Oliver Heaviside FRS [1] ( / ˈ h ɛ v i s aɪ d / ; 18 de mayo de 1850 - 3 de febrero de 1925) fue un matemático y físico autodidacta inglés que 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 comúnmente utilizada en la actualidad. Dio forma significativa a la forma en que se entienden y aplican las ecuaciones de Maxwell en las décadas posteriores a la muerte de Maxwell. Su formulación de las ecuaciones del telégrafo adquirió importancia comercial durante su propia vida, después de que su significado pasó desapercibido durante mucho tiempo, ya que pocos otros estaban versados en ese momento en su novedosa metodología. [2] Aunque estuvo en desacuerdo con el establishment científico durante la mayor parte de su vida, Heaviside cambió la faz de las telecomunicaciones, las matemáticas y la ciencia. [2]
Heaviside nació en Camden Town , Londres, en 55 Kings Street [3] : 13 (ahora Plender Street), el menor de tres hijos de Thomas, dibujante y grabador de madera, y Rachel Elizabeth (de soltera West). Era un niño bajo y pelirrojo, y sufrió de escarlatina cuando era joven, lo que le dejó con una discapacidad auditiva. Un pequeño legado permitió a la familia mudarse a una mejor parte de Camden cuando él tenía trece años y fue enviado a la escuela primaria Camden House. Era un buen estudiante, ocupando el quinto lugar entre quinientos estudiantes en 1865, pero sus padres no pudieron mantenerlo en la escuela después de los 16 años, por lo que continuó estudiando durante un año solo y no tuvo más educación formal. [4] : 51
El tío político de Heaviside era Sir Charles Wheatstone (1802-1875), un experto en telegrafía y electromagnetismo de renombre internacional, y co-inventor original del primer telégrafo comercialmente exitoso a mediados de la década de 1830. Wheatstone se interesó mucho en la educación de su sobrino [5] y en 1867 lo envió al norte a trabajar con su hermano mayor Arthur Wheatstone, quien dirigía una de las compañías de telégrafos de Charles en Newcastle-upon-Tyne . [4] : 53
Dos años más tarde, aceptó un trabajo como operador de telégrafos en la Danish Great Northern Telegraph Company , tendiendo un cable desde Newcastle a Dinamarca utilizando contratistas británicos. Pronto se convirtió en electricista. Heaviside continuó estudiando mientras trabajaba, y a la edad de 22 años publicó un artículo en la prestigiosa revista Philosophical sobre 'La mejor disposición del puente de Wheatstone para medir una resistencia dada con un galvanómetro y una batería dados' [6] que recibió comentarios positivos de físicos que habían intentado sin éxito resolver este problema algebraico, entre ellos Sir William Thomson , a quien le dio una copia del artículo, y James Clerk Maxwell . Cuando publicó un artículo sobre el método dúplex para utilizar un cable telegráfico, [7] se burló de RS Culley, el ingeniero jefe del sistema de telégrafos de la Oficina de Correos , que había estado descartando el dúplex por considerarlo poco práctico. Más tarde, en 1873, su solicitud para unirse a la Sociedad de Ingenieros Telegráficos fue rechazada con el comentario de que "no querían empleados de telégrafos". Esto irritó a Heaviside, quien le pidió a Thomson que lo patrocinara y, junto con el apoyo del presidente de la sociedad, fue admitido "a pesar de los snobs del PO". [4] : 60
En 1873, Heaviside se había topado con el Tratado sobre electricidad y magnetismo , en dos volúmenes, recién publicado y más tarde famoso de Maxwell . En su vejez, Heaviside recordó:
Recuerdo mi primera mirada al gran tratado de Maxwell cuando era joven... Vi que era grandioso, mayor y más grande, con posibilidades prodigiosas en su poder... Estaba decidido a dominar el libro y me dispuse a trabajar. Yo era muy ignorante. No tenía conocimientos de análisis matemático (había aprendido sólo álgebra y trigonometría en la escuela, que había olvidado en gran medida) y, por lo tanto, mi trabajo estaba preparado para mí. Me tomó varios años antes de que pudiera entender todo lo que podía. Luego dejé a Maxwell a un lado y seguí mi propio rumbo. Y progresé mucho más rápidamente... Se entenderá que predico el evangelio según mi interpretación de Maxwell. [8]
Al realizar investigaciones desde casa, ayudó a desarrollar la teoría de las líneas de transmisión (también conocida como las " ecuaciones del telégrafo "). Heaviside demostró matemáticamente que la inductancia distribuida uniformemente en una línea telegráfica disminuiría tanto la atenuación como la distorsión y que, si la inductancia fuera lo suficientemente grande y la resistencia del aislamiento no demasiado alta, el circuito no tendría distorsión en el sentido de que las corrientes de todas las frecuencias tendrían velocidades iguales. de propagación. [9] Las ecuaciones de Heaviside ayudaron a promover la implementación del telégrafo.
De 1882 a 1902, excepto durante tres años, contribuyó con artículos regulares al periódico comercial The Electrician , que deseaba mejorar su reputación, por lo que le pagaban 40 libras esterlinas al año. Esto no era suficiente para vivir, pero sus exigencias eran muy pequeñas y hacía lo que más quería. Entre 1883 y 1887, estos promediaron entre 2 y 3 artículos por mes y estos artículos formaron más tarde la mayor parte de sus artículos sobre teoría electromagnética y electricidad . [4] : 71
En 1880, Heaviside investigó el efecto piel en 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 habían sido reformulados como cuaterniones ) a su moderna terminología vectorial , reduciendo así doce de las veinte ecuaciones originales con veinte incógnitas a las cuatro ecuaciones diferenciales con dos incógnitas que ahora conocemos. como las 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 para el operador diferencial , (que Boole había denotado previamente como [10] ), dando un método para resolver ecuaciones diferenciales mediante solución directa como ecuaciones algebraicas . Esto luego causó mucha controversia, debido a su falta de rigor . Dijo: "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". [11] En otra ocasión preguntó: "¿Debo rechazar mi cena porque no entiendo completamente el proceso de la digestión?" [12]
En 1887, Heaviside trabajó con su hermano Arthur en un artículo titulado "El sistema puente de 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 era agregar 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 , lo que detuvo su larga serie de artículos (hasta 1891). [13] Hubo una larga historia de animosidad entre Preece y Heaviside. Heaviside consideraba a Preece matemáticamente incompetente, evaluación respaldada por el biógrafo Paul J. Nahin : "Preece era un funcionario gubernamental poderoso, 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 proteger la propia reputación de Preece y evitar tener que admitir errores que con cualquier falla percibida en el trabajo de Heaviside. [3] : xi-xvii, 162-183
La importancia del trabajo de Heaviside permaneció sin descubrirse durante algún tiempo después de su publicación en The Electrician . En 1897, AT&T empleó a uno de sus propios científicos, George A. Campbell , y a un investigador externo, Michael I. Pupin, para encontrar algunos aspectos en los que el trabajo de Heaviside era incompleto o 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 inventadas por Heaviside. Más tarde, AT&T le ofreció dinero a Heaviside a cambio de sus derechos; Es posible que el respeto de los ingenieros de Bell por Heaviside haya influido en esta oferta. Sin embargo, Heaviside rechazó la oferta y se negó a aceptar dinero a menos que la empresa le diera pleno reconocimiento. Heaviside era crónicamente pobre, lo que hacía aún más sorprendente su rechazo de la oferta. En 1959, Norbert Wiener publicó su ficción El tentador y acusó a AT&T (llamada Williams Controls Company ) y a Michael I. Pupin (llamado Diego Domínguez ) de haber usurpado los inventos de Heaviside. [14] [15] [16]
Pero este revés tuvo el efecto de desviar la atención de Heaviside hacia la radiación electromagnética, [17] y en dos artículos de 1888 y 1889, calculó las deformaciones de los campos eléctricos y magnéticos que rodean una carga en movimiento, así como los efectos de su entrada en una atmósfera más densa. medio. Esto incluyó 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, [18] que es el componente magnético de lo que ahora se llama fuerza de Lorentz .
A finales de la década de 1880 y principios de la de 1890, Heaviside trabajó en el concepto de masa electromagnética . Heaviside trató esto como una masa material , capaz de producir los mismos efectos. Wilhelm Wien verificó más tarde la expresión de Heaviside (para bajas velocidades ).
En 1891, la Royal Society británica reconoció las contribuciones de Heaviside a la descripción matemática de los fenómenos electromagnéticos nombrándolo miembro de la Royal Society , y al año siguiente dedicó más de cincuenta páginas de Philosophical Transactions of the Society a sus métodos vectoriales y teoría electromagnética. En 1905, Heaviside recibió un doctorado honorario de la Universidad de Göttingen .
En 1896, FitzGerald y John Perry obtuvieron una pensión civil de 120 libras esterlinas al año para Heaviside, que ahora vivía en Devon, y lo persuadieron para que la aceptara, después de haber rechazado otras ofertas caritativas de la Royal Society. [17]
En 1902, Heaviside propuso la existencia de lo que hoy se conoce como capa Kennelly-Heaviside de la ionosfera . La propuesta de Heaviside incluía medios mediante los cuales se transmiten señales de radio 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 desalentaron nuevos intentos de detectar ondas de radio del Sol y otros objetos astronómicos . Por alguna razón, 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 . [19] El matemático Howard Eves ha comentado que Heaviside "fue el único físico de primer nivel en ese momento que impugnó a Einstein, y sus invectivas contra la teoría de la relatividad a menudo rayaban en lo absurdo". [19]
En años posteriores su comportamiento se volvió bastante excéntrico . Según su asociado BA Behrend, se convirtió en un recluso que tenía tanta aversión a conocer gente que entregaba los manuscritos de sus artículos de Electricista a una tienda de comestibles, donde los redactores los recogían. [20] Aunque había sido un ciclista activo en su juventud, su salud empeoró gravemente en su sexta década. Durante este tiempo, Heaviside firmaría cartas con las iniciales " WORM " después de su nombre. Según los informes, Heaviside también comenzó a pintarse las uñas de rosa y trasladó bloques de granito a su casa como muebles. [3] : xx En 1922, se convirtió en el primer destinatario de la Medalla Faraday , que se estableció ese año.
En cuanto a las opiniones religiosas de Heaviside, era unitario , pero no religioso. Incluso se decía que se burlaba de las personas que tenían fe en un ser supremo. [21]
Heaviside murió el 3 de febrero de 1925 en Torquay, Devon , después de caer de una escalera, [22] y está enterrado cerca de la esquina este 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. [23] La mayoría de los ingenieros eléctricos siempre lo tuvieron en alta estima, particularmente después de que se reivindicara su corrección al análisis de la línea de transmisión de Kelvin , pero la mayor parte de su reconocimiento más amplio se obtuvo después de la muerte.
En julio de 2014, académicos de la Universidad de Newcastle , Reino Unido y el Grupo de Interés Electromagnético de Newcastle fundaron el Proyecto Heaviside Memorial [24] en un intento por restaurar completamente el monumento mediante suscripción pública. [25] [26] El monumento restaurado fue inaugurado ceremonialmente el 30 de agosto de 2014 por Alan Heather, un pariente lejano de Heaviside. A la inauguración asistieron el alcalde de Torbay, el miembro del Parlamento (MP) de Torbay, un ex curador del Museo de Ciencias (en representación de la Institución de Ingeniería y Tecnología ), el presidente de la Sociedad Cívica de Torbay y delegados de Newcastle. Universidad. [27]
Una colección de los artículos de Heaviside se conserva en el Centro de Archivo de la Institución de Ingeniería y Tecnología (IET). [28] La colección consta de cuadernos que contienen ecuaciones y cálculos matemáticos, folletos comentados relacionados principalmente con la telegrafía, notas manuscritas, borradores de artículos, correspondencia y borradores de artículos para 'Teoría electromagnética'. Un tributo en audio de 1950 a Oliver Heaviside realizado por Oliver E Buckley, presidente de Bell Telephone Labs, ha sido digitalizado y accesible en la biografía de Oliver Heaviside en IET Archives. [29]
En 1908, Oliver Heaviside fue nombrado miembro honorario de la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su entrada dice: "1908 Oliver Heaviside FRS" en el Cuadro de Miembros Honorarios y Medallistas de Faraday de la IEE 1871-1921 [30] [31] En 1922, se convirtió en el primer destinatario de la Medalla Faraday , que se estableció ese año. Más tarde, en 1950, el Consejo de la Institución de Ingenieros Eléctricos estableció el premio Heaviside Premium. “El Comité ha considerado el establecimiento de algún tipo de monumento permanente a Oliver Heaviside y, como resultado, recomienda que se otorgue una prima Heaviside por valor de £ 10 cada uno. año por el mejor trabajo matemático aceptado”. [32]
Heaviside hizo mucho para desarrollar y defender los métodos vectoriales y el cálculo vectorial . [33] La formulación del electromagnetismo de Maxwell constaba de 20 ecuaciones en 20 variables. Heaviside empleó los operadores de curvatura y divergencia del cálculo vectorial para reformular 12 de estas 20 ecuaciones en cuatro ecuaciones con cuatro variables ( ), la forma en que se conocen desde entonces (ver las 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. [34] Heaviside también discutió la posibilidad de ondas gravitacionales utilizando la analogía entre la ley del cuadrado inverso en la gravitación y la electricidad. [35] 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, CJ Joly [36] le atribuye el desarrollo de cuaterniones hiperbólicos , aunque en realidad esa estructura matemática fue en gran parte obra de Alexander Macfarlane .
Inventó la función escalonada de Heaviside , usándola para calcular la corriente cuando se enciende un circuito eléctrico . Fue el primero en utilizar la función de impulso unitario ahora conocida habitualmente como función delta de Dirac . [37] Inventó su método de cálculo operacional para resolver ecuaciones diferenciales lineales . Esto se parece al método de transformada de Laplace utilizado actualmente, basado en la " integral de Bromwich ", que lleva el nombre de Bromwich , quien ideó una justificación matemática rigurosa para el método del operador de Heaviside utilizando la integración de contornos. [38] Heaviside estaba familiarizado con el método de la transformada de Laplace, pero consideraba que su propio método era más directo. [39] [40]
Heaviside desarrolló la teoría de las líneas de transmisión (también conocida como las " ecuaciones del telégrafo "), que tuvo el efecto de aumentar la velocidad de transmisión a través de cables transatlánticos en un factor de diez. Originalmente, se necesitaban diez minutos para transmitir cada carácter, y esto mejoró inmediatamente a un carácter por minuto. Estrechamente relacionado con esto estuvo su descubrimiento de que la transmisión telefónica podría mejorarse enormemente colocando inductancia eléctrica en serie con el cable. [41] Heaviside también descubrió de forma independiente el vector de Poynting . [3] : 116-118
Heaviside avanzó la idea de que la atmósfera superior de la Tierra contenía una capa ionizada conocida como ionosfera ; al respecto, predijo la existencia de lo que más tarde se denominó capa Kennelly-Heaviside . En 1947 Edward Victor Appleton recibió el Premio Nobel de Física por demostrar que esta capa realmente existía.
Heaviside acuñó los siguientes términos técnicos en teoría electromagnética :
A veces se le atribuye incorrectamente a Heaviside haber acuñado la susceptancia (la parte imaginaria de la admitancia) y la reactancia (la parte imaginaria de la impedancia). El primero fue acuñado por Charles Proteus Steinmetz (1894). [43] Este último fue acuñado por M. Hospitalier (1893). [44]
Religión: Unitaria, pero no religiosa. Se burló de aquellos que ponen su fe en un Ser Supremo.
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