Oliver Heaviside
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.

Biographie

Enfance et Jeunesse
Heaviside est né au 55 Kings Street 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. 

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 ; 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 adulte
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. 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-mêmes 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.

C'est aussi en 1873 qu'il découvre le récent et bientôt célèbre  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. »

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

Années les plus importantes 
Entre 1882 et 1902, il contribue régulièrement au magazine  -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.

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-mêmes, dès que le sujet d'étude est suffisamment mûr." 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. Les deux hommes se détestaient de longue date; Heaviside considérait Preece comme incompétent en Mathématiques, une accusation appuyée par  : "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.

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.

Toutefois ce contretemps pousse Heaviside à s'intéresser à un autre sujet, celui du rayonnement électromagnétique, 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, à savoir la composante magnétique de la force de Lorentz.

Dans les années 1880 et 1890, il s'intéresse au concept de . Il la considère comme une masse matérielle 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 vectoriel appliquées la théorie électromagnétique. En 1905, il reçoit un doctorat honorifique de l'Université de Göttingen.

Dernières années 
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 atteignit 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 religieuse
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.

Innovations et découvertes 
Heaviside a beaucoup contribué à promouvoir l’usage de l’analyse vectorielle en électromagnétisme. 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 aux 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, qui s’avère être plus adaptée aux applications en mécanique quantique. 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. 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.

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. Il a également redécouvert le vecteur de Poynting.

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-magnétisme 
On doit à Heaviside l'usage des termes suivants:

 admittance (inverse de l'impédance) (décembre 1887);
 élastance (inverse de la permittance, ou de la capacitance) (1886);
 conductance (partie réelle de l'admittance, inverse de la résistance) (septembre 1885);
 impédance (juillet 1886)
 inductance (février 1886);
 perméabilité (septembre 1885);
 permittivité et capacité ("permittance" à l'origine et en anglais) (juin 1887)
 réluctance (mai 1888)
 électret

Œuvres collectées de Heaviside (1872-1923)

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

Hommages 
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 :
 En 1891, il devint membre de la Royal Society de Londres.
 Membre honoraire de l'American Academy of Arts and Sciences en 1899.
 L'université allemande de Göttingen lui octroie en 1905 un doctorat honoris causa.
 Il devient en 1908 membre honoraire de l'Institution of Electrical Engineers anglaise.
 Il est fait membre honoraire de l'institut américain des ingénieurs en électricité en 1918.
 En 1922, il fut le premier récipiendaire de la médaille Faraday.
 Le cratère Heaviside sur la face cachée de la Lune, porte son nom.

Références et notes 

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

Bibliographie 
 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)

Notes

Liens externes 

 
 
 

Ingénieur électricien
Physicien anglais du XIXe siècle
Mathématicien anglais du XIXe siècle
Membre de la Royal Society
Naissance en mai 1850
Naissance à Camden Town
Décès en février 1925
Décès à Torquay
Décès à 74 ans
Physicien britannique du XXe siècle
Mathématicien anglais du XXe siècle