K. Rypdal e T. Bruntdland

Dipartimento di Fisica, Università di Tromso, 9037 Tromso, Norvegia

Riassunto: Uno studio dell’evoluzione delle teorie di Kristian Birkeland sulla fisica cosmica è qui presentato/descritto, con speciale riferimento ai sui esperimenti sui gas di scarico di laboratorio. Si può vedere come i sui pensieri più importanti sono stati modellati da un intenso interscambio tra esperimenti di laboratorio, osservazioni geofisiche e modelli matematici. Occasionalmente, idee originali di fondamentale importanza nel contesto cosmico sono emerse da imprevisti risultati di laboratorio. Le possibili implicazioni per un approccio interdisciplinare alla moderna scienza del plasma sono qui discussi.

1. INTRODUZIONE

Anche se la fisica del plasma è emersa come una disciplina fisica indipendente più tardi nel 1950, le radici possono essere fatte risalire al XIX secolo, anche per il periodo prima della scoperta dell’elettrone fatta da J. J. Thomson nel 1897. A quel tempo non si aveva una chiara concezione del quarto stato della materia, ma alcuni grandi scienziati svilupparono, attraverso esperimenti di laboratorio su tubi di scarico dei gas e osservazioni geofisiche, delle idee fondamentalmente corrette circa la natura del plasma del Sole, lo spazio interplanetario e l’interazione solare terrestre. Un gigante tra questi visionari è stato il fisico e inventore norvegese Kristian Birkeland (1867-1917), la cui eccezionale ricerca scientifica ha ricevuto un riconoscimento crescente nel corso degli ultimi due decenni di esplorazione attiva dello spazio.

Anche se la scienza spaziale moderna continua a riscoprire la verità profonda di molte idee di Birkeland, un aspetto ancora più interessante del suo lavoro può essere il suo approccio interdisciplinare all’esplorazione e alla ricerca scientifica.

Birkeland acquisì ed elaborò dati provenienti da diverse discipline di ricerca che oggi sono praticamente non interagenti, e per analogie ardite ha proposto ipotesi che non sono state generalmente accettate fino a più di mezzo secolo dopo la sua morte. Tra queste discipline vi erano la teoria elettromagnetica, l’ingegneria elettrica, gli scarichi di gas da laboratorio, geofisica e astrofisica. Durante i primi decenni dopo la fine della seconda guerra mondiale la scienza del plasma è emersa come un nuovo campo che unifica le discipline fondamentali della teoria elettromagnetica, della meccanica statistica, della teoria cinetica con l’astrofisica, la fisica dello spazio e della scienza dei materiali.

Tuttavia, negli ultimi 20 anni sembra esserci stato un calo di conoscenza circa la scienza del plasma come indipendente, ma unificante, disciplina scientifica.

C’è stata una tendenza alla frammentazione della scienza del plasma in specialità come la fusione al plasma, plasmi spaziali, plasmi debolmente ionizzati di laboratorio e industriali trattamento del plasma. Per molti fisici del plasma  è più facile ottenere finanziamenti dalle agenzie come scienziati della fusione, fisici spaziali, e così via.

Ciò, a sua volta, porta ad una riduzione dell’enfasi nella fisica dei plasmi, in sempre più riviste e conferenze specializzate, e riduce l’interazione interdisciplinare.

La principale lezione che possiamo imparare da Birkeland e dagli altri grandi fondatori della scienza del plasma è quella di ritrovare la fede nell’unità e nella natura di base della nostra scienza,e per cercare di abbattere i muri che vengono eretti tra aree specializzate.

Figura 1: La banconota da 200 Kr emessa nel 1996 in occasione del centenario della ipotesi aurorale. Alla sinistra del ritratto di Birkeland si può vedere un arco aurorale dal basso, in aumento verso la stella polare. Si osservano anche diverse costellazioni. Il cristallo di neve simboleggia l’inverno, quando l’aurora è più frequentemente osservata. All’estrema sinistra vi è raffigurata l’ultima e più grande camera di Terrella. Questa camera è stata restaurata ed è visibile al pubblico all’Università di Tromso.

2. Breve biografia

Kristian Olaf Bernhard Birkeland è nato a Christiania (l’attuale Oslo) in Norvegia il 13 Dicembre 1867. Egli ha studiato fisica all’Università di Christiania dal 1885 al 1890, e negli anni 1890-93 ha lavorato come assistente ricercatore all’Università con studi sperimentali e teorici sulla propagazione elettromagnetica delle onde. Nel 1893 si recò all’estero per continuare i suoi studi a Parigi, Ginevra, Bonn e Lipsia. A Parigi ha lavorato con H. Poincart, P. Appell e E. Picard, e fece i suoi primi esperimenti sui raggi catodici in un campo magnetico mono-polo.

In Svizzera ha collaborato con geofisici come E. Sarasin, e fu probabilmente qui che Birkeland si è appassionato allo studio del geomagnetismo e delle aurore polari. A Bonn ha lavorato nel radio-laboratorio di Heinrich Hertz. Ma qui non ha ottenuto una fruttuosa collaborazione con Hertz, che era malato e morì poco dopo, ma ha lavorato per qualche tempo con P. Lhard.

Birkeland ritornò ad occupare una posizione presso l’Università di Christiania nel 1895 e subito ha iniziato ad effettuare esperimenti su gas di scarico e raggi catodici.

Nel 1896 ha eseguito esperimenti in cui i raggi catodici sono stati attratti da un polo magnetico, e lui potrebbe produrre una luce incandescente nelle vicinanze di questo polo che ricorda le luci del nord (aurore polari) (1). Questa osservazione fece esprimere la sua ipotesi sull’aurora – l’aurora deve essere prodotta dai raggi catodici attratti dal magnetismo dei poli terrestri, e in un modo o nell’altro l’energia deve essere derivata dal sole. La formulazione di queste ipotesi ha avviato un vasto programma sperimentale, osservativo e teorico per svelare i segreti della natura circa l’origine delle aurore, delle tempeste geomagnetiche, la natura dell’attività solare, le comete, gli anelli planetari e anche l’origine del sistema solare. Nel 1996, nel centenario delle ipotesi sulle aurore di Birkeland, la Banca di Norvegia ha emesso una banconota (fig. 1). Oltre al ritratto di Birkeland la banconota contiene una serie di dettagli relativi alla ricerca aurorale. In particolare, si può vedere un disegno dell’ultimo e più grande dei suoi esperimenti di Terrella.

Nel periodo 1897-1903 Birkeland ha organizzato tre spedizioni verso l’Artico per effettuare misurazioni geomagnetiche e geofisiche. Durante una delle ultime di queste spedizioni, “The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903”, quattro osservatori sono stati istituiti in diverse località nella regione artica, raccogliendo dati geofisici per un periodo di circa un anno. Questi dati sono stati combinati con i dati provenienti da un gran numero di osservatori geomagnetici posizionati in tutto il mondo e con i risultati di laboratorio degli esperimenti di Terrella, questo pose le basi per profonde teorie sulle cause delle tempeste magnetiche e del magnetismo terrestre. Questo lavoro è stato sintetizzato in 800 pagine di trattato. La prima parte è stata pubblicata nel 1908 e la seconda nel 1913 (2).

La prima serie di esperimenti terrella sono stati eseguiti in tubi di vetro di forma e dimensioni variabili nel periodo 1900-1908.

Essi sono stati condotti durante e dopo le spedizioni artiche, ed erano ovviamente uno strumento molto utile per Birkeland quando lottava per dare un senso all’enorme massa di dati geofisici acquisiti. Durante il lavoro con la seconda parte del suo trattato si sentiva vincolato da alcune limitazioni dei piccoli esperimenti in tubo di vetro, e cominciò a costruire una serie di camere e forma di scatola con pareti in vetro. Gli esperimenti con quattro diverse camere di dimensioni maggiori sono stati condotti nel periodo 1908-1913, ed i risultati sono stati pubblicati nella seconda parte del suo trattato.

Nel 1903 Birkeland inizia una collaborazione con il matematico e fisico aurorale norvegese Carl Starmer. Henri Poincari aveva già imparato a conoscere i primi esperimenti di Birkeland a raggi catodici dal 1896, e subito ha presentato una soluzione dell’equazione del moto per una particella carica in un campo magnetico monopolare (3). Birkeland ha elaborato ulteriormente questo problema in uno scritto teorico e sperimentale dal 1898 (4). Il problema del monopolo è integrabile, ma il corrispondente problema del dipolo non lo è, ed è per questo che Birkeland voleva che tale problema fosse risolto dal giovane talento Starlner. Per Starmer questo compito è diventato l’impresa della vita, i suoi calcoli divennero una pietra miliare nelle 151 teorie di Birkeland. Durante al sua intera carriera Birkeland spese parecchio tempo sulla pratica, sulla ricerca industriale e sull’innovazione tecnica. Tra le sue invenzioni più famose vi sono la pistola elettromagnetica e lo sviluppo di un forno al plasma per l’ossidazione dell’azoto dell’aria, che ben presto è stato sviluppato in una delle fabbriche più redditizie della Norvegia. Birkeland ha ottenuto 59 brevetti, e fece una fortuna considerevole con alcuni di essi. Questo denaro è stato speso principalmente per finanziare la propria ricerca. Non tutte le sue idee hanno avuto un’immediata applicazione pratica. Già nel 1906 era alla ricerca di fondi per avviare un progetto atto allo sviluppo di un metodo per il rilascio di energia atomica.

Verso la fine, della sua breve vita, la salute di Birkeland peggiorò rapidamente.

Si trasferì definitivamente in Egitto nel 1913, e sperava che il clima caldo gli avrebbe fatto bene. Qui avrebbe potuto anche studiare una delle sue ultime passioni – la luce zodiacale. Tuttavia, la sua salute fisica e mentale non ebbe miglioramenti. Nel marzo del 1917 decise di tornare in Norvegia, non attraverso l’Europa in guerra, ma via mare in Giappone e poi in treno attraverso la Siberia. Voleva stare qualche mese in Giappone, ma il 15 giugno fu trovato morto nella sua stanza d’albergo con una pistola e un sacchetto di veronal sul suo tavolo.

Simone Becuzzi

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