Oliver Heaviside
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Oliver Heaviside. Nació en Londres el 18 de mayo de 1850, falleciendo en Torquay, Inglaterra. Fue un físico, ingeniero eléctrico, radiotelegrafista y matemático inglés.
Sumario
Síntesis biográfica
Nació en Londres, Inglaterra, y adquirió en su temprana juventud gran experiencia práctica como operador de telégrafo; sin embargo, nunca recibió una educación formal. A pesar de ello, después de abandonar la escuela a la edad de 16 años emprendió una labor de autoeducación en ciencia y matemáticas, con la cual adquirió puntos de vista muy personales sobre cómo se debía proceder en el campo de las matemáticas.
En 1872 y 1873 publicó dos trabajos sobre electricidad; en el segundo de ellos analizó un circuito eléctrico muy importante, el llamado puente de Wheatstone, que mereció ser citado por Maxwell en la segunda edición de su famoso libro Tratado de electricidad y magnetismo.
En 1874 Heaviside conoció esta obra de Maxwell, y lo impresionó de tal forma que decidió renunciar a su trabajo y dedicarse completamente a su estudio. Esto fue algo notable para un joven de 24 años sin medios para vivir; se retiró y nunca más buscó trabajo, su familia lo sostuvo. Heaviside se dió cuenta de que a pesar de las pesadas matemáticas con que Maxwell presentó su teoría, había una notable simplicidad física en los fenómenos electromagnéticos expuestos.
Aun antes del espectacular experimento de Hertz, que demostró la existencia real de las ondas electromagnéticas predichas por Maxwell, Heaviside nunca dudó de su existencia, ya que estaba convencido de que la teoría electromagnética era "obviamente verdadera", ya que su tratamiento matemático era sólido. Consideraba a Maxwell un "genio nato".
Sus descubrimientos
En 1918 Heaviside escribió sobre sus impresiones iniciales del Tratado de Maxwell: "Percibí que era grandioso, muy grandioso, extraordinariamente grandioso, con posibilidades prodigiosas en su poder. "Decidí dominar el libro y empecé a trabajar[...] Me llevó varios años entender todo lo que pude haber entendido. Entonces dejé a Maxwell a un lado y seguí mi propio camino. Y progresé mucho más rápidamente."
Con el concepto de vector y las formas de manejarlo, Heaviside simplificó enormemente las ecuaciones de Maxwell. En Estados Unidos, John Willard Gibbs también empleó el concepto de vector, sin saber del trabajo de Heaviside. Las matemáticas que desarrolló éste se llaman hoy en día cálculo operacional. Por cierto, un dato curioso es que su trabajo sobre este tema no fue aceptado para su publicación en la revista de la Royal Institutión por su "falta de rigor matemático". Heaviside replicó: "Bien, ¿y qué? ¿Dejaré de cenar porque no entiendo con todo detalle el proceso de la digestión?"
Heaviside se dió cuenta de que tanto el campo magnético como el eléctrico se pueden describir como vectores y expresó las ecuaciones de Maxwell en términos de estos dos vectores. En su trabajo original presentó 20 ecuaciones en 20 variables. Con la reformulación de Heaviside, el panorama se iluminó como por encanto y las ecuaciones de Maxwell adquirieron sencillez, simetría y belleza notables.
Hertz también simplificó las ecuaciones de Maxwell, y lo hizo casi al mismo tiempo que Heaviside. Hertz reconoció en su libro sobre electricidad: "El señor Heaviside tiene la prioridad."
Las Disputas
En los libros de texto se incorporaron los vectores en la teoría de Maxwell, y es así como se trabaja con esta teoría hoy en día. En la actualidad, los estudiantes piensan que los vectores son obvios, sin embargo, se menciona que durante varios años hubo una gran disputa científica entre Heaviside y Gibbs por un lado, y el físico escocés Peter Guthrie Tait por el otro, sobre que concepto utilizar.
Tait peleó por el uso de los cuaterniones y hubo agrias discusiones publicadas en la revista inglesa Nature. Al final, los vectores ganaron de manera tan contundente que en los libros de texto se dejó de hacer referencia a sus creadores. Asimismo, se usaron los vectores en otros campos de la física, como la mecánica. En la actualidad son un instrumento matemático cotidiano en el desarrollo de la física, la ingeniería, la química y las matemáticas.
Heaviside entró en otra fuerte disputa con el más formidable de sus enemigos, William H. Preece, quien era el experto técnico de la Oficina Postal Británica. Preece se proclama a si mismo como "un hombre práctico" sin ningún respeto para los teóricos, quienes, según él, enmascaraban su trabajo en las matemáticas.
Hemos de mencionar que la Oficina Postal manejaba todo el tráfico telegráfico y telefónico en Gran Bretaña. Preece tenía ideas fijas sobre cómo construir un circuito de comunicación a larga distancia. Asimismo, Heaviside tenía sus ideas sobre el asunto, y eran completamente opuestas a las de Preece. Se suscitó una polémica por escrito en la que intercambiaron con mucha frecuencia sarcasmos y se llegó a extremos de violentos ataques.
Puede parecer curioso que hacia 1880 se generara un violento debate sobre los principios eléctricos fundamentales, ya que hacia 1870 existía tanto en Gran Bretaña como en varios países una red bastante extensa de líneas telegráficas, y en la década de 1880 se inició la instalación de los cables telefónicos.
Las telecomunicaciones habían adquirido una capacidad impresionante, aun si las consideramos desde la perspectiva de nuestros días. Hacia 1850 se inició la colocación del cable telegráfico bajo el Océano Atlántico, entre Europa y América, y fue una obra de extraordinarias proporciones. Gran parte de esta infraestructura se desarrolló en forma "práctica", es decir, casi sin sustento teórico.
El único análisis teórico fue hecho por el extraordinario físico inglés William Thomson (posteriormente Lord Kelvin, quien estudió el flujo de electricidad a lo largo de cables de longitud muy grande. En este caso los cables presentan dos efectos: uno capacitivo (se comportan como condensadores) y otro inductivo (se comportan como bobinas).
Sin embargo, para poder lograr sus desarrollos Kelvin despreció los efectos inductivos. Esta restricción implica que la frecuencia de las corrientes debería ser muy baja. Esta teoría funcionó muy bien para el caso de la telegrafía que entonces se usaba, ya que se transmitían unas cuantas palabras por minuto. El cable interoceánico que se colocó tenía la característica, justificada en ese entonces, de comportarse en forma capacitiva.
Limitaciones de su teoría
Kelvin estaba consciente de las limitaciones de su teoría, pero no se preocupó mucho ya que el tipo de transmisión sólo necesitaba bajas frecuencias. El éxito que tuvo Kelvin hizo que su idea se adoptara casi como dogma entre la gente que no conocía los fundamentos teóricos y las suposiciones restrictivas de Kelvin. Sin embargo, al transcurrir el tiempo se presentaron graves problemas cuando surgieron otras necesidades, como la telegrafía multiplex, en la que un solo cable transporta varios mensajes simultáneamente, o la transmisión de mensajes hablados por teléfono, que implica frecuencias altas.
Al transmitir mensajes que contenían altas frecuencias las señales se distorsionaban, y una parte muy importante de la distorsión se debía a efectos inductivos. Por ejemplo, si se transmite una señal que contenga frecuencia de muy alto valor por un circuito muy largo, esencialmente capacitivo, la señal se va degradando y el receptor no capta el mensaje original.
Preece no llegó a entender estos fenómenos. Para él la inducción magnética era mala y opinaba que con un diseño apropiado de los circuitos se podría eliminar. Además, no entendía por qué Heaviside quería aumentar el alcance del teléfono, y declaró en una ocasión: "[...]tengo un aparato telefónico en mi oficina, pero más que nada como decoración porque no quiero usarlo. Si deseo enviar un mensaje a otra habitación utilizó un timbre o un mensajero."
En un trabajo que publicó Preece en 1887 pretendió obtener una ecuación para calcular la máxima distancia que debería tener un circuito telefónico para que un mensaje transmitido no experimentara distorsión. Se considera que este trabajo impidió el desarrollo de las telecomunicaciones inglesas por 20 años. La ecuación que obtuvo Preece estaba basada en un resultado de Kelvin, que era solamente válido para circuitos sin inducción magnética, hecho que Preece ignoró. Por supuesto que Kelvin había expuesto claramente esta restricción en su resultado. En la práctica, la ecuación de Preece no podía dar cuenta de lo que verdaderamente ocurría, ya que en los mensajes telefónicos, que involucran señales de altas frecuencias, no se pueden despreciar los efectos de inducción magnética del circuito.
Heaviside atacó fuertemente el trabajo de Preece en un artículo que apareció tres meses después, el 3 de junio de 1887, en la revista TheElectrician. En él Heaviside afirmó que una señal de alta frecuencia podía transmitirse sin distorsión si se aumentaba la inducción magnética a lo largo del cable transmisor. Como además Heaviside tildó a Preece de "cienticulista", la conclusión enfureció doblemente a Preece. Heaviside propuso que se añadieran bobinas a lo largo del cable, que proveería la inducción magnética necesaria, sin aumentar mucho su resistencia, para así evitar la distorsión.
Heaviside planteó a un hermano suyo, que trabajaba en ese entonces en la Oficina Postal Británica, la posibilidad de construir estas bobinas e incluirlas en sus cableados. Sin embargo, después de enterarse de que Preece tenía poder de veto en las proposiciones técnicas hechas a la Oficina, olvidó el asunto.
En 1899, más de una década después de la aparición del trabajo de Heaviside, en Estados Unidos Michael I. Pupin, profesor de la Universidad de Columbia, Nueva York, "redescubrió" lo que ya había descubierto Heaviside y patentó la idea. (Irónicamente, Pupin se basó en la formulación vectorial que había hecho Heaviside de las ecuaciones de Maxwell.) Casi inmediatamente después George A. Campbell, empleado de la American BeIl Telephone, también en Estados Unidos, construyó la primera bobina de inducción y la utilizó en cables de telefonía, con lo cual consiguió que las señales de alta frecuencia no se distorsionaran. Fue así como se lograron desarrollar las comunicaciones telegráficas y telefónicas de larga distancia en Estados Unidos. La bobina de inducción hizo posible que, por ejemplo, en 1913 se comunicaran telefónicamente por medio de cables subterráneos las ciudades de Boston y Washington, vía Nueva York, a lo largo de una distancia aproximada de 3 500 kilómetros.
Debido a la influencia de Preece, Inglaterra no desarrolló su sistema de telecomunicaciones sino hasta alrededor de 1910. Heaviside no recibió ni remuneración ni reconocimiento en esta aplicación. Para finalizar la historia hemos de mencionar que los ingleses no tuvieron más remedio que utilizar las bobinas mencionadas, pero como la idea estaba patentada en EUA tuvieron que pagar las regalías correspondientes.
Teoría electromagnética
Heaviside fue una de las primeras personas que entendió la importancia del conocimiento de la teoría electromagnética. La disputa que se dio entre Preece y Heaviside, la "práctica contra la teoría", nos ilustra lo erróneo y costoso de este tipo de enfrentamientos.
Además, Heaviside tuvo muchas dificultades para que sus trabajos fueran aceptados en las revistas más prestigiadas de Inglaterra, debido a la forma poco ortodoxa en que resolvía los problemas. En 1892 publicó sus trabajos en dos volúmenes, con el título Teoría electromagnética.
En esta obra trató gran número de problemas de aplicación práctica, como la telegrafía multiplex, la inducción electromagnética entre cables paralelos, la resistencia e inducción a alta frecuencia de cables coaxiales, etcétera.
Para finalizar mencionaremos que en 1891 Heaviside fue nombrado miembro de la Royal Institution, y en 1896, a instancia de varios prominentes científicos británicos, recibió un estipendio estatal. En 1908 se mudó a Torquay, en la costa sur de Inglaterra, donde trabajó en diferentes problemas, como el de la edad de la Tierra, la ionósfera como medio para las telecomunicaciones, etc. Allá vivió aisladamente y de manera muy extravagante.
Fallecimiento
Después de 1900 la actividad científica de Heaviside declinó apreciablemente en cantidad y calidad, cesando prácticamente en 1906, aunque su último libro se publicase en 1912. Una de las causas fundamentales fueron los problemas ocasionados por su persistente mala salud.
Oliver y sus padres se fueron a vivir en septiembre de 1889 con su hermano Charles, que tenía una tienda de instrumentos musicales en Paington (Devonshire), siguiendo otra de las líneas operativas familiares iniciadas por Wheatstone, quien también había inventado el acordeón o concertina. Tras el fallecimiento de sus padres en 1894 y 1896, Oliver se trasladó en 1897 a una casa independiente en el campo, cerca de Newton Abbot y no muy lejos de Paington, pero la experiencia no fue muy satisfactoria y en 1908 volvió a vivir como huésped en Torquay, donde falleció en 1925, tras llevar una vida cada vez más solitaria y excéntrica.
Distinciones
- 1891 Miembro de la Royal Society de Londres.
- 1899 Miembro honorario de la American Academy of Arts and Sciences.
- 1905 La Universidad alemana de Göttingen le concede el doctorado honoris causa.
- 1908 Miembro honorario de la Institution of Electrical Engineers inglesa.
- 1918 Miembro honorario del American Institute of Electrical Engineers.
- 1921 Primer galardonado con la medalla Faraday de la Institution of Electrical Engineers.
Referencias
Fuentes
- Nahin, P.J., Oliver Heaviside. Scientific American, June 1990, pp. 122-129.
- Heaviside, O.: Electromagnetic waves. Londres, 1889.
- Heaviside, O.: Electrical papers. 2 volúmenes. Macmillan. Londres, 1892. (Reedición: Copley Publishers. Boston, 1925. Otra: American Mathematical Society; 1999 y 2003.
- Heaviside, O.: Electromagnetic theory. 3 volúmenes. Electrician, Co. London, 1893-1912.
Reedición: Chelsea; New York, 1971. Otra: American Mathematical Society; 1970.
- Heaviside, O.: " A gravitational and electromagnetic analogy ". The Electrician, 1893.
- Buchwald, J. Z.: From Maxwell to microphysics. Chicago, 1985. ISBN 0-226-07882-5
- Josephs, H, J.: Oliver Heaviside : a biography. London, 1963.
- Josephs, H, J.: The Heaviside Papers found at Paignton in 1957. Electromagnetic Theory by Oliver Heaviside. New York, 1971.
- Laithwaite, E. R.: Oliver Heaviside - establishment shaker. Electrical Review, November 12, 1982.
- Lee, G.: Oliver Heaviside. London, 1947.
