Oliver Heaviside
gigatos | diciembre 29, 2021
Resumen
Oliver Heaviside FRS (18 de mayo de 1850 – 3 de febrero de 1925) fue un matemático y físico inglés que introdujo los números complejos en el análisis de circuitos, inventó una nueva técnica para resolver ecuaciones diferenciales (equivalente a la transformada de Laplace), desarrolló de forma independiente el cálculo vectorial y reescribió las ecuaciones de Maxwell en la forma que se utiliza hoy en día. En las décadas que siguieron a la muerte de Maxwell, su trabajo influyó significativamente en la forma de entender y aplicar las ecuaciones de Maxwell. Su formulación de las ecuaciones del telegrafista adquirió importancia comercial durante su propia vida, después de que su importancia pasara desapercibida durante mucho tiempo, ya que pocos conocían entonces su novedosa metodología. Aunque estuvo en desacuerdo con el establishment científico durante la mayor parte de su vida, Heaviside cambió la cara de las telecomunicaciones, las matemáticas y la ciencia.
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Primeros años de vida
Heaviside nació en Camden Town, Londres, en el número 55 de Kings Street: 13 (ahora Plender Street), el menor de los tres hijos de Thomas, dibujante y grabador de madera, y Rachel Elizabeth (de soltera West). Era un niño bajito y pelirrojo, y de joven sufrió escarlatina, lo que le dejó una discapacidad auditiva. Un pequeño legado permitió a la familia trasladarse a una zona mejor de Camden cuando tenía trece años y fue enviado a la Camden House Grammar School. Fue un buen estudiante, quedando en quinto lugar entre quinientos alumnos en 1865, pero sus padres no pudieron mantenerlo en la escuela después de los 16 años, por lo que siguió estudiando durante un año por su cuenta y no tuvo más educación formal.: 51
El tío matrimonial de Heaviside era Sir Charles Wheatstone (1802-1875), un célebre experto en telegrafía y electromagnetismo, y coinventor original del primer telégrafo de éxito comercial a mediados de la década de 1830. Wheatstone se interesó mucho por la educación de su sobrino y, en 1867, lo envió al norte a trabajar con su propio hermano mayor, Arthur, que dirigía una de las empresas de telegrafía de Wheatstone en Newcastle-upon-Tyne: 53
Dos años más tarde, aceptó un trabajo como operador de telégrafo en la compañía danesa Great Northern Telegraph Company, que tendía un cable de Newcastle a Dinamarca utilizando contratistas británicos. Pronto se convirtió en electricista. Heaviside siguió estudiando mientras trabajaba, y a los 22 años publicó un artículo en la prestigiosa revista Philosophical Magazine sobre «La mejor disposición del puente de Wheatstone para medir una resistencia dada con un galvanómetro y una batería dados», que recibió comentarios positivos de físicos que habían intentado sin éxito resolver este problema algebraico, entre ellos Sir William Thomson, a quien entregó una copia del artículo, y James Clerk Maxwell. Cuando publicó un artículo sobre el método dúplex para utilizar un cable telegráfico, se burló de R. S. Culley, el ingeniero jefe del sistema de telegrafía de la Oficina de Correos, que había descartado el dúplex por considerarlo poco práctico. Más tarde, en 1873, su solicitud de ingreso en la Sociedad de Ingenieros Telegráficos fue rechazada con el comentario de que «no querían empleados de telégrafos». Esto enfureció a Heaviside, que pidió a Thomson que le apadrinara, y junto con el apoyo del presidente de la sociedad fue admitido «a pesar de los snobs de la O.P.»: 60
En 1873, Heaviside se encontró con el recién publicado, y más tarde famoso, Tratado de Electricidad y Magnetismo de Maxwell en dos volúmenes. En su vejez, Heaviside recordaba:
Recuerdo mi primera mirada al gran tratado de Maxwell cuando era joven… Vi que era grande, mayor y más grande, con prodigiosas posibilidades en su poder… Estaba decidido a dominar el libro y me puse a trabajar. Yo era muy ignorante. No tenía conocimientos de análisis matemático (sólo había aprendido álgebra escolar y trigonometría, que había olvidado en gran medida) y así se me planteó el trabajo. Tardé varios años en entender todo lo que podía. Luego dejé de lado a Maxwell y seguí mi propio curso. Y progresé mucho más rápidamente… Se entenderá que predico el evangelio según mi interpretación de Maxwell.
Investigando desde su casa, ayudó a desarrollar la teoría de las líneas de transmisión (también conocida como las «ecuaciones del telegrafista»). Heaviside demostró matemáticamente que la inductancia distribuida uniformemente en una línea telegráfica disminuiría tanto la atenuación como la distorsión, y que, si la inductancia era lo suficientemente grande y la resistencia de aislamiento no demasiado alta, el circuito no tendría distorsión, ya que las corrientes de todas las frecuencias tendrían la misma velocidad de propagación. Las ecuaciones de Heaviside contribuyeron a la implantación del telégrafo.
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Años intermedios
De 1882 a 1902, excepto durante tres años, contribuyó con artículos regulares al periódico comercial The Electrician, que deseaba mejorar su posición, por lo que le pagaban 40 libras al año. Esto apenas era suficiente para vivir, pero sus exigencias eran muy pequeñas y hacía lo que más le apetecía. Entre 1883 y 1887, estos artículos fueron un promedio de 2-3 artículos por mes y estos artículos más tarde formaron la mayor parte de su Teoría Electromagnética y Papeles Eléctricos: 71
En 1880, Heaviside investigó el efecto piel en las líneas de transmisión telegráfica. Ese mismo año patentó en Inglaterra el cable coaxial. En 1884 reformuló el análisis matemático de Maxwell desde su engorrosa forma original (ya se habían reformulado como cuaterniones) a su moderna terminología vectorial, reduciendo así doce de las veinte ecuaciones originales en veinte incógnitas a las cuatro ecuaciones diferenciales en dos incógnitas que ahora conocemos como ecuaciones de Maxwell. Las cuatro ecuaciones de Maxwell reformuladas describen la naturaleza de las cargas eléctricas (tanto estáticas como en movimiento), los campos magnéticos y la relación entre ambos, es decir, los campos electromagnéticos.
Entre 1880 y 1887, Heaviside desarrolló el cálculo operacional utilizando p{displaystyle p} para el operador diferencial, (que Boole había denotado previamente por D{displaystyle D}), dando un método para resolver ecuaciones diferenciales por solución directa como ecuaciones algebraicas. Esto causó posteriormente una gran controversia, debido a su falta de rigor. Es famosa su frase: «Las matemáticas son una ciencia experimental, y las definiciones no vienen primero, sino después. Se hacen solas, cuando la naturaleza del tema se ha desarrollado por sí misma». En otra ocasión preguntó algo más a la defensiva: «¿Debo rechazar mi cena porque no entiendo bien el proceso de la digestión?».
En 1887, Heaviside trabajó con su hermano Arthur en un documento titulado «El sistema de puente de la telefonía». Sin embargo, el documento fue bloqueado por el superior de Arthur, William Henry Preece, de la Oficina de Correos, porque parte de la propuesta consistía en añadir bobinas de carga (inductores) a las líneas telefónicas y telegráficas para aumentar su autoinducción y corregir la distorsión que sufrían. Preece había declarado recientemente que la autoinducción era el gran enemigo de la transmisión clara. Heaviside también estaba convencido de que Preece estaba detrás del despido del editor de The Electrician, que interrumpió su larga serie de artículos (hasta 1891). Había una larga historia de animosidad entre Preece y Heaviside. Heaviside consideraba a Preece como un incompetente matemático, una valoración apoyada por el biógrafo Paul J. Nahin: «Preece era un poderoso funcionario del gobierno, enormemente ambicioso y, en algunos aspectos notables, un completo imbécil». Las motivaciones de Preece para suprimir el trabajo de Heaviside tenían más que ver con la protección de la propia reputación de Preece y con evitar tener que admitir un error que con cualquier fallo percibido en el trabajo de Heaviside: xi-xvii, 162-183
La importancia del trabajo de Heaviside permaneció sin descubrir durante algún tiempo después de su publicación en The Electrician, por lo que sus derechos eran de dominio público. En 1897, AT&T contrató a uno de sus propios científicos, George A. Campbell, y a un investigador externo, Michael I. Pupin, para encontrar algún aspecto en el que el trabajo de Heaviside estuviera incompleto o fuera incorrecto. Campbell y Pupin ampliaron el trabajo de Heaviside, y AT&T solicitó patentes que cubrían no sólo su investigación, sino también el método técnico de construcción de las bobinas previamente inventado por Heaviside. Posteriormente, AT&T ofreció a Heaviside dinero a cambio de sus derechos; es posible que el respeto de los ingenieros de Bell por Heaviside influyera en esta oferta. Sin embargo, Heaviside rechazó la oferta, negándose a aceptar dinero alguno a menos que la empresa le diera pleno reconocimiento. Heaviside era crónicamente pobre, lo que hace que su rechazo a la oferta sea aún más sorprendente.
Pero este contratiempo tuvo el efecto de dirigir la atención de Heaviside hacia la radiación electromagnética, y en dos artículos de 1888 y 1889, calculó las deformaciones de los campos eléctricos y magnéticos que rodean a una carga en movimiento, así como los efectos de su entrada en un medio más denso. Esto incluía una predicción de lo que ahora se conoce como radiación de Cherenkov, e inspiró a su amigo George FitzGerald a sugerir lo que ahora se conoce como la contracción de Lorentz-FitzGerald.
En 1889, Heaviside publicó por primera vez una derivación correcta de la fuerza magnética sobre una partícula cargada en movimiento, que es la componente magnética de lo que ahora se llama la fuerza de Lorentz.
A finales de la década de 1880 y principios de 1890, Heaviside trabajó en el concepto de masa electromagnética. Heaviside la trató como una masa material, capaz de producir los mismos efectos. Wilhelm Wien verificó posteriormente la expresión de Heaviside (para velocidades bajas).
En 1891, la Royal Society británica reconoció las contribuciones de Heaviside a la descripción matemática de los fenómenos electromagnéticos nombrándole miembro de la Royal Society, y al año siguiente dedicó más de cincuenta páginas de las Philosophical Transactions de la Sociedad a sus métodos vectoriales y a la teoría electromagnética. En 1905, Heaviside fue nombrado doctor honoris causa por la Universidad de Gotinga.
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Años posteriores y opiniones
En 1896, FitzGerald y John Perry obtuvieron una pensión de la lista civil de 120 libras al año para Heaviside, que ahora vivía en Devon, y le convencieron de que la aceptara, después de que hubiera rechazado otras ofertas benéficas de la Royal Society.
En 1902, Heaviside propuso la existencia de lo que hoy se conoce como la capa Kennelly-Heaviside de la ionosfera. La propuesta de Heaviside incluía los medios por los que las señales de radio se transmiten alrededor de la curvatura de la Tierra. La existencia de la ionosfera se confirmó en 1923. Las predicciones de Heaviside, combinadas con la teoría de la radiación de Planck, probablemente desaconsejaron nuevos intentos de detectar las ondas de radio procedentes del Sol y otros objetos astronómicos. Por la razón que sea, parece que no hubo intentos durante 30 años, hasta el desarrollo de la radioastronomía por parte de Jansky en 1932.
Heaviside se opuso a la teoría de la relatividad de Albert Einstein. El matemático Howard Eves ha comentado que Heaviside «fue el único físico de primer orden de la época que impugnó a Einstein, y sus invectivas contra la teoría de la relatividad a menudo rozaban el absurdo».
En los últimos años su comportamiento se volvió bastante excéntrico. Según su socio B.A. Behrend, se convirtió en un recluso que tenía tanta aversión a conocer gente que entregaba los manuscritos de sus trabajos sobre Electricidad a una tienda de comestibles, donde los editores los recogían.Aunque había sido un activo ciclista en su juventud, su salud decayó gravemente en su sexta década. Durante este tiempo, Heaviside firmaba las cartas con las iniciales «W.O.R.M.» después de su nombre. Al parecer, Heaviside también empezó a pintarse las uñas de color rosa y mandó trasladar bloques de granito a su casa para amueblarla: xx En 1922, se convirtió en el primer galardonado con la Medalla Faraday, que se creó ese año.
En cuanto a las opiniones religiosas de Heaviside, era unitario, pero no religioso. Incluso se dice que se burlaba de las personas que depositaban su fe en un ser supremo.
Heaviside murió el 3 de febrero de 1925 en Torquay, Devon, tras caerse de una escalera, y está enterrado cerca de la esquina oriental del cementerio de Paignton. Está enterrado con su padre, Thomas Heaviside (1813-1896), y su madre, Rachel Elizabeth Heaviside. La lápida se limpió gracias a un donante anónimo en algún momento de 2005. La mayoría de los ingenieros eléctricos siempre le tuvieron en alta estima, sobre todo después de que se reivindicara su corrección del análisis de las líneas de transmisión de Kelvin, pero la mayor parte de su reconocimiento más amplio lo obtuvo a título póstumo.
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Proyecto conmemorativo de Heaviside
En julio de 2014, académicos de la Universidad de Newcastle (Reino Unido) y el Grupo de Interés Electromagnético de Newcastle fundaron el Proyecto Conmemorativo de Heaviside en un intento de restaurar completamente el monumento mediante suscripción pública. El 30 de agosto de 2014, Alan Heather, pariente lejano de Heaviside, inauguró el monumento restaurado. A la inauguración asistieron el alcalde de Torbay, el diputado de Torbay, un antiguo conservador del Museo de la Ciencia (en representación de la Institución de Ingeniería y Tecnología), el presidente de la Sociedad Cívica de Torbay y delegados de la Universidad de Newcastle.
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Colección Heaviside 1872-1923
En el Centro de Archivos de la Institución de Ingeniería y Tecnología (IET) se conserva una colección de cuadernos, papeles, correspondencia, notas y folletos anotados de Heaviside sobre telegrafía.
Heaviside hizo mucho por desarrollar y defender los métodos vectoriales y el cálculo vectorial. La formulación del electromagnetismo de Maxwell constaba de 20 ecuaciones en 20 variables. Heaviside empleó los operadores de rizo y divergencia del cálculo vectorial para reformular 12 de estas 20 ecuaciones en cuatro ecuaciones en cuatro variables (B,E,J y ρ {{textbf {B}},{{textbf {E}},{{textbf {J}}~{text{y}~ ho }}, la forma por la que se conocen desde entonces (ver ecuaciones de Maxwell). Menos conocido es que las ecuaciones de Heaviside y las de Maxwell no son exactamente iguales, y de hecho es más fácil modificar las primeras para hacerlas compatibles con la física cuántica. La posibilidad de las ondas gravitacionales también fue discutida por Heaviside utilizando la analogía entre la ley del cuadrado inverso en la gravitación y la electricidad. Con la multiplicación de cuaterniones, el cuadrado de un vector es una cantidad negativa, para disgusto de Heaviside. Como defendía la abolición de esta negatividad, C. J. Joly le atribuye el desarrollo de los cuaterniones hiperbólicos, aunque en realidad esa estructura matemática fue en gran medida obra de Alexander Macfarlane.
Inventó la función escalonada de Heaviside, utilizándola para calcular la corriente cuando se enciende un circuito eléctrico. Fue el primero en utilizar la función de impulso unitaria que ahora se conoce como función delta de Dirac. Inventó su método de cálculo operacional para resolver ecuaciones diferenciales lineales. Se parece al método de la transformada de Laplace que se utiliza actualmente y que se basa en la «integral de Bromwich», llamada así por Bromwich, que ideó una justificación matemática rigurosa para el método del operador de Heaviside utilizando la integración de contornos. Heaviside conocía el método de la transformada de Laplace, pero consideraba que su propio método era más directo.
Heaviside desarrolló la teoría de la línea de transmisión (también conocida como las «ecuaciones del telegrafista»), que tuvo el efecto de multiplicar por diez la velocidad de transmisión por los cables transatlánticos. Al principio se tardaba diez minutos en transmitir cada carácter, y esto mejoró inmediatamente a un carácter por minuto. En estrecha relación con esto, descubrió que la transmisión telefónica podía mejorarse en gran medida colocando una inductancia eléctrica en serie con el cable. Heaviside también descubrió de forma independiente el vector de Poynting.: 116-118
Heaviside propuso la idea de que la atmósfera superior de la Tierra contenía una capa ionizada conocida como ionosfera; en este sentido, predijo la existencia de lo que posteriormente se denominó la capa Kennelly-Heaviside. En 1947, Edward Victor Appleton recibió el Premio Nobel de Física por demostrar que esta capa existía realmente.
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Términos electromagnéticos
Heaviside acuñó los siguientes términos del arte de la teoría electromagnética:
A veces se atribuye a Heaviside la acuñación de la susceptancia (la parte imaginaria de la admitancia, recíproca de la reactancia), pero en realidad se debe a Charles Proteus Steinmetz.
Fuentes
