Oliver Heaviside

gigatos | Dicembre 27, 2021

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Riassunto

Oliver Heaviside, (Londra, Inghilterra, 18 maggio 1850 – Torquay, Inghilterra, 3 febbraio 1925) è stato un fisico, ingegnere elettrico, radiografo e matematico inglese. Heaviside ha introdotto i numeri complessi nell”analisi dei circuiti, ha inventato una nuova tecnica per risolvere le equazioni differenziali (equivalente alla trasformata di Laplace), ha sviluppato indipendentemente il calcolo vettoriale e ha riscritto le equazioni di Maxwell nel formato comunemente usato oggi. Ha plasmato significativamente il modo in cui le equazioni di Maxwell sono state comprese e applicate nei decenni successivi alla morte di Maxwell. La sua formulazione delle equazioni del telegrafo fu commercialmente rilevante durante la sua vita, anche se passò inosservata per molto tempo perché pochi conoscevano allora la sua nuova metodologia. Anche se i suoi rapporti con l”establishment scientifico furono complicati per la maggior parte della sua vita, Heaviside rimodellò il campo delle telecomunicazioni, della matematica e della scienza.

Bambini e giovani

Oliver era il quarto figlio della famiglia di Thomas Heaviside e Rachel West. Suo padre era un incisore di legno di talento, ma il suo mestiere soffriva già della concorrenza delle nascenti tecniche fotografiche, e la famiglia era sempre a corto di soldi. La madre ha creato una sorta di piccola scuola per signorine nella loro casa in affitto a Camden Town per guadagnare di più. L”atmosfera familiare deve essere stata tesa e morigerata. La situazione era complicata nel caso di Oliver dal fatto che da bambino soffriva di scarlattina, a causa della quale divenne praticamente sordo. Questo gli rese difficile relazionarsi con gli altri, specialmente con gli altri ragazzi, e probabilmente costituì la base del carattere scontroso e ritirato che mostrò per il resto della sua vita, anche se recuperò molto del suo udito più tardi nella sua adolescenza.

Un lascito ricevuto nel 1863 significò un netto miglioramento finanziario per la famiglia. Gli Heavisides si trasferirono in un alloggio migliore nello stesso quartiere e Oliver fu in grado di frequentare la scuola, dove eccelleva nelle scienze naturali, vincendo una medaglia negli esami del 1865. Ma il suo percorso scolastico doveva terminare l”anno successivo. Il resto della sua formazione intellettuale fu autodidatta, e sembra essere stato un assiduo e avido visitatore delle biblioteche pubbliche. Era particolarmente attratto dalle opere scientifiche, e così approfondì i trattati di Newton e Laplace.

Maturità

Non potendo frequentare l”università, dovette andare a lavorare. Nel 1867 si trasferì a Newcastle, dove iniziò la sua vita lavorativa come telegrafista. Questo orientamento, così decisivo per la sua carriera successiva, fu il risultato di circostanze familiari. Una sorella maggiore di sua madre, Emma West, aveva sposato Charles Wheatstone, co-inventore di un sistema telegrafico con W. F. Cooke, che lo rese ricco e potente. Un fratello maggiore di Oliver, Arthur W. Heaviside, divenne l”assistente dello zio, poi andò a dirigere la compagnia telegrafica locale a Newcastle; finì per occupare un posto importante nell”ufficio postale. Oliver, da parte sua, iniziò come assistente di suo fratello e nell”autunno del 1868 fu assegnato alla gestione del nuovo cavo sottomarino posato tra Newcastle e la Danimarca, prima come operatore e poi come elettricista, il nome allora dato agli specialisti nella più nuova e interessante di tutta l”ingegneria elettrica. Gli anni seguenti furono trascorsi da Oliver nelle officine e a bordo delle navi incaricate della manutenzione della linea, luoghi privilegiati dove si sperimentavano e si analizzavano tutti gli aspetti dei nuovi fenomeni e problemi che sorgevano continuamente. Durante questo periodo continuò a studiare la fisica da solo, sia teoricamente che sperimentalmente.

Nel maggio 1874 lasciò il suo lavoro a Newcastle e tornò a casa dei suoi genitori a Londra, sia per motivi di salute (soffriva di una sorta di crisi pseudo-epilettica) sia per il desiderio di dedicarsi esclusivamente allo studio e alla ricerca. Non ha mai più avuto un lavoro regolarmente retribuito, a meno che non si consideri tale il lavoro sporadico di editorialista, che gli dava un misero guadagno. Rifiutò tutte le opportunità di lavoro che suo fratello e altri gli offrivano, scegliendo uno stile di vita estremamente austero in cambio di una totale libertà per la sua ricerca. “Sono nato filosofo naturale, non un ingegnere inquieto o un ”uomo pratico” nel senso mercantile”, si caratterizzò alla fine della sua vita. Molti dei suoi contributi teorici ebbero importanti applicazioni pratiche, ma non cercò mai di trarne un ritorno economico (probabilmente seguendo le orme di Faraday, uno dei suoi idoli), nonostante il furore inventivo e i conseguenti brevetti dell”epoca, compreso il vicino esempio di suo zio Wheatstone.

Ultimi anni

Dopo il 1900 l”attività scientifica di Heaviside diminuì sensibilmente in quantità e qualità, cessando praticamente nel 1906, anche se il suo ultimo libro fu pubblicato nel 1912. Una delle cause principali erano i problemi causati dalla sua persistente cattiva salute.

Oliver e i suoi genitori andarono a vivere nel settembre 1889 con suo fratello Charles, che aveva un negozio di strumenti musicali a Paington, nel Devonshire, seguendo un”altra delle linee operative della famiglia iniziata da Wheatstone, che aveva anche inventato la concertina. Dopo la morte dei suoi genitori nel 1894 e nel 1896, Oliver si trasferì nel 1897 in una casa indipendente nella campagna vicino a Newton Abbot e non lontano da Paington, ma l”esperienza non fu molto soddisfacente e nel 1908 tornò a vivere come inquilino a Torquay, dove morì nel 1925, dopo aver condotto una vita sempre più solitaria ed eccentrica.

Onorificenze e distinzioni

Nonostante la sua vita eremitica, il lavoro pubblicato da Heaviside e le attività dei suoi influenti amici gli portarono un grande riconoscimento, anche se lui non sembrava apprezzarlo. Di particolare rilievo sono i seguenti:

Gli sforzi e gli sforzi di J. Perry, G. F. FitzGerald, O. Lodge e altri amici riuscirono ad assicurare a Heaviside una pensione ufficiale di 120 sterline all”anno nel 1896 (portata a 220 sterline nel 1914), che alla fine accettò, avendo due anni prima rifiutato un altro sussidio dello Scientific Relief Fund della Royal Society, amministrato allo stesso modo, con la motivazione che era “carità”.

Inizi

Il suo primo articolo pubblicato risale al luglio 1872 ed è apparso sull”English Mechanic con la firma “O.”; si trattava di un metodo di confronto delle forze elettromotrici scoperto da Heaviside nel 1870. Nel febbraio 1873 pubblicò il suo primo articolo nel Philosophical Magazine, la più importante rivista di fisica dell”epoca. Questa volta si trattava dell”ottimizzazione del ponte di Wheatstone, uno strumento di misura ben noto nella pratica dei telegrafisti e dei fisici, ma che fino ad allora non aveva trovato un trattamento matematico rigoroso. Questo articolo lo portò all”attenzione delle più importanti personalità scientifiche dell”epoca, come Lord Kelvin e Maxwell. Molti dei tratti intellettuali di Heaviside sono già presenti in questo lavoro, compreso quello fondamentale di applicare potenti metodi matematici alla soluzione di problemi pratici (anche Kelvin apparentemente trovava difficile la sua algebra).

Nei successivi quarant”anni Heaviside produsse un flusso ininterrotto di articoli, che apparvero principalmente in periodici come The Electrician, Philosophical Magazine e Nature, per un totale di più di tremila dense pagine. Questi contributi sono stati poi pubblicati regolarmente in forma di libro, costituendo le opere elencate nella bibliografia.

Teoria della linea di trasmissione del segnale

L”argomento fondamentale delle prime ricerche di Heaviside fu la propagazione dei segnali sulle linee telegrafiche, in particolare la distorsione che subivano quando passavano su linee di cavi sotterranei o sottomarini. Il fenomeno era diventato di attualità nel 1853 quando Latimer Clark lo osservò per la prima volta sulla linea anglo-olandese, portandolo all”attenzione di Faraday, che lo studiò e lo considerò una prova delle sue idee sul campo elettromagnetico, in particolare gli “effetti trasversali delle correnti” (Experimental Researches in Electricity, vol. III, p. 508). Tutto ciò ha messo in discussione la fattibilità stessa del progettato cavo transatlantico, che prima era inaudito nella sua lunghezza. Nel 1855, Lord Kelvin sviluppò una teoria del telegrafo elettrico in cui combinò le idee di Faraday con le equazioni di Fourier sulla diffusione del calore in un corpo solido, arrivando alla conclusione che il ritardo dei segnali era dovuto alla combinazione della resistenza e della capacità del cavo, che aumentava con il quadrato della lunghezza del cavo. Questo era un fenomeno inevitabile, che limitava la velocità di trasmissione, ma che poteva essere superato se si prestava la dovuta attenzione sia alle caratteristiche elettriche dei cavi che all”uso di apparecchi molto speciali per la trasmissione e la ricezione, insieme a tecniche di trasmissione accuratamente selezionate. Ma queste considerazioni non furono inizialmente accettate senza riserve (come lo saranno in seguito) e il cavo fu posato nel 1858. Il suo funzionamento iniziale fu deludente, tuttavia, e divenne inutilizzabile dopo appena un mese di servizio, servendo solo a dimostrare la correttezza delle idee di Kelvin, ed egli fu lasciato a progettare e far funzionare una nuova linea, completata nel 1866, che fu un successo.

Heaviside applicò la teoria di Kelvin alle sue esperienze con il cavo anglo-danese e pubblicò una serie di articoli su di essa tra il 1874 e il 1889, in seguito ai quali fu estesa per includere due nuovi fattori non presi in considerazione in precedenza: le perdite di linea (che Heaviside, per niente parsimonioso quando si tratta di creare neologismi, chiamò leakance, che sarà tradotto come fugance o perditance) e soprattutto l”autoinduzione. Così completò e rettificò la teoria iniziale, formulando quella che fu conosciuta per molto tempo come “equazione di Heaviside” o “equazione del telegrafista”, che dà il valore istantaneo della tensione (v) in qualsiasi punto (x) della linea in funzione delle sue caratteristiche elettriche resistenza (k), capacità (c) e induttanza (s):

Quando si tiene conto dell”autoinduzione, la corrente elettrica non si diffonde più semplicemente lungo la linea, come nel concetto precedente, ma provoca una serie di oscillazioni iniziali fino a raggiungere uno stato stazionario. La propagazione del segnale, anche via cavo, era quindi definitivamente legata alle onde elettromagnetiche.

Nel 1887 Heaviside formulò l”idea che fosse possibile combinare i parametri elettrici di una linea di trasmissione del segnale in modo tale da eliminare ogni distorsione, cioè che, sebbene l”intero segnale fosse attenuato, tutte le frequenze che lo compongono fossero attenuate nella stessa proporzione. Questo era essenziale per le nuove comunicazioni telefoniche, ancor più che per quelle telegrafiche. Numerosi brevetti furono presi su questa base da altri (come Silvanus P. Thompson, J. S. Stone e A. K. Erlang), ma la sua implementazione richiese un considerevole sforzo aggiuntivo e non fu realizzata con successo fino ai contributi di G. A. Campbell e Michael I. Pupin intorno al 1900 (con chiamate di J. S. Stone e A. K. Erlang). Pupin intorno al 1900 (con le cosiddette “bobine di carico”).

Anche se Gustav Kirchhoff aveva incluso l”autoinduzione nella teoria delle linee lunghe già nel 1857, la sua proposta non ebbe alcun impatto. Heaviside ne divenne invece l”apostolo. “L”autoinduzione è la salvezza” diceva nel 1897 (e ancora nel 1904: “Se l”amore è ciò che muove il mondo, l”autoinduzione è ciò che muove le onde attraverso di esso”. (Teoria elettromagnetica, vol. 3, p. 194). Questa posizione si scontrava con quella dell”ingegnere W. H. Preece, che divenne il capo supremo del servizio telegrafico e telefonico britannico (Post Office), che sosteneva la visione primitiva che l”autoinduzione era sempre dannosa su una linea di comunicazione e doveva essere minimizzata. Il confronto durò fino alla morte di Preece e costò a Heaviside non poco dolore.

Maxwellianesimo

La prima edizione del Trattato di Elettricità e Magnetismo di Maxwell fu pubblicata nel 1873, e Heaviside lo studiò immediatamente, rimanendo profondamente colpito dal suo contenuto, anche se inizialmente non ne comprese la novità (come la maggior parte dei lettori contemporanei), soprattutto per quanto riguardava le onde elettromagnetiche e la loro propagazione attraverso il mezzo (l”etere come dielettrico). L”apparato matematico utilizzato, basato sui quaternioni, era anche al di là delle sue capacità dell”epoca. Dedicò quindi diversi anni al suo studio approfondito e nel 1876 cominciò a citarlo nelle sue proprie opere. La morte prematura di Maxwell nel 1879 fu un cambiamento radicale delle circostanze, poiché non ci si poteva più aspettare che il maestro contribuisse a una teoria che aveva un gran bisogno di contributi e di essere fatta conoscere al pubblico. Heaviside si è assunto questo compito e, per sua stessa ammissione, ha iniziato consapevolmente a portarlo a termine già nel 1882. Ma non si limitò a ripetere il contenuto del Trattato come un “testo sacro” (J. J. Thomson arrivò a definire Heaviside un “apostata maxwelliano”), ma lo rielaborò, lo raffinò e lo ampliò, dando vita a quella che la scienza di oggi conosce come la teoria di Maxwell. Oggi si parla spesso di “le quattro equazioni di Maxwell”, ma vale la pena sapere che il vero numero di equazioni contenute nel trattato è tredici. La sintesi finale e il chiarimento teorico rappresentato dalle quattro equazioni si deve al lavoro, prima indipendente e poi congiunto, di Heaviside e Hertz.

Nella sua appropriazione, rielaborazione e diffusione della teoria maxwelliana, Heaviside ebbe la collaborazione decisiva di altri fisici inglesi, che sono stati chiamati “i maxwelliani”, principalmente G. F. FitzGerald e O. Lodge nei primi anni, poi raggiunti da J. Larmor, anche se il rapporto di Heaviside con quest”ultimo fu meno armonioso che con gli altri.

Nonostante il suo coinvolgimento in essa, Heaviside non considerava la teoria maxwelliana completa o con l”ultima parola. Non considerava nemmeno gli esperimenti di Hertz del 1886-1888 come prova irrefutabile della sua correttezza. I problemi posti dal moto dell”etere e il suo stesso concetto erano lì a dimostrarlo, e un”ulteriore complicazione fu il crescente ruolo teorico dell”elettrone negli ultimi anni del XIX secolo, insieme alle sue conferme sperimentali, che obbligarono una modifica dei concetti maxwelliani di carica e corrente. Heaviside fu attivo nell”estendere le equazioni di campo alle cariche mobili (elettroni) e fornì alcune delle prime soluzioni complete.

Strumenti matematici

La rappresentazione simbolica di quantità fisiche dotate di orientamento fu un processo di lento consolidamento, che si realizzò durante tutto il XIX secolo, a partire dai numeri complessi, applicabili al piano. La loro generalizzazione allo spazio era naturalmente ancora più difficile. Tale era lo scopo della teoria dei quaternioni di W. R. Hamilton. Nello studio dell”elettromagnetismo è essenziale avere una notazione concisa ed efficiente per gestire i vettori spaziali, e Maxwell aveva usato i quaternioni, ma spesso in una forma semplificata. Per gli scopi pedagogici e sistematici di Heaviside questo non era sufficiente, così elaborò l”analisi vettoriale come un”algebra indipendente, formulata in quella che è ancora la sua forma attuale nel capitolo III della teoria elettromagnetica. Questo contiene anche le ragioni del suo rifiuto della teoria quaternionica, un argomento sul quale ebbe accese controversie con P. G. Tait, il suo principale espositore e difensore, fino alla fine della sua carriera. In ogni caso, il calcolo vettoriale era praticamente sconosciuto agli ingegneri e ai fisici del suo tempo (Heaviside dovette insegnarlo a Hertz), il che contribuì a rendere gli scritti di Heaviside difficili da capire, nonostante i suoi strenui sforzi pedagogici, al punto che il suo amico Lodge li descrisse non solo come difficili, ma addirittura come “eccentrici e per certi aspetti repellenti”.

Fu anche uno dei creatori del calcolo per mezzo di operatori, il calcolo operativo o calcolo operativo, così utile più tardi in ingegneria, al cui sviluppo ed esposizione dedicò buona parte della sua attività dal 1894 al 1898, raccolta nel secondo volume della teoria elettromagnetica. Anche se il metodo non si è diffuso fino a dopo la sua morte, è stato considerato uno dei tre grandi progressi matematici dell”ultimo quarto del XIX secolo.

Heaviside concepiva la matematica come una scienza sperimentale e disprezzava i “matematici puri” accademici. La sua matematica non si occupava di dimostrazioni o teoremi di esistenza, ma di risolvere problemi fisici, le cui relazioni funzionali sono semplici e non richiedono l”analisi esaustiva di tutte le possibilità astratte. Inutile dire che l”opinione di lui e dei suoi metodi tra i matematici professionisti non era molto buona.

Fonti