Origine e significato dell’ipotesi delle aurore & evoluzione di esperimenti ed idee

Quando Birkeland tornò in Norvegia durante l’estate del 1895 si interessò molto ai gas di scarico. Un campo di ricerca molto popolare in quel momento.

Birkeland ottenne una posizione presso l’università, a l’età di 28 anni, e nell’autunno del 1895 fondò un laboratorio per la ricerca sui gas di scarico.

Cominciò anche a preparare un corso dal titolo “Esperimenti sui gas di scarico” con inizio previsto nel mese di febbraio 1896. Nel Gennaio 1896 tutti i giornali del mondo riportarono la notizia circa la scoperta dei nuovi raggi X fatta da WC Rontgen in Germania. A Christiania Birkeland commentò questa notizia con articoli sui giornali. Meno di un mese dopo che Rontgen effettuò la sua dimostrazione pubblica, Birkeland realizzò una dimostrazione dei raggi X per un gruppo di ingegneri, fisici e medici.

Il 23 marzo, effettuò una performance pubblica, dove cercò di replicare artificialmente la luce del nord in un tubo a gas di scarico, rilasciando aria incandescente in strisce come l’Aurora, tramite influenza magnetica nei raggi catodici.

Nell’aprile 1896 pubblicò un articolo, dove  descriveva diversi esperimenti con gas i di scarico. La carta trattava, lenti magnetiche,  spettri magnetici. In alcuni suoi esperimenti è stato in grado di focalizzare i raggi catodici di magneti esterni, della dimensione di un punto di un ago sul lato interno della parete di vetro. In questo modo alcune scritte possono essere incise sul vetro. Birkeland era in grado di scrivere le sue iniziali, Kr. B. all’interno dei suoi setup.  I tubi di scarico utilizzati per questi esperimenti sono riportati nella figura n°2.

Figura 2: (a) La prima produzione di un aurora artificiale nel Marzo 1896. (b) Il set-up utilizzato da Birkeland per scrivere le sue iniziali sul vetro per mezzo di raggi catodici.

Questi risultati in sé sono molto importanti, ma le conseguenze di più ampia portata di questo lavoro sperimentale sono contenute nelle deduzioni tratte nell’ultimo paragrafo:

“.…diverse volte è stato descritto il fenomeno, che mostra che i raggi catodici sono attirati verso un polo magnetico. Questa osservazione è considerata di interesse nella connessione con la teoria dell’Aurora Boreale. Paulsen, il meteorologo danese, ritiene che l’Aurora Boreale è dovuta alla fosforescenza dell’aria dovuta ai raggi catodici nei più alti strati dell’atmosfera. La difficoltà maggiore in questa teoria è stata quella di spiegare perché questi fenomeni sono limitati ad una zona che circonda il polo magnetico della terra. Dopo quanto detto sopra, si può ritenere che i raggi sono attratti dal polo magnetico della terra, e che in qualche modo l’energia deriva dal sole. Quest’ultima ipotesi è almeno supportata dal fatto delle variazioni diurne delle luci del nord, ed ai cambiamenti ciclici che corrispondono, con un periodo di 11anni, alla massima attività solare.…”

L’ipotesi di cui sopra non era del tutto nuova, anche se era in concorrenza con una quantità di altre stravaganti idee colorate circa l’origine del aurora. A tal proposito nel 1878 H. Bequerel suggerì che le particelle fuoriuscite dalle macchie solari fossero guidate dal campo magnetico terrestre nella zona aurorale. Un’idea simile fu proposta anche da E. Goldstein. Ciò che distingueva l’ipotesi di Birkeland dalle altre è che questa venne realmente supportata da esperimenti controllati. Questo ha reso la sua idea più di una spiegazione a proposito di tale fenomeno. Si trattava di un’ipotesi formulata grazie all’immediata prova sperimentale, e questo, per i due decenni a seguire, lo ha guidato attraverso ciò che forse era il programma mondiale di osservazione sperimentale più esteso al mondo in questo campo. Nei primi anni successivi alla formulazione dell’ipotesi aurorale Birkeland ha condotto vari esperimenti di laboratorio sui raggi catodici e sul magnetismo. Ha avuto numerose pubblicazioni su questo argomento, ma stava anche studiando le macchie solari e i fenomeni cosmici.  Birkeland più tardi scrisse con orgoglio e con grande soddisfazione che JJ Thomson, nella sua carta classica sulla natura dei raggi catodici del 1897, aveva preso alcune delle sue scoperte di questo periodo come un punto di partenza per dimostrare che l’atomo non è la più piccola unità di materia. Birkeland, che divenne professore nel settembre del 1898, intraprese una campagna per ottenere un osservatorio per gli studi aurorali da realizzare sul monte Haldde, nei pressi di Alta nel nord della Norvegia. Il Governo norvegese ha finanziato la somma, e Birkeland e un assistente si trasferirono in una capanna di osservazione sulla cima della montagna durante l’inverno 1899-1900. I risultati di questa spedizione sono descritti nel libro “Expedition Norvegienne 1899-1900”. Questo libro, pubblicato nel 1901, ha anche un capitolo sugli esperimenti con i gas di scarico effettuati nel laboratorio di Christiania. Uno dei molti esperimenti descritti in questo libro è un set-up che mostrano fenomeni spettacolari a causa di azioni elettrostatiche. Birkeland era in grado di guidare gli scarichi visibili verso la parete di vetro mettendo il suo dito all’esterno. Una dinamica non diversa dalle moderne “palle di plasma” realizzate per decorazioni.

Ha anche descritto esperimenti con un tubo di scarico sferico posto sulla sommità di un grande elettromagnete, e con l’anodo posto al centro del tubo. Con questa disposizione fu in grado di creare alcuni scarichi di incantevole bellezza. Egli concluse questo esperimento con la seguente frase:

“…. Le bande prodotte presentano quindi una tale analogia con le bande aurorali, che quando sono stato testimone di questo esperimento, senza ombra di dubbio, ho visto la prova che i due fenomeni sono fortemente correlati….”

Con questo esperimento l’attività di laboratorio di Birkeland termino. Dopo quattro anni di duro lavoro con i tubi classici a gas di scarico, studiando i raggi X, l’influenza sui raggi catodici da magneti e gli scarichi che ricordano l’Aurora Boreale, passò ad una nuova serie di esperimenti. Durante le scrupolose osservazioni in cima alla montagna ottenne nuove e grandi idee.

Nel mese di ottobre 1900, la rivista norvegese di ingegneria elettrica, “Elektroteknisk Tidsskrift“, pubblicò una nota intitolata “The Expedition Auroral“. Carta che conteneva una breve descrizione della seconda spedizione di Birkeland verso l’Artico. Birkeland era tornato a Christiania e aveva già fatto alcuni nuovi esperimenti con un “elettromagnete sferico“.

B. voleva provare alcuni particolari della sua teoria aurorale, sulla base delle recenti osservazioni fatte durante la spedizione. Nei due set-up di gas di scarico, ha prodotto risultati che gli hanno permesso di interpretare come gira la corrente intorno ad una sfera metallica verniciata con materiale fosforescente, con all’interno un elettromagnete. Le sfere in ogni caso simulano la Terra con il suo campo magnetico.

Le correnti sono state create con una scarica a catodo freddo tra elettrodi nel tubo, e sono viste nella Terrella come illuminazione della vernice fosforescente e come cunei di luce con i raggi incorporati nei gas rarefatto. Vedeva due anelli di luce stretti attorno ai poli della
sfera e questo è stato interpretato come una aurora in miniatura. Le osservazioni sull’artico contenute e combinate con queste esperienze di successo sono state per Birkeland un grande passo verso una verifica della sua ipotesi aurorale. Nel libro della spedizione, che è stato pubblicato la primavera successiva, c’è un capitolo che descrive in dettaglio questi esperimenti. Più tardi chiamò l’elettromagnete sferico Terrella (piccola Terra :smile:) con i piccoli magneti o calamite usati come modelli di Terra nel XVI secolo da William Gilbert (1540-1603), e descritti nel libro “De Magnete“. L’idea di utilizzare una sfera magnetizzabile in un gas di scarico ha aperto un nuovo grande campo di ricerca per Birkeland. Quasi tutti i suoi futuri esperimenti di fisica si concentreranno su questa Terra in miniatura. Negli anni 1900-1913 usò molte Terrella per scopi diversi, che variano per dimensioni e costruzione. Oltre a studiare l’aurora artificiale usò la Terrella per la simulazione dei fenomeni solari, le comete e gli anelli di Saturno. ( nelle prossime parti 😎 )

Figura 3: Questa simulazione di “anelli di luce equatoriale” sono state eseguite nel primo tubo di vetro da 12 litri, Terrella da 10 cm. L’intero setup è stato eccitato con  una macchina ad induzione da 6000 V e con una Terrella calamitata con corrente a 10 A. In questo esperimento, creò la scarica tra un catodo (sinistra) e un anodo separato (in alto a sinistra). Poiché non è stato creato uno schema circuitale, il potenziale della superficie della terrella non è noto.

Simone Becuzzi

Fine 2°parte

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

Fine 1°parte