Oliver Heaviside FRS [ 1] ( / ˈh 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 hoy. 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 telegrafista se volvió comercialmente importante durante su propia vida, después de que su importancia pasara desapercibida durante mucho tiempo, ya que pocos otros estaban versados en ese momento en su novedosa metodología. [2] Aunque en desacuerdo con el establecimiento científico durante la mayor parte de su vida, Heaviside cambió la cara de las telecomunicaciones, las matemáticas y la ciencia. [2]
Heaviside nació en Camden Town , Londres, en el 55 de Kings Street [3] : 13 (ahora Plender Street), el menor de los tres hijos de Thomas, dibujante y grabador de madera, y Rachel Elizabeth (née West). Era un niño bajito y pelirrojo, y sufrió escarlatina cuando era joven, lo que le dejó una discapacidad auditiva. Un pequeño legado permitió a la familia mudarse a una mejor parte de Camden cuando tenía trece años y fue enviado a la Camden House Grammar School. Fue un buen estudiante, quedando quinto 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 fue Sir Charles Wheatstone (1802-1875), un experto en telegrafía y electromagnetismo de fama 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 para 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 consiguió un trabajo como operador de telégrafo en la compañía danesa Great Northern Telegraph Company, donde tendió un cable desde Newcastle hasta Dinamarca con la ayuda de contratistas británicos. Pronto se convirtió en electricista. Heaviside continuó 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» [6], que recibió comentarios positivos de los físicos que habían intentado resolver sin éxito 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 telegráfico 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 esnobs de la PO". [4] : 60
En 1873, Heaviside había encontrado el recién publicado y más tarde famoso Tratado sobre electricidad y magnetismo en dos volúmenes de Maxwell . En su vejez, Heaviside recordaba:
Recuerdo la primera vez que miré el gran tratado de Maxwell cuando era joven... Vi que era grandioso, más grande y grandioso, con posibilidades prodigiosas en su poder... Estaba decidido a dominar el libro y me puse a trabajar. Era muy ignorante. No tenía conocimientos de análisis matemático (había aprendido sólo álgebra escolar y trigonometría que había olvidado en gran medida) y así me fue asignado mi trabajo. Me llevó varios años antes de poder entender todo lo que me fuera posible. Luego dejé a Maxwell de lado y seguí mi propio camino. Y progresé mucho más rápidamente... Se entenderá que predico el evangelio según mi interpretación de Maxwell. [8]
Heaviside , que realizaba investigaciones desde su casa, ayudó a desarrollar la teoría de las líneas de transmisión (también conocida como las " ecuaciones del telégrafo "). Heaviside demostró matemáticamente que la inductancia uniformemente distribuida en una línea telegráfica disminuiría tanto la atenuación como la distorsión y que, si la inductancia fuera 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 velocidades de propagación iguales. [9] Las ecuaciones de Heaviside ayudaron a impulsar la implementación del telégrafo.
De 1882 a 1902, excepto durante tres años, colaboró regularmente con artículos para el periódico especializado The Electrician , que deseaba mejorar su reputación, por lo que cobraba 40 libras al año. Esto apenas le alcanzaba para vivir, pero sus exigencias eran muy pequeñas y estaba haciendo lo que más quería. Entre 1883 y 1887, estos artículos promediaron entre 2 y 3 artículos por mes y luego formaron la mayor parte de su Electromagnetic Theory and Electrical Papers . [4] : 71
En 1880, Heaviside investigó el efecto pelicular 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 habían sido reformulados como cuaterniones ) a su terminología vectorial moderna , reduciendo así doce de las veinte ecuaciones originales con veinte incógnitas a las cuatro ecuaciones diferenciales con 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 móviles), 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 por [10] ), dando un método para resolver ecuaciones diferenciales por solución directa como ecuaciones algebraicas . Esto más tarde causó una gran controversia, debido a su falta de rigor . Él dijo la famosa frase: "Las matemáticas son una ciencia experimental, y las definiciones no vienen primero, sino después. Se hacen por sí mismas, cuando la naturaleza del tema se ha desarrollado por sí misma". [11] En otra ocasión preguntó: "¿Debo rechazar mi cena porque no entiendo completamente el proceso de digestión?" [12]
En 1887, Heaviside trabajó con su hermano Arthur en un artículo titulado "El sistema de puentes de telefonía". Sin embargo, el artículo fue bloqueado por el superior de Arthur, William Henry Preece de la Oficina de Correos , porque parte de la propuesta era que se añadieran 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 que Preece era matemáticamente incompetente, una evaluación apoyada por el biógrafo Paul J. Nahin : "Preece era un poderoso funcionario del gobierno, enormemente ambicioso y, en algunos aspectos notables, un completo idiota". 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 un error que con cualquier falla percibida en el trabajo de Heaviside. [3] : xi–xvii, 162–183
La importancia del trabajo de Heaviside permaneció sin descubrir durante algún tiempo después de su publicación en The Electrician . 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 fuera incompleto o incorrecto. Campbell y Pupin ampliaron el trabajo de Heaviside, y AT&T solicitó patentes que cubrieran no solo su investigación, sino también el método técnico de construcción de las bobinas previamente inventadas por Heaviside. AT&T luego ofreció dinero a Heaviside 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 a menos que la compañía le diera un reconocimiento completo. Heaviside era crónicamente pobre, lo que hizo que su rechazo a la oferta fuera aún más sorprendente. 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 las invenciones de Heaviside. [14] [15] [16]
Pero este revés tuvo el efecto de dirigir 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 un medio más denso. 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 lo trató como una masa material , capaz de producir los mismos efectos. Wilhelm Wien verificó más tarde 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 nombrándolo miembro de la Royal Society y, al año siguiente, dedicando más de cincuenta páginas de las Philosophical Transactions of the Society a sus métodos vectoriales y teoría electromagnética. En 1905, la Universidad de Gotinga le otorgó a Heaviside un doctorado honorario .
En 1896, FitzGerald y John Perry obtuvieron una pensión civil de 120 libras al año para Heaviside, que ahora vivía en Devon, y lo persuadieron para que la aceptara, después de que hubiera rechazado otras ofertas caritativas de la Royal Society. [17]
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 medios por los cuales 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 desalentaron futuros intentos de detectar ondas de radio del Sol y otros objetos astronómicos . Por alguna razón, parece que no hubo intentos durante 30 años, hasta que Jansky desarrolló la radioastronomía en 1932.
Heaviside era un oponente de la teoría de la relatividad de Albert Einstein . [19] El matemático Howard Eves ha comentado que Heaviside "era el único físico de primer nivel en ese momento que impugnaba 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 era tan reacio a conocer gente que entregaba los manuscritos de sus artículos de Electrician a una tienda de comestibles, donde los editores los recogían. [20] Aunque había sido un ciclista activo en su juventud, su salud se deterioró gravemente en su sexta década. Durante este tiempo, Heaviside firmaba cartas con las iniciales " WORM " después de su nombre. También se dice que Heaviside comenzó a pintarse las uñas de rosa e hizo que trasladaran 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 depositaban su fe en un ser supremo. [21]
Heaviside murió el 3 de febrero de 1925 en Torquay , Devon , tras caerse 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 fue limpiada gracias a un donante anónimo en algún momento de 2005. [23] Siempre fue muy respetado por la mayoría de los ingenieros eléctricos, en particular después de que se reivindicara su corrección del análisis de la línea de transmisión de Kelvin, pero la mayor parte de su reconocimiento más amplio se obtuvo póstumamente .
En julio de 2014, académicos de la Universidad de Newcastle , Reino Unido y el Grupo de Interés en Electromagnetismo de Newcastle fundaron el Proyecto Memorial de Heaviside [24] en un intento de restaurar completamente el monumento a través de una 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 (que representa a la Institución de Ingeniería y Tecnología ), el presidente de la Sociedad Cívica de Torbay y delegados de la Universidad de Newcastle. [27]
En el Centro de Archivos del Instituto de Ingeniería y Tecnología (IET) se conserva una colección de documentos de Heaviside . [28] La colección consta de cuadernos que contienen ecuaciones y cálculos matemáticos, folletos anotados relacionados principalmente con la telegrafía, notas manuscritas, borradores de documentos, correspondencia, borradores de artículos para la "Teoría electromagnética". Un homenaje en audio de 1950 a Oliver Heaviside realizado por Oliver E Buckley, presidente de Bell Telephone Labs, ha sido digitalizado y se puede acceder a él en la biografía de Oliver Heaviside de los Archivos del IET. [29]
En 1908, Oliver Heaviside fue nombrado miembro honorario de la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su entrada dice: “1908 Oliver Heaviside FRS” en la Lista de Miembros Honorarios y Medallistas 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 “El Comité ha considerado el establecimiento de alguna forma de monumento permanente a Oliver Heaviside y, como resultado, recomienda que se otorgue un Premio Heaviside por un valor de £10 cada año para el mejor artículo matemático aceptado”. [32]
Heaviside hizo mucho para desarrollar y defender los métodos vectoriales y el cálculo vectorial . [33] La formulación de Maxwell del electromagnetismo consistía en 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 ( ), la forma por la que se las conoce 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. [34] La posibilidad de ondas gravitacionales también fue discutida por Heaviside usando 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 gran disgusto de Heaviside. Como abogó por la abolición de esta negatividad, CJ Joly [36] le atribuyó 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 unitario, ahora conocida habitualmente como función delta de Dirac . [37] Inventó su método de cálculo operacional para resolver ecuaciones diferenciales lineales . Esto se asemeja al método de transformada de Laplace utilizado actualmente, basado en la " integral de Bromwich ", llamada así por Bromwich, quien ideó una justificación matemática rigurosa para el método del operador de Heaviside utilizando la integración de contorno. [38] Heaviside estaba familiarizado con el método de 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. Muy relacionado con esto fue su descubrimiento de que la transmisión telefónica podía mejorarse en gran medida colocando una inductancia eléctrica en serie con el cable. [41] Heaviside también descubrió de forma independiente el vector de Poynting . [3] : 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 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 la teoría electromagnética :
A veces se le atribuye incorrectamente a Heaviside la invención de los términos susceptancia (la parte imaginaria de la admitancia) y reactancia (la parte imaginaria de la impedancia). El primero fue acuñado por Charles Proteus Steinmetz (1894). [43] El segundo fue acuñado por M. Hospitalier (1893). [44]
: Unitario, pero no religioso. Se burlaba de quienes depositaban su fe en un Ser Supremo.
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