphistes).

Des années plus tard son comportement devint très excentrique. D'après son associé B. A. Behrend, il devint un ermite avec une telle aversion pour les gens qu'il livrait les manuscrits de ses thèses sur l'électricité dans une épicerie, où ses éditeurs venaient les récupérer. Malgré sa pratique active du cyclisme durant ses jeunes années, sa santé se mit à sérieusement décliner alors qu'il atteint la soixantaine. Il commença à signer ses lettres en ajoutant l'acronyme "W.O.R.M." après son nom, qui en anglais peut être traduit par "ver". Il a également été rapporté que Heaviside arborait un vernis à ongles rose et possédait des blocs de granit à titre de mobilier.

En 1922, il devint le premier bénéficiaire de la médaille Faraday, créée cette année-là et attribuée pour des inventions scientifiques notables dans le domaine de l'ingénierie industrielle.

Heaviside meurt le à Torquay dans le comté britannique de Devon, et est enterré au cimetière Paignton avec son père, Thomas Heaviside (1813–1896) et sa mère, Rachel Elizabeth Heaviside. Sa pierre tombale a été restaurée grâce à un donateur anonyme dans le courant de l'année 2005. Il ne sera réellement reconnu qu'à titre posthume.

Vision religieuseModifier

Heaviside défendait l'unitarisme théologique, sans être lui-même croyant. Il a même été rapporté qu'il s'était moqué des gens qui dirigeaient leur foi vers un être supérieur.

 
Pierre tombale des Heaviside, avant et après restauration.

Innovations et découvertesModifier

Heaviside a beaucoup contribué à promouvoir l’usage de l’analyse vectorielle en électromagnétisme[11]. La formulation originale de Maxwell comprenait 20 équations et 20 variables, et l’emploi du rotationnel et de la divergence a permis de réduire 12 d’entre elles au quatre équations utilisées en usage jusqu’à nos jours (voir Équations de Maxwell). La version de Heaviside des équations de Maxwell est à vrai dire légèrement différente de l’originale, et elle s’avère être plus adaptée aux applications en mécanique quantique[12]. Il a également évoqué l’existence potentielle d’ondes gravitationnelles en se basant sur une analogie entre l’inverse du carré de la distance dans les lois de l’électrostatique et de la gravitation[13]. Dans le but de régler des problèmes de signe liés à l’utilisation des quaternions, il a participé au développement des quaternions hyperboliques.

Heaviside a également inventé la fonction « échelon » qui porte son nom pour calculer le courant traversant un circuit électrique dès qu’il est branché. De même il est le premier à avoir manipulé la fonction Delta de Dirac pour modéliser une impulsion [30]. Il a inventé le calcul opérationnel pour résoudre les équations différentielles linéaires ; ces techniques s’apparentent à l’utilisation de la Transformation de Laplace et de son inverse, qui a été étudiée rigoureusement par Bromwich à l’aide d’intégrales de contour. Heaviside connaissait la méthode de Laplace mais considérait la sienne comme étant plus directe[14].

Heaviside a développé la théorie des lignes de transmission (équation des télégraphistes) qui a permis de décupler le débit des transmissions transatlantiques (passant de un caractère transmis toutes les dix minutes à un caractère par minute). De même il a établi que les transmissions téléphoniques étaient améliorées en plaçant une inductance en série avec le câble[9]. Il a également redécouvert le vecteur de Poynting[15].

Heaviside a fait l’hypothèse que les couches supérieures de l’atmosphère contiennent une couche correspondant à la ionosphère. Il a prédit l’existence de ce qui serait appelé plus tard la « couche de Kennelly-Heaviside ». En 1947, Edward Victor Appleton a reçu le prix Nobel de Physique pour avoir prouvé son existence.

Apports au vocabulaire de l'électro-magnétismeModifier

On doit à Heaviside l'usage des termes suivants:

Œuvres collectées de Heaviside (1872-1923)Modifier

Les publications, correspondances, cahiers de notes et documents divers concernant les travaux de Heaviside sur les télécommunications sont conservés dans les archives de l’Institut d’Ingénierie et de Technologie

HommagesModifier

En dehors de sa vie d'ermite, les nombreuses publications de Heaviside ainsi que l'action de ses amis influents lui ont apporté de nombreuses reconnaissances qu'il ne paraissait pas forcément apprécier, parmi lesquelles :

Références et notesModifier

Hunt, B. J. (2012). "Oliver Heaviside: A first-rate oddity". Physics Today. 65 (11): 48–54. Bibcode:2012PhT....65k..48H. doi:10.1063/PT.3.1788.

Savoy Hill House 7-10, Savoy Hill, London WC2R 0BU Email: archives@theiet.org

BibliographieModifier

  • The Heaviside Centenary Volume, London (1950)
  • D. H. Moore, Heaviside Operational Calculus, New York (1971)
  • G. F. C. Searle, Oliver Heaviside, the Man, St Albans (1987)
  • P. J. Nahin, Oliver Heaviside, Sage in Solitude, New York (1988)
  • A. C. Lynch, « The Sources for a Biography of Oliver Heaviside », in History of Technology, vol. 13, éd. Hollister-Short, London & New York (1991)

Liens externesModifier

Sur les autres projets Wikimedia :

  1. (en) Bruce J. Hunt, « Oliver Heaviside: A first-rate oddity », Physics Today, vol. 65, no 11,‎ , p. 48–54 (ISSN 0031-9228 et 1945-0699, DOI 10.1063/PT.3.1788, lire en ligne, consulté le 6 février 2021)
  2. a et b (en) Nahin, Paul J., Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age., JHU Press, (ISBN 978-0-8018-6909-9, lire en ligne), p. 13
  3. a b et c (en) Bruce J. Hunt, The Maxwellians, Cornell University Press, (ISBN 978-0-8014-8234-2), p. 60
  4. a et b (en) Sarkar, T. K.; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A.; Salazar-Palma, M.; Sengupta, Dipak L., History of Wireless, John Wiley & Sons (ISBN 978-0-471-78301-5, lire en ligne), p. 232
  5. (en) Heaviside, Oliver, « Electrical Papers. Volume 1. Macmillan Co, London and New York. », sur archive.org,
  6. (en) Kempe, Harry Robert, "Telephone". Dans Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica. 26 (11th ed.), Cambridge University Press, , p. 554
  7. (en) « VIII. On operations in physical mathematics. Part II », Proceedings of the Royal Society of London, vol. 54, nos 326-330,‎ , p. 105–143 (ISSN 0370-1662 et 2053-9126, DOI 10.1098/rspl.1893.0059, lire en ligne, consulté le 7 février 2021)
  8. a et b (en) « Heaviside, Oliver (1850–1925), physicist and electrical engineer », sur Oxford Dictionary of National Biography (DOI 10.1093/ref:odnb/33796, consulté le 7 février 2021)
  9. a et b Wiener, Norbert, 1894-1964., Invention : the care and feeding of ideas, MIT Press, 1994, ©1993 (ISBN 0-262-73111-8 et 978-0-262-73111-9, OCLC 37378741, lire en ligne)
  10. (en) Oliver Heaviside, « XXXIX. On the electromagnetic effects due to the motion of electrification through a dielectric », The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. 27, no 167,‎ , p. 324–339 (ISSN 1941-5982 et 1941-5990, DOI 10.1080/14786448908628362, lire en ligne, consulté le 7 février 2021)
  11. (en) Oliver Heaviside, Electromagnetic theory, Volume I, London, "The Electrician" printing and publishing company, limited, [1894-1912] (lire en ligne), p. 132.205
  12. (en) Terence W Barrett, Topological Foundations of Electromagnetism, vol. 26, WORLD SCIENTIFIC, coll. « World Scientific Series in Contemporary Chemical Physics », (ISBN 978-981-277-996-0 et 978-981-277-997-7, DOI 10.1142/6693, lire en ligne)
  13. (en) Heaviside, Oliver, A gravitational and electromagnetic analogy, Electromagnetic Theory, , p. 455-466 Appendix B
  14. (en) Heaviside, Oliver, Electromagnetic theory Volume 3, London, "The Electrician" Pub. Co., 1893-1912 (lire en ligne), p. 324
  15. Nahin, Paul J., Oliver Heaviside : the life, work, and times of an electrical genius of the Victorian age, Johns Hopkins University Press, (ISBN 0-8018-6909-9 et 978-0-8018-6909-9, OCLC 47915995, lire en ligne)
  16. Kline, Ronald R., Steinmetz : engineer and socialist, Johns Hopkins University Press, (ISBN 0-8018-4298-0 et 978-0-8018-4298-6, OCLC 24430464, lire en ligne)