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Oliver Heaviside Questo geniale e polemico fisico vittoriano, che disdegnava il rigore matematico, sviluppò la teoria del campo elettromagnetico e gettò le basi dei moderni circuiti elettrici che consentono la telefonia su lunghe distanze di Paul J. Nahin articoo da Le Scienze nr.264 | ||||
| Nato in un povero quartiere di Londra, Oliver Heaviside non ebbe una formazione universitaria e fu disoccupato per tutta la vita, a eccezione di un periodo di sei anni trascorso come telegrafista. Il e, in virtù delle sue grandi doti della sua inflessibile forza di volontà, e questo autodidatta divenne uno tra i principali fisici dell'epoca vittoriana. Egli chiarì ed estese la teoria dell'elettromagnetismo di James Clark Maxwell, scoprì il principio circuitale che rese possibile la telefonia su lunga distanza e previde la televisione, le comunicazioni radio transoceaniche e vari aspetti della teoria della relatività di Einstein. Se pure fu tenuto in grande considerazione dagli scienziati del suo tempo, anche perché i suoi metodi ebbero così successo da essere considerati quasi ovvi: capita anzi che vengano menzionati come già esistenti in testi che descrivono l'opera di scienziati vissuti prima di lui. Oggi, per esempio, molti uomini di scienza e credono che i vettori che descrivono le forze fossero già utilizzati da Newton,2 secoli prima. In realtà fu Heaviside a introdurli nella fisica. È strano che la sensibilità moderna, sempre alla ricerca di personaggi, abbia trascurato questo inglese, la cui individualità riesce a spiccare in un periodo pure costellato di personaggi straordinari, come il generale Charles Gordon, meglio noto come Gordon Pascià, Florence Nightingale, il reverendo Lewis Carroll e Jack lo Squartatore. Heaviside fu un eccentrico fra gli eccentrici,1 uomo che si fece tra sé in un secolo aperto all'iniziativa individuale. In breve, Heaviside è un personaggio che sembra tratto dalle pagine di un romanzo di Dickens. L'ultimo di quattro figli di un incisore di xilografie dalla salute malferma, a malapena in grado di provvedere alla famiglia, Heaviside nacque nel 1850 non lontano dalla fabbrica di lucido per scarpe aveva lavorato Dikens da bambino. La scarlattina che lo colpì quando era ancora molto piccolo gli danneggiò permanentemente l'udito rendendogli difficili i rapporti con gli altri bambini. Questo stato di isolamento contribuì alla formazione di una personalità polemica e di un piglio sarcastico da cui si sarebbe in seguito lasciato trascinare a volte in misura eccessiva in attacchi sulla stampa a coloro con cui si trovava in disaccordo. Ricordava sempre con amarezza gli anni giovanili e affermava che quel periodo aveva <<deformato permanentemente>> il corso della sua vita. Heaviside conseguì nondimeno risultati scolastici molto lusinghieri, classificandosi quinto fra più di 500 candidati a un esame del College of Preceptors nel 1865. Il voto peggiore conseguito dal futuro fisico matematico un deludente 15% in geometria euclidea,1 curiosa carenza che preannunciava la sua posteriore insofferenza per le dimostrazioni e rigorose. <<Euclide è il peggiore di tutti. - scrisse in seguito Heaviside - E' scandaloso che i giovani devono confondersi il cervello su mere sottigliezze logiche, sforzandosi di capire la dimostrazione di un fatto ovvio nei termini di qualcosa altrettanto... ovvio, di concepire in questo modo una profonda avversione per la matematica, quando potrebbero imparare davvero la geometria,1 oggetto di studio di importanza fondamentale>>. In ogni caso il giovane Heaviside lasciò la scuola all'età di 16 anni, imparò da sé l'alfabeto Morse e i rudimenti dell'elettricità e a 18 si recò in Danimarca a lavorare per una società dei telegrafi. Quello l'unico periodo in cui poter disporre di uno stipendio. Il sistema di equazioni risultante spiegava molti fenomeni noti e ne faceva prevedere gli insospettati. Fatto più importante, Maxwell aveva previsto che un campo elettrico oscillante nello spazio avrebbe generato un campo magnetico oscillante alla stessa frequenza che, a sua volta, avrebbe indotto un campo elettrico e così via. Quest'onda <<elettromagnetica>> si sarebbe necessariamente propagata alla stessa velocità della luce, anch'essa una radiazione elettromagnetica. Maxwell morì all'età di 48 anni nel 1879,9 anni prima che il genio tedesco Heinrich Hertz verificasse la sua previsione captando onde elettromagnetiche dello spazio. Poco dopo Olivier J. Lodge e sarebbe stato fra i più tenaci sostenitori di Heaviside - rivelò la presenza di onde elettromagnetiche in un conduttore metallico. Solo allora la teoria di Maxwell fu accettata quasi universalmente. Heaviside non aveva atteso tale conferma perché considerava la teoria elettromagnetica <<inconfutabilmente vera>> sulla base della dimostrazione matematica di Maxwell, che giudicava degna di un <<genio divino>>. Così si espresse nel 1918, spiegando quale fosse stata la sua prima impressione alla lettura dell'opera di Maxwell: <<Vidi che era qualcosa di grande, di più grande, di grandissimo, con possibilità prodigiose in suo potere. Ero deciso a padroneggiare il libro e mi misi al lavoro... Mi occorsero vari anni prima di poter capire tutto ciò che era nelle mie possibilità. Allora mi si Maxwell da parte e seguii la mia strada. E progredii molto più rapidamente>>. contrazione di Lorentz-Fitzgerald nella teoria della relatività. Per qualche anno le equazioni riformulate furono chiamate equazioni di Hertz- Heaviside, ma, in seguito, ci si dimenticò del contributo di Heaviside: il giovane Einstein e si riferì a esse chiamando le equazioni di Maxwell-Hertz e oggi sono menzionate con il solo nome di Maxwell. I metodi di Heaviside furono altrettanto importanti quanto i suoi risultati. Assieme a Josiah Willard Gibbs della Yale University, Heaviside insegnò l'impiego dei vettori ai fisici di tutto il mondo. I vettori descrivono le forze come grandezze direzionali: un vettore può rappresentare una forza in un determinato punto e in un sistema di vettori può descrivere un campo di forze. I vettori possono essere sottoposti alle operazioni dell'aritmetica o del calcolo infinitesimale: la derivazione di un sistema di vettori descrive un campo magnetico, per esempio, fornisce il vettore per il flusso elettrico di un dato punto. Le operazioni vettoriali possono essere però molto complesse. Per esempio, non godono della proprietà commutativa: il prodotto vettoriale a per b non uguale a b per a. Ma i vettori non sono neppure lontanamente complicati come i quaternioni, da cui derivano. I quaternioni - che aggiungono una variabile scalare alle tre coordinate direzionali - erano stati introdotti in precedenza nel corso del secolo dal matematico irlandese William Rowan Hamilton. Il loro uso, in contrapposizione a quello dei vettori, fu sostenuto dal fisico scozzese Peter Guthrie Tait, un amico di Maxwell e di Kelvin. Né Maxwell né Kelvin si curarono molto dei quaternioni, ma entrambi si accontentarono di esprimere le loro obiezioni e di passare poi ad altri argomenti. Tait lottò invece aspramente a favore della <<vecchia matematica>>, polemizzando con Heaviside e con Gibbs in numerose lettere al direttore di <<Nature>>.
Per un'ironica circostanza, colui che dovette comunicare a Heaviside il rifiuto, Lord Rayleigh, Cavendish professore all'università di Cambridge, era proprio uno dei più grandi ammiratori delle sue innovazioni matematiche. I vettori ebbero infine un successo tale da mettere completamente in ombra i loro stessi creatori. I libri di testo riesposero la teoria di Maxwell in termini di vettori, cosicché anche le ricerche anteriori di Maxwell finiscono con l'apparire più facili di quanto in realtà non siano state. Questa riformulazione astorica, così frequente nella didattica della scienza, ha privato in tal modo due generazioni di scienziati del giusto riconoscimento che, per uno studioso, e in fin dei conti l'unica vera remunerazione. La successiva importante applicazione della teoria di Maxwell venne nel 1884, quando Heaviside e John Henry Poynting descrisse il cammino che l'energia elettromagnetica segue nello spazio. I due lavorarono con grandissimo impegno in una competizione tanto accanita quanto equilibrata, anche se fu Poynting il primo a pubblicare le sue ricerche, giustificando così il nome moderno di <<vettori di Poynting>>. (Il nome risulta ancora più appropriato in lingua inglese perché i vettori <<puntano>> nella direzione del flusso di energia in ogni punto dello spazio). Curiosamente, benché la teoria attuale vieti a una particella di propagarsi alla velocità della luce nel vuoto, il fatto che una particella possa superare tale velocità non viola alcuna legge. Alcuni teorici speculano su particelle per le quali la velocità della luce nel vuoto rappresenti un limite minimo. L'energia di questi <<tachioni>>, sempre che essi esistano, si approssima a zero a velocità infinite e all'infinito alla velocità della luce. La teoria della relatività vorrebbe che essi viaggiassero a ritroso nel tempo, ponendo gli <<effetti>> prima delle <<cause>> e violando in tal modo la nozione di causalità, la quale d'altronde non è una legge fisica. Heaviside non sapeva nulla di questi effetti anticronologici, ma se i tachioni carichi esistessero effettivamente potrebbero essere rivelati attraverso la <<radiazione di Heaviside>> che dovrebbero emettere. La brillante esposizione ed estensione della teoria di Maxwell da parte di Heaviside non passò inosservata poiché, anche se egli pubblicò la maggior parte dei suoi articoli in un periodico professionale per ingegneri elettrotecnici, l'<<Electrician>>, questo veniva letto anche da molti eminenti accademici. Persino il grande Maxwell una volta vi pubblicò una nota. L'elite e scientifica, perciò, era del tutto consapevole della statura di Heaviside. Nel suo discorso inaugurale del 1889 come primo presidente del Institution of Electrcal Engineers, Thomson (poi Sir William) definì decisamente Heaviside una <<autorità>>. In seguito, nel corso dello stesso anno, Heaviside fu presentato a lettori di <<Nature>> da Joseph Lodge come uno scienziato <<le cui profonde ricerche nel campo delle onde elettromagnetiche si sono spinte più lontano di quanto chiunque possa ancora comprendere>>. ai sentimenti di soddisfazione per il grande riconoscimento si accompagnava infatti la preoccupazione di poter essere criticato senza tanti riguardi da quelle stesse persone che ora lo applaudivano. Questo atteggiamento difensivo può essere compreso se si pensa agli eventi del decennio precedente, quando Heaviside si era trovato impegnato in molte aspre controversie dall'esito spesso incerto. Il benevolo discorso di Thomson all'Institution aveva avuto uno speciale significato per un pubblico che aveva seguito la controversia tra Heaviside e il più temibile dei suoi molti nemici, William H. Preece, direttore tecnico del GPO. Proclamandosi <<uomo pratico>>, con scarso rispetto per i teorici che rivestivano il loro lavoro di formule matematiche, Preece aveva idee ben precise su come costruire un circuito per telecomunicazioni. Heaviside pubblicò idee altrettanto precise in totale disaccordo con quelle di Preece e i due si scambiarono sulla stampa battute sempre più feroci. Di fatto la maggior parte dei grandi progressi delle macchine e della tecnologia erano stati compiuti quasi senza alcun supporto teorico. L'unico fondamento matematico disponibile era un'analisi di flusso elettrico di frequenza molto bassa in cavi lunghissimi, analisi che era stata eseguita una trentina di anni prima da Thomson. Quella teoria funzionava bene per le trasmissioni di poche parole al minuto, ma era completamente inadeguata ai ritmi immediatamente più veloci richiesti dalla telefonista.
I condensatori ad alta tensione sono ciò che rende così pericoloso mettere le mani in un apparecchio televisivo anche quando non è collegato alla presa. Gli effetti capacitivi spiegavano la maggior parte degli effetti di accumulo di energia dei cavi transoceanici della metà dell'800, come Thomson sapeva. Egli era però consapevole che, con i bassi flussi del segnale allora in uso, si poteva ignorare tranquillamente l'effetto induttivo del magnetismo e la dissipazione di energia dovuta alla resistenza. Per quanto incompleta, la teoria di Thomson acquistò gradualmente lo stato di dogma fra coloro che non si rendevano conto delle sue semplificazioni teoriche. Ma quelle semplificazioni, pur così ragionevoli agli inizi della telegrafia, divennero indifendibili quando furono applicate ai circuiti più veloci sviluppati per la telegrafia multiplex (cui un singolo cavo trasmettere simultaneamente vari messaggi) e per la telefonia. Questi circuiti divennero soggetti agli effetti di disturbo dell'induzione magnetica. Il primo di tali effetti era un ritardo nella trasmissione conseguente a momentaneao accumulo di energia di segnale nel campo magnetico del circuito. Il tempo impiegato dal energia a entrare nel campo e a uscirne limita la velocità massima del circuito. Il secondo effetto dell'induzione era ancora più fastidioso perché incideva in modo diverso sui componenti del segnale. Un segnale è semplicemente un'onda complessa scomponibile in uno spettro di onde sinusoidali semplici, ognuna delle quali ha una sua particolare frequenza e ampiezza. Le sequenze più elevate percorrono il cavo di trasmissione più rapidamente delle frequenze inferiori e perdono in questo processo una parte maggiore della loro energia. Esse raggiungono perciò la loro destinazione in un tempo più breve, ammesso che riescano a raggiungerla. Benché questo inconveniente possa essere superato nella telegrafia più semplice escludendo con filtri e le frequenze più elevate, non è possibile fare la stessa cosa nelle trasmissioni telefoniche. Il codice Morse più veloce che una mano umana possa trasmettere non ha componenti essenziali superiori a 100 Hz (cicli al secondo), mentre il normale linguaggio parlato utilizza frequenze nell'ambito di migliaia di hertz. Nei primi telefoni realizzati da Alexander Graham Bell, la mescolanza di onde restava intelligibile solo per qualche decina di chilometri, dopo di che il segnale diventava indecifrabile. Un impulso inizialmente chiaro, come quello in cui il grafico di intensità nel corso del tempo corrisponde alla lettera M, finirebbe ben presto col trasformarsi in un intrico confuso paragonabile all'impronta di un pneumatico consumato
Questa legge si applica però solo a cavi così lunghi da avere un accumulo elettrico trascurabile, il fatto che Preece ignorava. Fu il canto del cigno di Heaviside: egli scomparve dalle rubriche delle lettere al direttore poco dopo l'inizio del secolo, essendosi trasferito, nel 1908, a Torquay, sulla costa meridionale della Gran Bretagna. |
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