Oliver Heaviside

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.

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-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[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]

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.

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 3 février 1925 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.

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.

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)[16]
• électret