Questo articolo è inserito in Elettromagnetismo e Quattro passi nella storia della Scienza

 

Parafrasando Francesco Nuti in "Madonna che silenzio c'è stasera" (alzi la mano chi se lo ricorda, gli altri possono guardarlo su YouTube), potremmo presentare Oliver Heaviside dicendo <<Maaaaaadonna com'è strano 'sto Evisaid. E 'unnè uno di quelli strani che uno dice "Madonna com'è strano quello lì" no no, questo l'è uno di quelli strani che uno dice "Maaaaaaadonna com'è strano quello lì">>. Ma la stranezza è un concetto relativo... 

 

Uno dei primi sistemi telegrafici elettrici fu inventato nel 1830 da William Fothergill Cooke e da Charles Wheatstone, e fu il primo ad avere un utilizzo commerciale che rimase, però, per molti anni confinato alle comunicazioni di servizio in ambito ferroviario. Fino a quando, il 1° gennaio 1845, grazie ad una comunicazione telegrafica tra due stazioni, fu possibile arrestare il sospetto omicida John Tawell che era stato visto prendere un treno per Londra. Egli è stato il primo individuo nella storia ad essere arrestato grazie alla tecnologia delle telecomunicazioni, ma non il primo, né purtroppo l’ultimo, ad uccidere una donna con cui aveva intessuto una relazione amorosa.

Il clamore mediatico suscitato dall’evento portò all’attenzione del grande pubblico l’importanza delle comunicazioni telegrafiche a distanza e ne stimolò fortemente lo sviluppo. Ma, nonostante i continui miglioramenti della tecnologia nei decenni a venire, l’estrema lentezza a cui la trasmissione del segnale sembrava condannata dalle leggi fisiche, ne impediva uno sfruttamento su larga scala.

Neanche le equazioni di Maxwell (pubblicate per la prima volta nel 1865 in "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field") servirono a risolvere il problema, fino a quando un giovane che non le capiva perché non aveva potuto studiarle a scuola, decise di affrontarle a modo suo…

Quel giovane era il nipote di uno degli inventori del telegrafo elettrico, si chiamava OLIVER HEAVISIDE, era nato nel 1850 da padre intagliatore di legno e madre ex-governante che gestiva una piccola scuola per i bambini del vicinato, era omonimo del protagonista del capolavoro di quel Charles Dickens che aveva trascorso gli anni più miserabili della sua vita nello stesso sobborgo di Londra nel quale egli abitò fino all’inizio dell’adolescenza, e a sedici anni, nonostante fosse uno studente meritevole, dovette interrompere gli studi per fare fronte alle necessità economiche della famiglia.

Ma quella che può sembrare una sfortuna per un giovane promettente e di belle speranze, potrebbe essere stata la condicio sine qua non per la nascita delle telecomunicazioni a grande distanza. Fu, infatti, assunto da suo zio Charles Wheatstone come impiegato nella sua azienda che gestiva la prima linea commerciale telegrafica al mondo.

Iniziò come semplice impiegato, ma ben presto iniziò ad occuparsi delle problematiche legate alla trasmissione del segnale. Si iniziavano a posare i primi cavi sottomarini tra l’Inghilterra e la Danimarca e i segnali telegrafici erano costituiti da punti e linee che, se non separati bene, diventavano indecifrabili per chi li riceveva: la chiarezza del segnale doveva, pertanto, pagare un prezzo altissimo alla velocità (per inviare un solo carattere formato da alcuni punti e linee potevano essere necessari fino a dieci minuti).

Ma la questione sembrava non avere soluzione: Lord Kelvin, modellizzando la trasmissione dei segnali con le equazioni del calore, sentenziò che non c’era possibilità di fare viaggiare velocemente segnali che rimanessero fra loro distinguibili. Fine della storia. E addio allo sviluppo delle telecomunicazioni!

Il problema era che i fisici teorici avevano grande difficoltà a maneggiare le venti (e sottolineo venti!) equazioni di Maxwell per la difficoltà intrinseca degli strumenti matematici sulle quali erano fondate: i quaternioni, ovvero numeri complessi a quattro componenti. Ma Oliver Heaviside prese letteralmente a testate quei quaternioni e li piegò al suo volere!

Non possiamo sapere se le cose sarebbero andate nello stesso modo anche se la famiglia avesse potuto pagargli gli studi universitari… resta il fatto che proprio la mancanza di quel percorso di studi (quindi la non conoscenza dell’analisi matematica) mise Oliver nella condizione di dover trovare il modo di comprenderle utilizzando solo un po’ di algebra e di trigonometria. Fu così che, non si sa attraverso quali percorsi mentali, arrivò a riformulare quelle venti teoricamente perfette ma mostruosamente difficili equazioni in quattro “semplici” equazioni basate su quattro vettori, che descrivono come i campi variano nel tempo in funzione delle cariche e delle correnti.

Le EQUAZIONI DI MAXWELL nella forma semplificata da Heaviside sono quelle che, ancora oggi, pur con simbologie diverse, vengono utilizzate per studiare la teoria dell’Elettromagnetismo.

 

Una volta ottenuto questo incredibile risultato, fu semplice (per lui) usarlo per velocizzare la trasmissione del segnale telegrafico: ciò avvenne tramite l’elaborazione dell’EQUAZIONE DEL TELEGRAFO la cui soluzione è costituita da un’onda viaggiante, avente particolari caratteristiche. Per ridurre la distorsione, infatti, era necessario lavorare sulle proprietà delle onde sinusoidali delle quali è composto il segnale, per fare in modo che tutte si propagassero alla stessa velocità: ciò, secondo Heaviside, era possibile aumentando l’INDUTTANZA (capacità del conduttore di opporsi alla variazione di corrente) del circuito.

Un cavo dotato di un adeguato numero di avvolgimenti avrebbe garantito il risultato voluto: un segnale telegrafico veloce e non distorto!

Bene… possiamo concludere che la storia delle telecomunicazioni a distanza riparte in questo momento e tutti vissero felici e contenti? Purtroppo no.

La geniale soluzione, non supportata da rigorose dimostrazioni matematiche ma soltanto da prove empiriche (né più né meno lo stesso problema vissuto da Michael Faraday), venne aspramente criticata dai suoi capi, i quali erano pervicacemente convinti che l’induttanza fosse il nemico da abbattere, anziché l’amico con cui allearsi.

Solo molti anni dopo ci si rese conto che quella “stranezza di prima categoria, tutt’altro che mentalmente disturbato” (come il Nostro venne definito dal fisico Searle, che gli fu vicino negli ultimi anni di vita) ci aveva visto giusto. Se solo Heaviside l’avesse brevettata quella scoperta… ma non lo aveva fatto, forse perché non ci aveva semplicemente pensato, forse perché si fidava troppo delle persone attorno a lui, forse perché non fu mai attaccato ai soldi nonostante non ne abbia mai avuti abbastanza nel corso dell’intera vita. Era talmente poco attaccato ai soldi che quando, anni dopo, gli venne offerta una discreta cifra per rinunciare ad azioni legali nei confronti di chi si era indebitamente appropriato della sua scoperta, la rifiutò solo perché gli sarebbe stata concessa a patto di non rivendicarne la paternità. No, questo non lo poteva accettare. Ma neanche se la sentì di fare causa ad un colosso come la AT&T.

E continuò a vivere in povertà, nonostante altri importanti contributi allo sviluppo tecnologico delle telecomunicazioni... ma perché?

A onor del vero, la cronica insufficienza di mezzi economici appare frutto di sue deliberate e consapevoli scelte di vita, più che di prevaricazioni altrui: a partire da quando, a soli 24 anni lasciò l'azienda dello zio per ritirarsi a vivere coi genitori e dedicarsi a tempo pieno allo studio di problematiche legate all'elettricità. Dopo quella prima esperienza, non ebbe mai più un lavoro stabile per tutta la vita, né sembra che l'abbia mai cercato. Il motivo possiamo, forse, trovarlo in queste sue parole, scritte in età avanzata in una lettera ad un amico:

"C'è stato davvero un tempo nella mia vita in cui ero [...] in qualche misura soddisfatto o addirittura contento di una mera sussistenza. Ma è stato quando stavo facendo delle scoperte. Non importa cosa pensano gli altri della loro importanza. Per me erano acqua, cibo e compagnia".

Viveva grazie al sostentamento che gli forniva il fratello (il quale, al contrario di Oliver, continuò a lavorare in quella grande e solida azienda) e al piccolo reddito guadagnato per la pubblicazione di articoli su riviste scientifiche (The Electrician prima e The Philosophical Magazine poi).

Nel 1894 un gruppo di amici cercò di fargli ottenere una sovvenzione dal Fondo di solidarietà istituito presso la Royal Society, ma Heaviside non voleva beneficenza e lo rifiutò. Due anni dopo, quindi, convinsero il Governo a offrirgli una pensione di 120 sterline all'anno (successivamente elevata a 220) e, presentandola al cocciuto scienziato come un riconoscimento per i suoi meriti e non come un atto di carità, riuscirono a fargliela accettare. E fu una fortuna, visto che rappresentò la sua principale fonte di reddito per il resto dei suoi giorni.

Il lato positivo di questa storia è che, evidentemente, nonostante il desiderio di solitudine e le scarse capacità comunicative (a cui forse contribuiva una parziale sordità lasciatagli in eredità dalla scarlattina contratta da bambino), molti suoi contemporanei lo apprezzavano e si prodigavano per il suo bene. Viene spontaneo pensare che senza il sostegno di questo gruppo di amici e/o estimatori, difficilmente il Nostro sarebbe riuscito a continuare la sua instancante opera di ricerca e a produrre importanti risultati.

Come, per esempio, l’applicazione dell’EFFETTO PELLE DEI CONDUTTORI (per il quale le cariche elettriche tendono a disporsi sulla superficie del cavo) alla dimensione dei cavi telegrafici. La resistenza al passaggio del segnale diminuisce se aumenta il diametro del cavo, pertanto si pensava che fossero necessari giganteschi e costosissimi cavi per trasmettere segnali ad alta frequenza: Heaviside intuì che per ottenere la stessa superficie di un grande cavo, sarebbero stati sufficienti molti piccoli cavi intrecciati.

Rivolgere, ogni tanto, un grazie a Heaviside mentre guardiamo la tv, collegata all’antenna da un ormai comunissimo cavo coassiale, sarebbe cosa buona e giusta… e se lo facessimo mentre la tv trasmette lo storico musical di Broadway “Cats”, il grazie dovrebbe essere doppio perché lo STRATO di HEAVISIDE, che fa da sfondo alla trama del musical, non è altro che la IONOSFERA...

Up, up, up past the Russell Hotel... Up, up, up, up to the Heaviside layer (video originale QUI)

 

...ovvero uno strato dell'alta atmosfera composto da particelle sufficientemente ionizzate da influenzare la propagazione delle onde radio, la cui esistenza fu teorizzata proprio da Heaviside per spiegare come fosse riuscito (nel 1901) Guglielmo Marconi a fare arrivare oltre Atlantico un segnale radio trasmesso dall'Inghilterra. L'esistenza della ionosfera fu confermata nel 1924.

 

 

Un'altra sua interessante ed utile scoperta è la FUNZIONE GRADINO DI HEAVISIDE (o funzione a gradino unitaria), utilizzata in matematica per la Teoria del controllo e nell'elaborazione dei segnali, oltre che in fluidodinamica. Che poi altro non è che la derivata della più celebre funzione Delta di Dirac  (ma la gradino è precedente alla delta...). Eccola:

 

 

"That of a Shakespeare or a Newton is stupendous. Such men live the best parts of their lives after they shuffle off the mortal coil and fall into the grave. Maxwell was one of those men. His soul will live and grow for long to come, and, thousands of years hence, it will shine as one of the bright stars of the past, whose light takes ages to reach us, amongst the crowd of others, not the least bright".^(*)

"Quello [il destino] di uno Shakespeare o di un Newton è stupendo. Questi uomini vivono i migliori anni della loro vita dopo che sono morti. Maxwell era uno di quegli uomini. La sua anima vivrà e prospererà a lungo e, tra migliaia di anni, risplenderà come una di quelle stelle luminose, la cui luce impiega secoli per raggiungerci e, tra la folla delle altre, non è la meno brillante".

Rivelando inaspettate doti letterarie, questo diceva Heaviside a proposito di Maxwell, quando i meriti del secondo erano ancora ben lungi dall'essere riconosciuti.

Giocando con le sue parole, di lui oggi potremmo dire che la luce della sua stella ci ha già raggiunto, ma non riusciamo ancora ad ammirarla in tutto il suo splendore… forse è filtrata da un alone di gas presente sul suo cammino, forse è talmente lontana che deve ancora essere inventato il telescopio adatto o forse è così diversa da tutte le altre stelle conosciute (quindi strana!) che non riusciamo a coglierne l’essenza. Resta il fatto che c'è e sappiamo dove cercarla nel cielo stellato. Non abbiamo scuse per voltare il telescopio da un'altra parte.

 

^(*) Non ce ne voglia Richard Feynman, ma non riusciamo a non cogliere la forte somiglianza tra il pensiero di Heaviside su Maxwell e il suo: "Tra molto tempo – per esempio tra diecimila anni – non c'è dubbio che la scoperta delle equazioni di Maxwell sarà giudicato l'evento più significativo del XIX secolo. La guerra civile americana apparirà insignificante e provinciale se paragonata a questo importante evento scientifico della medesima decade". Ci viene spontaneo pensare che il mitico Richard possa avere letto la frase di Oliver e si sia ispirato ad essa. Terremo per noi questo malizioso (e probabilmente sbagliato) pensiero.

 

La principale fonte delle informazioni contenute in questo articolo è "Oliver Heaviside: a first-rate oddity" di Bruce J. Hunt