Oliver Heaviside

Oliver Heaviside ( / ˈ h ɛ v i s aɪ d / HEV -ee-syde ; ^{[ 2 ]} 18 de mayo de 1850 – 3 de febrero de 1925) fue un matemático y físico británico 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 en día. Influyó significativamente en la manera en que se entendieron y aplicaron las ecuaciones de Maxwell en las décadas posteriores a la muerte de Maxwell . Además, en 1893, las extendió al gravitoelectromagnetismo , lo cual fue confirmado por la sonda Gravity Probe B en 2005. 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 estaban familiarizados en ese momento con su novedosa metodología. ^{[ 3 ]} Aunque estuvo en desacuerdo con el estamento científico durante la mayor parte de su vida, Heaviside cambió el panorama de las telecomunicaciones, las matemáticas y la ciencia. ^{[ 3 ]}

Oliver Heaviside nació el 18 de mayo de 1850 en 55 Kings Street (ahora Plender Street) en Camden Town , Inglaterra, ^{[ 4 ] : 13} el menor de tres hijos de Thomas Heaviside, dibujante y grabador de madera, y Rachel Elizabeth West. Era un niño bajo y pelirrojo, y sufrió de escarlatina de pequeño, lo que le dejó una discapacidad auditiva que sentía que dificultaba su capacidad para hacer amigos de niño porque le resultaba más difícil comunicarse con otros niños. Describió su tiempo en Kings Street como miserable, afirmando que lo llevó a odiar a los artesanos y ver las experiencias de su padre con el alcohol lo animó a abstenerse de él durante toda su vida. ^{[ 5 ] : 59–61} Una pequeña herencia permitió a la familia mudarse a una mejor zona de Camden cuando él tenía trece años y fue enviado a la escuela secundaria Camden House Grammar School. Era un buen estudiante, ocupando el quinto lugar entre quinientos alumnos en 1865, pero sus padres no pudieron mantenerlo en la escuela después de los 16 años, por lo que continuó estudiando por su cuenta durante un año y no recibió más educación formal. ^{[ 5 ] : 51}

El tío político de Heaviside era Sir Charles Wheatstone (1802-1875), un experto de renombre internacional en telegrafía y electromagnetismo, y el coinventor original del primer telégrafo de éxito comercial a mediados de la década de 1830. Wheatstone mostró gran interés en la educación de su sobrino, ^{[ 6 ]} y en 1867 lo envió al norte para trabajar con su hermano mayor, Arthur Wheatstone, quien dirigía una de las compañías telegráficas de Charles en Newcastle upon Tyne . ^{[ 5 ] : 53}

Dos años después, consiguió un trabajo como telegrafista en la Compañía Danesa de Telégrafos Great Northern, tendiendo 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» ^{[ 7 ]} , 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 de uso de un cable telegráfico, ^{[ 8 ]} 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 telégrafo". Esto enfureció a Heaviside, quien pidió a Thomson que lo patrocinara, y con el apoyo del presidente de la sociedad fue admitido "a pesar de los esnobs del servicio postal". ^{[ 5 ] : 60}

En 1873, Heaviside se topó con el Tratado sobre electricidad y magnetismo , en dos volúmenes, recientemente publicado y posteriormente famoso, de Maxwell . En su vejez, Heaviside recordó:

Recuerdo mi primer vistazo al gran tratado de Maxwell cuando era joven... Vi que era grandioso, aún más grandioso, con prodigiosas posibilidades en su poder... Estaba decidido a dominar el libro y me puse a trabajar. Era muy ignorante. No tenía conocimientos de análisis matemático (solo había aprendido álgebra y trigonometría en la escuela, que había olvidado en gran parte) y, por lo tanto, mi trabajo estaba trazado. Me llevó varios años comprender todo lo que me fue posible. Entonces dejé a Maxwell a un lado y seguí mi propio camino. Y progresé mucho más rápido... Se entenderá que predico el evangelio según mi interpretación de Maxwell. ^{[ 9 ]}

Investigando desde casa, contribuyó al desarrollo de la teoría de líneas de transmisión (también conocida como las " ecuaciones del telegrafista "). Heaviside demostró matemáticamente que una inductancia uniformemente distribuida en una línea telegráfica disminuiría tanto la atenuación como la distorsión , y que, si la inductancia era suficientemente grande y la resistencia de aislamiento no demasiado alta, el circuito no presentaría distorsión, ya que las corrientes de todas las frecuencias tendrían la misma velocidad de propagación. ^{[ 10 ]} Las ecuaciones de Heaviside contribuyeron al avance del telégrafo.

Desde 1882 hasta 1902, salvo tres años, Heaviside colaboró ​​regularmente con artículos en la revista especializada The Electrician , que buscaba mejorar su reputación, por lo que recibía 40 libras esterlinas al año. Si bien esto apenas alcanzaba para vivir, sus exigencias eran mínimas y se dedicaba a lo que más le gustaba. Entre 1883 y 1887, publicó un promedio de dos a tres artículos al mes, los cuales posteriormente conformaron la mayor parte de sus obras Electromagnetic Theory and Electrical Papers . ^{[ 5 ] : 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, pasando de su forma original, que resultaba engorrosa (ya se había reformulado 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 hoy conocemos como ecuaciones de Maxwell . Estas cuatro ecuaciones 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${\displaystyle p}$para el operador diferencial , (que Boole había denotado previamente por${\displaystyle D}$^{[ 11 ]} ), dando un método para resolver ecuaciones diferenciales mediante solución directa comoecuaciones algebraicas. Esto causó posteriormente mucha controversia, debido a su falta derigor. Es famosa su frase: «Las matemáticas son una ciencia experimental, y las definiciones no surgen primero, sino después. Se crean a sí mismas, cuando la naturaleza del tema se ha desarrollado». ^{[ 12 ]} En otra ocasión preguntó: «¿Debo rechazar mi cena porque no entiendo completamente el proceso de digestión?». ^{[ 13 ]}

En 1887, Heaviside trabajó con su hermano Arthur en un artículo titulado "El sistema puente de la telefonía". Sin embargo, el artículo fue bloqueado por el superior de Arthur, William Henry Preece, del Servicio Postal , 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 , lo que puso fin a su larga serie de artículos (hasta 1891). ^{[ 14 ]} Existía una larga historia de animosidad entre Preece y Heaviside. Heaviside consideraba a Preece matemáticamente incompetente, una valoración respaldada por el biógrafo Paul J. Nahin : "Preece era un poderoso funcionario del gobierno, enormemente ambicioso y, en algunos aspectos notables, un completo necio". Las motivaciones de Preece para suprimir la obra de Heaviside tenían más que ver con proteger su propia reputación y evitar tener que admitir errores que con cualquier defecto percibido en la obra de Heaviside. ^{[ 4 ] : xi–xvii, 162–183}

La importancia del trabajo de Heaviside permaneció desconocida durante algún tiempo después de su publicación en The Electrician . En 1897, AT&T contrató a uno de sus 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 cubrían no solo su investigación, sino también el método técnico de construcción de las bobinas previamente inventadas por Heaviside. Posteriormente, AT&T le ofreció dinero a Heaviside a cambio de sus derechos; es posible que el respeto que los ingenieros de Bell sentían por Heaviside influyera en esta oferta. Sin embargo, Heaviside la rechazó, negándose a aceptar dinero a menos que la compañía le diera pleno reconocimiento. Heaviside era crónicamente pobre, lo que hace que su rechazo a la oferta sea aún más sorprendente. En 1959, Norbert Wiener publicó su novela 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. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Pero este revés llevó la atención de Heaviside hacia la radiación electromagnética, ^{[ 18 ]} 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 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, ^{[ 19 ]} 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 la consideró como masa material , capaz de producir los mismos efectos. Posteriormente, Wilhelm Wien verificó 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 las Philosophical Transactions de la Sociedad a sus métodos vectoriales y teoría electromagnética. Fue elegido miembro honorario de la Manchester Literary and Philosophical Society en 1894. ^{[ 20 ]} En 1905, Heaviside recibió un doctorado honoris causa de la Universidad de Göttingen .

En 1896, FitzGerald y John Perry consiguieron una pensión de la lista civil de 120 libras esterlinas  al año para Heaviside, que ahora vivía en Devon, y lo persuadieron para que la aceptara, después de que él hubiera rechazado otras ofertas caritativas de la Royal Society. ^{[ 18 ]}

En 1902, Heaviside propuso la existencia de lo que ahora se conoce como la capa de Kennelly-Heaviside de la ionosfera . La propuesta de Heaviside incluía los medios por los cuales las señales de radio se transmiten alrededor de la curvatura de la Tierra. ^{[ 4 ] : 279–280, 300} 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 provenientes del Sol y otros objetos astronómicos . Por alguna razón, parece que no hubo intentos durante 30  años, hasta el desarrollo de la radioastronomía por Jansky en 1932.

Heaviside fue un opositor de la teoría de la relatividad de Albert Einstein . ^{[ 21 ]} El matemático Howard Eves comentó 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 rozaban lo absurdo". ^{[ 21 ]}

En años posteriores su comportamiento se volvió bastante excéntrico . Según su colega BA Behrend, se convirtió en un recluso tan reacio a conocer gente que entregaba los manuscritos de sus artículos de Electrician en una tienda de comestibles, donde los editores los recogían. ^{[ 22 ]} Aunque había sido un ciclista activo en su juventud, su salud se deterioró seriamente en su sexta década. Durante este tiempo, Heaviside firmaba las cartas con las iniciales " WORM " después de su nombre. Según se informa, Heaviside también comenzó a pintarse las uñas de rosa e hizo que se trasladaran bloques de granito a su casa para usarlos como muebles. ^{[ 4 ] : xx} En 1922, se convirtió en el primer receptor de la Medalla Faraday , que se estableció ese año.

En cuanto a las creencias 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. ^{[ 23 ]}

Heaviside murió el 3 de febrero de 1925 en Torquay a la edad de 74 años, después de caer de una escalera. ^{[ 24 ]} Está enterrado justo detrás y a la derecha del edificio cerca de la esquina sureste del cementerio de Paignton . Está enterrado con su padre, Thomas, y su madre, Rachel. La lápida fue limpiada gracias a un donante anónimo en algún momento de 2005. ^{[ 25 ]} Siempre fue tenido en alta estima por la mayoría de los ingenieros eléctricos, particularmente después de que su corrección al análisis de la línea de transmisión de Kelvin fue reivindicada, pero la mayor parte de su reconocimiento más amplio se obtuvo póstumamente.

Proyecto Memorial Heaviside

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 Heaviside ^{[ 26 ]} con el objetivo de restaurar completamente el monumento mediante suscripción pública. ^{[ 27 ] [ 28 ]} El monumento restaurado fue inaugurado oficialmente el 30 de agosto de 2014 por Alan Heather, un pariente lejano de Heaviside. A la inauguración asistieron el alcalde de Torbay, el diputado por Torbay, un ex conservador del Museo de Ciencias (en representación de la Institución de Ingeniería y Tecnología ), el presidente de la Sociedad Cívica de Torbay y delegados de la Universidad de Newcastle. ^{[ 29 ]}

Heaviside hizo mucho para desarrollar y defender los métodos vectoriales y el cálculo vectorial . ^{[ 35 ]} La formulación de Maxwell del electromagnetismo consistía en 20 ecuaciones en 20 variables. Heaviside empleó los operadores rotacional y de divergencia del cálculo vectorial para reformular 12 de estas 20 ecuaciones en cuatro ecuaciones en cuatro variables (${\displaystyle {\textbf {B}},{\textbf {E}},{\textbf {J}}~{\text{y}}~\rho }$), la forma por la que se las ha conocido desde entonces (véanse 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. ^{[ 36 ]} Heaviside también discutió la posibilidad de ondas gravitacionales usando la analogía entre la ley del inverso del cuadrado en la gravitación y la electricidad. ^{[ 37 ]} Con la multiplicación de cuaterniones , el cuadrado de un vector es una cantidad negativa, para disgusto de Heaviside. Como abogó por abolir esta negatividad, CJ Joly ^{[ 38 ]} le ha atribuido el desarrollo de los cuaterniones hiperbólicos , aunque de hecho esa estructura matemática fue en gran parte obra de Alexander Macfarlane .

Inventó la función escalón de Heaviside , usándola para calcular la corriente cuando se enciende un circuito eléctrico . Fue el primero en usar la función impulso unitario, ahora conocida como función delta de Dirac . ^{[ 39 ]} Inventó su método de cálculo operacional para resolver ecuaciones diferenciales lineales . Este se asemeja al método de la transformada de Laplace actualmente en uso , basado en la " integral de Bromwich ", llamada así en honor a Bromwich, quien ideó una justificación matemática rigurosa para el método de operadores de Heaviside usando la integración de contorno. ^{[ 40 ]} Heaviside estaba familiarizado con el método de la transformada de Laplace, pero consideraba que su propio método era más directo. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

Heaviside desarrolló la teoría de la línea de transmisión (también conocida como las " ecuaciones del telegrafista "), que aumentó la velocidad de transmisión a través de cables transatlánticos en un factor de diez. Originalmente, se tardaba diez minutos en transmitir cada carácter, lo que mejoró inmediatamente a un carácter por minuto. Estrechamente relacionado con esto, descubrió que la transmisión telefónica podía mejorarse enormemente colocando inductancia eléctrica en serie con el cable. ^{[ 43 ]} Heaviside también descubrió de forma independiente el vector de Poynting . ^{[ 4 ] : 116–118}

Heaviside planteó 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 la capa de Kennelly-Heaviside . En 1947, Edward Appleton recibió el Premio Nobel de Física por demostrar que esta capa realmente existía.

• 1885, 1886 y 1887, "Inducción electromagnética y su propagación", The Electrician .
• 1888/89, " Ondas electromagnéticas, la propagación del potencial y los efectos electromagnéticos de una carga en movimiento ", The Electrician .
• 1889, " Sobre los efectos electromagnéticos debidos al movimiento de electrificación a través de un dieléctrico ", Phil.Mag.S.5 27: 324.
• 1892 "Sobre las fuerzas, tensiones y flujos de energía en el campo electromagnético" Phil.Trans.Royal Soc. A 183:423–80.
• 1892 "Sobre operadores en matemáticas físicas" Parte I. Proc. Roy. Soc. 1 de enero de 1892. vol. 52, págs.  504-529.
• 1892 Heaviside, Oliver (1892). Artículos eléctricos . Vol.  1. Macmillan Co, Londres y Nueva York.ISBN 9780828402354.
• 1893 "Sobre operadores en matemáticas físicas" Parte II Proc. Roy. Soc. 1893 1 de enero. vol. 54 pp.  105–143
• 1893 "Una analogía gravitacional y electromagnética", The Electrician , vol. 31, págs.  281-282 (parte I), pág.  359 (parte II)
  • 1893 reproducido en, Teoría electromagnética vol. I, Capítulo 4 Apéndice B págs. 455-466
• 1893 Heaviside, Oliver (1893). Teoría electromagnética . Vol. 1. The Electrician Printing and Publishing Co, Londres. ISBN 978-0-8284-0235-4. ^{[ 47 ]}
• 1894 Heaviside, Oliver (1894). Electrical Papers . Vol. 2. Macmillan Co, Londres y Nueva York. 
• 1899 Heaviside, Oliver (1899). Teoría electromagnética . Vol. 2. The Electrician Printing and Publishing Co, Londres. 
• 1912 Heaviside, Oliver (1912). Teoría electromagnética . Vol. 3. The Electrician Printing and Publishing Co, Londres. 
• 1925. Artículos sobre electricidad . 2 vols. Boston, 1925 (Copley).
• 1950 Teoría electromagnética: Edición completa e íntegra . (Spon) Reimpreso en 1950 (Dover)
• 1970 Heaviside, Oliver (1970). Electrical Papers . Chelsea Publishing Company, Incorporated. ISBN 978-0-8284-0235-4.
• 1971 "Teoría electromagnética; Incluye un relato de las notas inéditas de Heaviside para un cuarto volumen" Chelsea, ISBN 0-8284-0237-X
• 2001 Heaviside, Oliver (1 de diciembre de 2001). Electrical Papers . American Mathematical Society. ISBN 978-0-8218-2840-3.

• 1850 en ciencia
• campo de desplazamiento eléctrico
• Ley de Biot-Savart
• Circuito del puente §  Puente Heaviside