Oliver Heaviside

Oliver Heaviside FRS (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), desarrollada de forma independiente cálculo vectorial, y reescribió las ecuaciones de Maxwell en la forma comúnmente utilizada hoy en día. 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 metodología novedosa. Aunque estuvo en desacuerdo con el establecimiento científico durante la mayor parte de su vida, Heaviside cambió la faz de las telecomunicaciones, las matemáticas y la ciencia.

Biografía

Primeros años

Heaviside nació en Camden Town, Londres, en 55 Kings Street (ahora Plender Street), el menor de los tres hijos de Thomas, dibujante y grabador en madera, y Rachel Elizabeth (de soltera West). Era un niño bajito y pelirrojo, y padeció escarlatina cuando era joven, lo que lo 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 lo enviaron a la escuela secundaria de 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 solo durante un año y no tuvo más educación formal.

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 y en 1867 lo envió al norte a trabajar con su hermano mayor, Arthur Wheatstone, quien dirigía una de las oficinas de Charles. compañías de telégrafo en Newcastle-upon-Tyne.

Dos años más tarde, consiguió un trabajo como operador de telégrafo en la empresa danesa Great Northern Telegraph Company tendiendo un cable de Newcastle a Dinamarca con contratistas británicos. Pronto se convirtió en electricista. Heaviside siguió estudiando mientras trabajaba y, a la edad de 22 años, publicó un artículo en la prestigiosa Philosophical Magazine sobre 'La mejor disposición del puente de Wheatstone para medir una resistencia dada con un galvanómetro y batería dados' que recibió comentarios positivos de físicos que habían intentado sin éxito resolver este problema algebraico, incluido Sir William Thomson, a quien le dio una copia del artículo, y James Clerk Maxwell. Cuando publicó un artículo sobre el método dúplex de usar un cable de telégrafo, se burló de R. S. Culley, el ingeniero en jefe del sistema de telégrafo de la Oficina de Correos, que había estado descartando el dúplex como 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 del P.O. snobs".

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

Recuerdo mi primera mirada al gran tratado de Maxwell cuando era joven... Vi que era grande, mayor y mayor, con posibilidades prodigiosas en su poder... Estaba decidido a dominar el libro y listo para trabajar. Era muy ignorante. No tenía conocimiento de análisis matemáticos (habiendo aprendido sólo álgebra y trigonometría escolar que había olvidado en gran medida) y así mi trabajo fue establecido para mí. Me llevó varios años antes de poder entender tanto como podría. Luego dejé a Maxwell a un lado y seguí mi propio curso. Y progresé mucho más rápido... Se entenderá que predico el evangelio según mi interpretación de Maxwell.

Haciendo investigaciones desde casa, ayudó a desarrollar la teoría de la línea de transmisión (también conocida como las "ecuaciones del telegrafista"). Heaviside demostró matemáticamente que la inductancia uniformemente distribuida en una línea de telégrafo 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 en el sentido de que las corrientes de todas las frecuencias tendrían velocidades iguales. de propagación Las ecuaciones de Heaviside ayudaron a promover la implementación del telégrafo.

Años intermedios

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 apenas era suficiente para vivir, pero sus demandas eran muy pequeñas y estaba haciendo lo que más quería. Entre 1883 y 1887, estos promediaron 2-3 artículos por mes y estos artículos luego formaron la mayor parte de su Teoría electromagnética y Papeles eléctricos.

En 1880, Heaviside investigó el efecto piel en las líneas de transmisión del telégrafo. 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 reformuladas 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 los dos, es decir, los campos electromagnéticos.

Entre 1880 y 1887, Heaviside desarrolló el cálculo operativo utilizando ${displaystyle p}$ para el operador diferencial, (que Boole había denotado anteriormente por ${displaystyle D}$), dando un método de resolver ecuaciones diferenciales por solución directa como ecuaciones algebraicas. Esto más tarde causó mucha controversia, debido a su falta de rigor. Él famoso dijo, "Matemática es una ciencia experimental, y las definiciones no vienen primero, pero más adelante. Se hacen, cuando la naturaleza del sujeto se ha desarrollado." En otra ocasión preguntó un poco más defensivamente: "¿Me negaré la cena porque no entiendo completamente el proceso de digestión?"

En 1887, Heaviside trabajó con su hermano Arthur en un artículo titulado "The Bridge System of Telephony". 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 que se agregaran bobinas de carga (inductores) a las líneas telefónicas y telegráficas para aumentar su autoinducción y corregir el distorsión que sufrieron. 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 detuvo su larga serie de artículos (hasta 1891). Había una larga historia de animosidad entre Preece y Heaviside. Heaviside consideró que Preece era matemáticamente incompetente, una evaluación respaldada por el biógrafo Paul J. Nahin: "Preece era un poderoso funcionario del gobierno, enormemente ambicioso y, en algunos aspectos notables, un completo estúpido". 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.

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 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 para construir las bobinas inventadas previamente por Heaviside. AT&T luego le ofreció dinero a Heaviside a cambio de sus derechos; es posible que los ingenieros de Bell' el respeto por Heaviside influyó 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 hizo que su rechazo a la oferta fuera 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 una carga en movimiento, así como los efectos de entrando 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 el componente magnético de lo que ahora se llama la 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 luego verificó 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 dedicándole más de cincuenta páginas de Philosophical Transactions< /i> de la Sociedad a sus métodos vectoriales y teoría electromagnética. En 1905, Heaviside recibió un doctorado honorario de la Universidad de Göttingen.

Años posteriores y opiniones

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 convencieron de que la aceptara, después de haber rechazado otras ofertas benéficas de la Royal Society.

En 1902, Heaviside propuso la existencia de lo que ahora 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 fue confirmada 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 de Jansky en 1932.

Heaviside se opuso a la teoría de la relatividad de Albert Einstein. El matemático Howard Eves ha comentado que Heaviside "era el único físico de primer nivel en ese momento que impugnó a Einstein, y sus invectivas contra la teoría de la relatividad a menudo bordeaban el absurdo".

En años posteriores, su comportamiento se volvió bastante excéntrico. Según el asociado B.A. Behrend, se convirtió en un recluso que era tan reacio a conocer gente que entregó los manuscritos de sus artículos de Electricista a una tienda de comestibles, donde los editores los recogieron. Aunque había sido un ciclista activo en su juventud, su salud se deterioró seriamente en su sexta década. Durante este tiempo, Heaviside firmaba cartas con las iniciales "W.O.R.M." después de su nombre. Según los informes, Heaviside también comenzó a pintarse las uñas de rosa y se trasladaron bloques de granito a su casa para hacer muebles. En 1922, se convirtió en el primer receptor de la Medalla Faraday, que se estableció ese año.

Según 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.

Comparación de antes y después del proyecto de restauración.

Heaviside murió el 3 de febrero de 1925 en Torquay, Devon, después de caerse de una escalera, 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. La mayoría de los ingenieros eléctricos siempre lo tuvieron en alta estima, particularmente después de que se reivindicó su corrección del análisis de la línea de transmisión de Kelvin, pero la mayor parte de su reconocimiento más amplio se obtuvo póstumamente..

Proyecto conmemorativo de Heaviside

En julio de 2014, académicos de la Universidad de Newcastle (Reino Unido) y el Newcastle Electromagnetics Interest Group fundaron el Proyecto Heaviside Memorial en un intento por restaurar completamente el monumento mediante suscripción pública. 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.

Colección Heaviside 1872–1923

En el Centro de Archivos de la Institución de Ingeniería y Tecnología (IET) se conserva una colección de cuadernos, artículos, correspondencia, notas y folletos anotados sobre telegrafía de Heaviside.

Innovaciones y descubrimientos

Heaviside hizo mucho para desarrollar y defender métodos vectoriales y cálculo vectorial. La formulación de Maxwell del electromagnetismo consistía en 20 ecuaciones en 20 variables. Heaviside empleó a los operadores de rizo y divergencia del cálculo vectorial para reformular 12 de estas 20 ecuaciones en cuatro ecuaciones en cuatro variables (${displaystyle {textbf {B},{textbf {E},{textbf {J} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {f}}} {f}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}} {$), la forma por la que han sido conocidos desde entonces (ver las ecuaciones de Maxwell). Menos bien conocido es que las ecuaciones de Heaviside y Maxwell no son exactamente las mismas, y de hecho es más fácil modificar las primeras para hacerlos compatibles con la física cuántica. La posibilidad de las ondas gravitacionales también fue discutida por Heaviside utilizando la analogía entre la ley inversa-cuadrada en la gravitación y la electricidad. Con la multiplicación de la cuaternión, el cuadrado de un vector es una cantidad negativa, mucho para el descontento de Heaviside. Mientras abogaba por abolir esta negatividad, ha sido acreditado por C. J. Joly con el desarrollo de cuaternidades hiperbólicas, aunque de hecho esa estructura matemática fue en gran parte el trabajo de Alexander Macfarlane.

Inventó la función de paso 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 como la función delta de Dirac. Inventó su método de cálculo operativo para resolver ecuaciones diferenciales lineales. Esto se parece al método de transformada de Laplace que se utiliza actualmente y que se basa en la "integral de Bromwich" llamado así por Bromwich, quien ideó una justificación matemática rigurosa para el método del operador de Heaviside utilizando la integración de contorno. Heaviside estaba familiarizado con 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 aumentar la tasa de transmisión a través de cables transatlánticos en un factor de diez. Originalmente tomaba diez minutos transmitir cada carácter, y esto mejoró inmediatamente a un carácter por minuto. Estrechamente relacionado con esto estaba su descubrimiento de que la transmisión telefónica podría mejorarse mucho colocando la inductancia eléctrica en serie con el cable. Heaviside también descubrió de forma independiente el vector de Poynting.

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 existió realmente.

Términos electromagnéticos

Heaviside acuñó los siguientes términos de arte en la teoría electromagnética:

• Admisión (reciprocal of impedance) (diciembre de 1887);
• elastance (reciprocal of permittance, reciprocal of capacitance) (1886);
• conducta (parte real de la admisión, recíproca de la resistencia) (septiembre de 1885);
• electret for the electric analogue of a permanent magnet, or, in other words, any substance that displays a quasi-permanent electric polarization (e.g. ferroelectric);
• impedancia (julio de 1886);
• inductancia (febrero de 1886);
• permeabilidad (septiembre de 1885);
• autorización (ahora llamada capacitancia) y autorización (junio de 1887);
• reticencia (mayo de 1888);

A Heaviside a veces se le atribuye incorrectamente la acuñación de 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). Este último fue acuñado por M. Hospitalier (1893).

Publicaciones

• 1885, 1886 y 1887, "Inducción electromagnética y su propagación", El electricista.
• 1888/89, "Olas electromagnéticas, la propagación del potencial y los efectos electromagnéticos de una carga móvil", El electricista.
• 1889, "En los Efectos Electromagnéticos debido a la Moción de Electrificación a través de una Diéctrica", Phil.Mag.S.5 27: 324.
• 1892 "En las Fuerzas, Destacas y Flujos de Energía en el Campo Electromagnético" Phil.Trans. Royal Soc. A 183:423–80.
• 1892 "Sobre los operadores en las matemáticas físicas" Parte I. Proc. Roy. 1892 Jan 1. vol.52 págs. 504 a 529
• 1892 Heaviside, Oliver (1892). Documentos eléctricos. Vol. 1. Macmillan Co, Londres y Nueva York. ISBN 9780828402354.
• 1893 "Sobre los operadores en las matemáticas físicas" Parte II Proc. Roy. 1893 Jan 1. vol.54 págs. 105 a 143
• 1893 "Una analogía gravitacional y electromagnética," El electricista, vol.31, págs. 281-282 (parte I), pág. 359 (parte II)
  • 1893 reproducido en: Electromagnético Teoría vol I, Chapter 4 Appendix B pp. 455-466
• 1893 Heaviside, Oliver (1893). Teoría electromagnética. Vol. 1. The Electrician Printing and Publishing Co, London.
• 1894 Heaviside, Oliver (1894). Documentos eléctricos. Vol. 2. Macmillan Co, Londres y Nueva York.
• 1899 Heaviside, Oliver (1899). Teoría electromagnética. Vol. 2. The Electrician Printing and Publishing Co, London.
• 1912 Heaviside, Oliver (1912). Teoría electromagnética. Vol. 3. The Electrician Printing and Publishing Co, London.
• 1925. Documentos eléctricos2 vols Boston 1925 (Copley)
• 1950 Teoría electromagnética: La edición completa sin puente. (Spon) reimpreso 1950 (Dover)
• 1970 Heaviside, Oliver (1970). Documentos eléctricos. Chelsea Publishing Company, Incorporated. ISBN 978-0-8284-0235-4.
• 1971 "Teoría electromagnética, incluyendo 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). Documentos eléctricos. ISBN 978-0-8218-2840-3.